CN106353377A - 纳米复合材料ZnO‑CdS‑GO的制备方法及利用其构建传感器检测汞离子的方法 - Google Patents

纳米复合材料ZnO‑CdS‑GO的制备方法及利用其构建传感器检测汞离子的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及环境中汞离子检测领域，具体是制备ZnO‑CdS‑GO复合物，应用其构建光电化学传感器，用于检测汞离子。纳米复合材料ZnO‑CdS‑GO的制备方法及利用其构建传感器检测汞离子的方法，本发明方法首先制备ZnO‑CdS‑GO复合物，然后利用ZnO‑CdS‑GO复合物构建光电化学DNA传感器对汞离子进行检测。此光电化学传感器具有较高的灵敏度，并且检测速度快，准确率高，检测汞离子有较好的专一性。

Description

纳米复合材料ZnO-CdS-GO的制备方法及利用其构建传感器检 测汞离子的方法
技术领域
本发明涉及环境中汞离子检测领域，具体是制备ZnO-CdS-GO复合物，应用其构建光电化学传感器，用于检测汞离子。
背景技术
对汞离子的检测方法主要有电感耦合等离子体-质谱（Bings, N. H.; Bogaerts,A.; Broekaert, J. A. C. Anal. Chem. 2010,82, 4653−4681.）冷原子荧光法（Angeli,V.; Ferrari, C.; Longo, I.; Onor, M.; D’Ulivo, A.;Bramanti, E. Anal. Chem.2011, 83, 338−343.）表面增强拉曼光谱法（Chen, G. H.; Chen, W. Y.; Yen, Y. C.;Wang, C. W.; Chang, H.T.; Chen, C. F. Anal. Chem. 2014, 86, 6843−6849.和Xu,L. G.; Yin, H. H.; Ma, W.; Kuang, H.; Wang, L. B.; Xu, C. L.Biosens.Bioelectron. 2015, 67, 472−476.和 Ma, P. Y.; Liang, F. H.; Diao, Q. P.; Wang,D.; Yang, Q. Q.; Gao,D. J.; Song, D. Q.; Wang, X. H. RSC Adv. 2015, 5, 32168−32174.）和紫外-可见光谱法（Lorber, K. E. Waste Manage Res. 1986, 4, 3−13.）等，虽然这些方法可促进汞离子检测的灵敏度， 但其存在复杂的样品制备、高花费、易污染、不可重复性等缺点，此外，这些检测方法易受其他离子的影响。因而建立一种高灵敏度、高选择性的可检测微量汞离子的经济型方法成为亟待解决的问题。相对于传统的离子分析手段,光电化学分析方法具备了光化学和电化学分析方法共同的优点，作为一种分析测试手段，其检测过程与电致化学发光刚好相反，以光为激发信号，最终检测的是电化学信号，不同形式的激发和检测信号使其背景信号大大降低。光电化学分析方法所使用的仪器比较简单廉价、容易实现微型化，并且灵敏度高、响应快速，是一种极具发展前景的分析方法。 ,
