CN106442513B - 基于计时策略的二价铜离子检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于计时策略的免仪器二价铜离子检测方法。利用Cu²⁺可快速介导2‑(N‑吗啉)乙磺酸与氯金酸之间的氧化还原反应速率提高，来缩短红色纳米金溶液形成时间的简单机制。红色纳米金溶液的形成时间反比于Cu²⁺浓度。通过使用电池驱动的廉价小型计时器进行信号（红色溶液的形成时间）读取，就能实现纳摩尔水平Cu²⁺的便携式定量检测。本发明方法具有操作简单、成本低廉、不需使用专业分析仪器设备、适于Cu²⁺的现场分析和即时检测等突出优点。本方法能直接推广应用于医学诊断、环境监测、食品安全等诸多领域里各类型样本中Cu²⁺分析物或以该金属离子为二级分析物的蛋白质、核酸等其他目标分析物的简单、经济、快速、灵敏、特异的便携式定性与定量检测。

Description

基于计时策略的二价铜离子检测方法

技术领域

本发明属于纳米化学传感技术领域，具体涉及一种基于计时策略的免仪器二价铜离子检测方法。

背景技术

铜是人体和动物生理必需的微量元素，但摄入量不足或过量摄入都会影响人体正常的生理功能。此外，铜对水生生物的毒性很大，且游离二价铜离子（Cu²⁺）的毒性比其配合物的毒性大。我国饮用水标准规定水中Cu²⁺离子含量低于20 μM。加拿大、美国和欧洲联盟规定，饮用水中Cu²⁺离子的浓度分别不得超过15 μM、20 μM和30 μM。为保障食物、水和环境中的Cu²⁺离子不影响人体健康和其他生物的生命安全，对食物、水和环境中的痕量Cu²⁺离子进行定量检测意义重大。现有的Cu²⁺检测技术主要包括有原子吸收光谱法、电化学分析法、荧光分光光度法、化学发光法、紫外可见分光光度法等。然而，这些方法普遍存在操作步骤繁琐费时、定量分析时必须依赖价格昂贵且体积庞大的分析仪器、不能用于现场分析及即时检测等问题。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种基于计时策略的免仪器二价铜离子检测方法。

本发明的思路：研究显示某一浓度的2-（N-吗啉）乙磺酸（MES）溶液在弱酸性环境下可缓慢还原氯金酸溶液原位