纳米材料是21世纪的材料领域最热门的研究对象,由于其独特的、优良的性能。其在工业、材料、生物、物理、化学等各个学科、各个领域都发挥了重要作用。纳米复合材料是将两种或以上的不同理化性能的材料选择一定方法,将其组装到一起,形成新材料。复合纳米材料结合不同材料的特点,赋予了复合材料独特的性能。纳米材料在环境污染物的检测和防治方面正发挥着愈来愈重要的作用。作为一种新兴的碳纳米材料,氧化石墨烯(GO)及其复合纳米材料的研究引起了人们广泛的关注。GO具有非常优越的吸附性能，对于提高GO 复合材料在水中的分散性极其有利。 而且在氧化石墨烯载体中,电子能够非常高效地迁移。对于光电材料来说,GO的掺入可以提高电荷分离和加速电荷传输,从而提高材料的光电性能。
本文选择制备ZnO-CdS-GO复合物构建光电化学传感器，利用其双信号放大功能用于重金属离子Hg2+的检测。纳米复合材料的制备方法简单、快速、成本低，以此为标记物的传感器具有较好的灵敏性、选择性、稳定性和重现性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种汞离子快速检测的光电化学传感器，以ZnO-CdS-GO复合物作为标记物在常规条件下实现对汞离子的检测，并具有较低的检测限，且能用于实际环境水样的检测。
本发明所采用的技术方案是：纳米复合材料ZnO-CdS-GO的制备方法，按照如下的步骤进行
步骤一、将氯化锌溶于去离子水，加热至90℃，缓慢搅拌下逐滴加入氢氧化钠，在90℃下持续加热搅拌1小时，反应物冷却至室温，沉淀分离，去离子水洗涤沉淀物数次，清洗后的沉淀物分散到异丙醇中，超声10分钟，离心收集，置于马弗炉中350℃煅烧3小时，制得氧化锌纳米颗粒；
步骤二、将乙酸镉溶于去离子水，搅拌下加入巯基乙酸，用氢氧化钠调节溶液pH至11.5，加入硫化钠，持续搅拌至变为黄色悬浮液，离心分离，用去离子水、乙醇各清洗三次，得到固体样品，样品在真空干燥箱60℃下干燥2小时，即得硫化镉；
步骤三、氧化石墨烯加入去离子水超声2小时，得悬浮液，将步骤一、二制备的氧化锌纳米颗粒与硫化镉加入悬浮液中，混合物水热处理48小时，合成的样品用水、乙醇清洗数次，离心收集得到的固体，50℃真空干燥4小时，得ZnO-CdS-GO复合物。
作为一种优选方式：步骤一中，氯化锌的量为5.2a-5.8a克，质量分数为2.5 %；去离子水的量为180a-250a毫升，氢氧化钠的量为0.5a-1.1a克，质量分数为15 %，硝酸银的量为0.01a-0.02a克，质量分数为2 %；步骤二中，乙酸镉的量为0.5b-0.58b克，质量分数为2%；去离子水的量为220b-280b毫升；巯基乙酸水溶液的量为0.25b-0.28b毫升，质量分数为1%；硫化钠的量为0.43b-0.51b克，质量分数为2 %；步骤三中，氧化石墨烯的量为0.07c-0.13c克，质量分数为1 %；去离子水的量为7c-13c毫升；氧化锌的量为0.45c-0.51c克，质量分数为4 %；硫化镉的量为0.45c-0.51c克，质量分数为4%， a、b、c为正整数。
作为一种优选方式：将超声后的ZnO-CdS-GO复合物滴在干净的氧化铟锡电极上，静置1小时，然后将DNA1溶液滴在电极上，4℃下孵育1小时，用PBS溶液清洗，移除未固定的DNA1，继续孵育MEA溶液1小时，锁定未结合的活性位点，滴加EDC与NHS的混合溶液，室温孵育1小时后，加Rh123用于标记DNA1，随后电极孵育Au-DNA2的混合液1小时，以使DNA1与Au-DNA2杂交，用PBS溶液清洗后，构成光电化学传感器，光电化学传感器依次孵育不同浓度的汞离子，通过计时电流法检测汞离子的浓度。
作为一种优选方式：干净的氧化铟锡电极是指分别在丙酮，氢氧化钠溶液，去离子水中超声清洗15分钟，在80℃干燥箱中干燥12小时。
作为一种优选方式：DNA1是寡核苷酸5′-CTG TTT TCT TTC GGA CGA CCC CCC TCGTCC GTT TGT TTT CAG-3′；DNA2是寡核苷酸5′-AAA ACA AAA AAG AAA AGC C-3′。
作为一种优选方式：依次孵育不同浓度的汞离子是指将光电化学传感器的金电极依次在浓度为0皮摩尔/升、2.5皮摩尔/升、5皮摩尔/升、10皮摩尔/升、25皮摩尔/升、50皮摩尔/升、100皮摩尔/升、250皮摩尔/升、500皮摩尔/升、1钠摩尔/升、2.5钠摩尔/升的汞离子中室温孵育1小时。
作为一种优选方式：将电化学传感器使用计时电流法检测汞离子的浓度是指，将光电化学传感器在磷酸浓度为0.2毫摩尔/升、pH为7.0的溶液中以在0 – 50秒进行测试，汞离子的浓度检测范围是2.5皮摩尔/升到2.5纳摩尔/升，在此范围内，汞离子浓度与电流信号成线性相关性，对应的线性方程为y=0.0034 x +0.49665，其中，x是汞离子的浓度，单位是皮摩尔/升，y是检测的电流信号，单位是微安。
本发明的有益效果是：本发明方法制备ZnO-CdS-GO复合物，构建光电化学DNA传感器对汞离子进行检测。此光电化学传感器具有较高的灵敏度，并且检测速度快，准确率高，检测汞离子有较好的专一性。
附图说明
图1是ZnO-CdS-GO复合物透射电子显微镜（TEM）图（500纳米）；
图2是光电化学传感器检测汞离子的示意图；
图3是纳米Au与ZnO-CdS-GO复合物的作用原理图；
图4是Rh123与ZnO-CdS-GO复合物的作用原理图；
图5是使用计时电流法（i-t）检测汞离子的浓度的电流与时间关系图；
图6是使用计时电流法（i-t）检测汞离子的浓度的电流与汞离子的浓度关系图。
具体实施方式
步骤一、将5.2-5.8克氯化锌（2.5%，质量分数）溶解在180-250毫升去离子水中，加热至90℃，缓慢搅拌下逐滴加入0.5-1.1克氢氧化钠（15 %，质量分数），持续加热搅拌1小时，反应物冷却至室温，沉淀分离，去离子水洗涤沉淀物数次，用硝酸银（2 %，质量分数）检测氯化钠直至完全移除，净化后的氧化锌分散到异丙醇中，超声10分钟。离心收集，置于马弗炉中350℃煅烧3小时，制得氧化锌纳米颗粒；
步骤二、将0.5-0.58克乙酸镉（2 %，质量分数）溶于220-280毫升去离子水，搅拌下加入0.25-0.28毫升巯基乙酸（1 %，质量分数），用5摩尔/升的氢氧化钠调节溶液pH至11.5，加入0.43-0.51克硫化钠（2 %，质量分数），持续搅拌至变为黄色悬浮液，离心分离，用去离子水、乙醇各清洗三次，得到固体样品，样品在真空干燥箱60℃下干燥2小时，即得硫化镉；
步骤三、取氧化石墨烯0.07-0.13克（1 %，质量分数）加7-13毫升去离子水超声2小时，得悬浮液，将步骤一、二制备的0.45-0.51克氧化锌纳米颗粒（4 %，质量分数）与0.45-0.51克硫化镉（4 %，质量分数）加入悬浮液中，混合物水热处理48小时，合成的样品用水、乙醇清洗数次，离心收集得到的固体50℃真空干燥4小时，得ZnO-CdS-GO复合物。
利用制备的ZnO-CdS-GO复合物检测汞离子的方法，首先将氧化铟锡电极分别在丙酮，1摩尔/升的氢氧化钠溶液，去离子水中超声清洗15分钟，在80℃干燥箱中干燥12小时，即得到干净的氧化铟锡电极。将超声后的ZnO-CdS-GO滴在干净的氧化铟锡电极上，静置1小时，然后将DNA1溶液滴在电极上，4℃下孵育1小时，用PBS溶液清洗，移除未固定的DNA1，继续孵育MEA溶液1小时，锁定未结合的活性位点，滴加EDC与NHS的混合溶液，室温孵育1小时后，加Rh123用于标记DNA1，随后电极孵育Au-DNA2的混合液1小时，以使DNA1与Au-DNA2杂交，用PBS溶液清洗后，构成光电化学DNA传感器，利用光电化学DNA传感器37℃下孵育0皮摩尔/升、2.5皮摩尔/升、5皮摩尔/升、10皮摩尔/升、25皮摩尔/升、50皮摩尔/升、100皮摩尔/升、250皮摩尔/升、500皮摩尔/升、1钠摩尔/升、2.5钠摩尔/升的汞离子，通过计时电流法（i-t）（使用CHI-660E电化学工作站的计时电流法（i-t））检测汞离子的浓度。
将光电化学传感器使用计时电流法（i-t）检测汞离子的浓度是指，将光电化学传感器在磷酸浓度为0.2毫摩尔/升、pH为7.0的溶液中在0 – 50秒进行测试，光电化学传感器对汞离子是非线性吸附，如图5所示，当汞离子的浓度在0 – 2.5皮摩尔/升时，观察到空白缓冲液的电流信号近似0.22微安，当汞离子的浓度在2.5皮摩尔/升时，得到的电流信号开始大于0.22微安，汞离子的浓度检测范围是2.5皮摩尔/升到2.5纳摩尔/升，如图6所示，在此范围内，汞离子的浓度与电流信号成线性相关性，其线性相关系数平方R2是0.992，对应的线性方程为y = 0.0034x +0.49665 （R2 = 0.992， n = 24，n为试验次数），其中，x是汞离子的浓度，单位是皮摩尔/升，y是检测的电流信号，单位是微安。其最低检测限为0.5皮摩尔/升(信噪比为3)，与其它检测方法相比，构建的光电化学免疫传感器具有较低的检测限和较宽的检测范围（R是线性相关系数，R2是线性相关系数的平方，n代表的是实验次数）。
汞离子浓度与电流信号的对应关系如下表所示
实际样品分析
用构建的电化学传感器检测自来水中添加的汞离子，添加的汞离子浓度分别为10皮摩尔/升、100皮摩尔/升、1纳摩尔/升，由线性相关方程y = 0.0034x +0.49665计算得到自来水中的汞离子浓度分别为9.81皮摩尔/升、118.63皮摩尔/升、0.97纳摩尔/升，回收率为98.1%、118.6%、97.2%，证明该传感器可以用来检测实际环境水样品中的汞离子浓度。
专一性分析
将制得的电化学传感器分别在空白缓冲溶液、5微摩尔/升的不同干扰物质（Fe2+，Mg2+,Ca2+，Co2+，Zn2+，Na+，K+）的缓冲溶液中孵育1小时后，用磷酸缓冲溶液充分洗涤，然后检测其电流信号，构建的光电化学传感器与上述七五种干扰物质作用后的峰电流信号变化均很小，约为0.25微安左右。和空白组比较，干扰物质产生的电流变化小于5%。相反，当构建的电化学传感器与5纳摩尔/升的汞离子作用时，峰电流变化显著，为8.83微安。说明由ZnO-CdS-GO复合物构建的光电化学传感器对检测汞离子有较好的专一性。

Claims (7)

1.纳米复合材料ZnO-CdS-GO的制备方法，其特征在于：按照如下的步骤进行
步骤一、将氯化锌溶于去离子水，加热至90℃，缓慢搅拌下逐滴加入氢氧化钠，在90℃下持续加热搅拌1小时，反应物冷却至室温，沉淀分离，去离子水洗涤沉淀物数次，清洗后的沉淀物分散到异丙醇中，超声10分钟，离心收集，置于马弗炉中350℃煅烧3小时，制得氧化锌纳米颗粒；
步骤二、将乙酸镉溶于去离子水，搅拌下加入巯基乙酸，用氢氧化钠调节溶液pH至11.5，加入硫化钠，持续搅拌至变为黄色悬浮液，离心分离，用去离子水、乙醇各清洗三次，得到固体样品，样品在真空干燥箱60℃下干燥2小时，即得硫化镉；
步骤三、氧化石墨烯加入去离子水超声2小时，得悬浮液，将步骤一、二制备的氧化锌纳米颗粒与硫化镉加入悬浮液中，混合物水热处理48小时，合成的样品用水、乙醇清洗数次，离心收集得到的固体，50℃真空干燥4小时，得到纳米复合材料ZnO-CdS-GO复合物。
2.根据权利要求1所述的纳米复合材料ZnO-CdS-GO的制备方法，其特征在于：步骤一中，氯化锌的量为5.2a-5.8a克，质量分数为2.5 %；去离子水的量为180a-250a毫升，氢氧化钠的量为0.5a-1.1a克，质量分数为15 %，硝酸银的量为0.01a-0.02a克，质量分数为2 %；步骤二中，乙酸镉的量为0.5b-0.58b克，质量分数为2 %；去离子水的量为220b-280b毫升；巯基乙酸水溶液的量为0.25b-0.28b毫升，质量分数为1 %；硫化钠的量为0.43b-0.51b克，质量分数为2 %；步骤三中，氧化石墨烯的量为0.07c-0.13c克，质量分数为1 %；去离子水的量为7c-13c毫升；氧化锌的量为0.45c-0.51c克，质量分数为4 %；硫化镉的量为0.45c-0.51c克，质量分数为4%， a、b、c为正整数。
3.利用权利要求1制备的ZnO-CdS-GO复合物构建传感器检测汞离子的方法，其特征在于：将超声后的ZnO-CdS-GO复合物滴在干净的氧化铟锡电极上，静置1小时，然后将DNA1溶液滴在电极上，4℃下孵育1小时，用PBS溶液清洗，移除未固定的DNA1，继续孵育MEA溶液1小时，锁定未结合的活性位点，滴加EDC与NHS的混合溶液，室温孵育1小时后，加Rh123用于标记DNA1，随后电极孵育Au-DNA2的混合液1小时，以使DNA1与Au-DNA2杂交，用PBS溶液清洗后，构成光电化学传感器，光电化学传感器依次孵育不同浓度的汞离子，通过计时电流法检测汞离子的浓度。
4.根据权利要求3所述的利用权利要求1制备的ZnO-CdS-GO复合物构建传感器检测汞离子的方法，其特征在于：干净的氧化铟锡电极是指分别在丙酮，氢氧化钠溶液，去离子水中超声清洗15分钟，在80℃干燥箱中干燥12小时。
5.根据权利要求3所述的利用权利要求1制备的ZnO-CdS-GO复合物构建传感器检测汞离子的方法，其特征在于：DNA1是寡核苷酸5′-CTG TTT TCT TTC GGA CGA CCC CCC TCGTCC GTT TGT TTT CAG-3′；DNA2是寡核苷酸5′-AAA ACA AAA AAG AAA AGC C-3′。
6.根据权利要求3所述的利用权利要求1制备的ZnO-CdS-GO复合物构建传感器检测汞离子的方法，其特征在于：依次孵育不同浓度的汞离子是指将光电化学传感器的金电极依次在浓度为0皮摩尔/升、2.5皮摩尔/升、5皮摩尔/升、10皮摩尔/升、25皮摩尔/升、50皮摩尔/升、100皮摩尔/升、250皮摩尔/升、500皮摩尔/升、1钠摩尔/升、2.5钠摩尔/升的汞离子中室温孵育1小时。
7.根据权利要求3所述的利用权利要求1制备ZnO-CdS-GO复合物构建传感器检测汞离子的方法，其特征在于：将电化学传感器使用计时电流法检测汞离子的浓度是指，将光电化学传感器在磷酸浓度为0.2毫摩尔/升、pH为7.0的溶液中以在0 – 50秒进行测试，汞离子的浓度检测范围是2.5皮摩尔/升到2.5纳摩尔/升，在此范围内，汞离子浓度与电流信号成线性相关性，对应的线性方程为y=0.0034 x +0.49665，其中，x是汞离子的浓度，单位是皮摩尔/升，y是检测的电流信号，单位是微安。
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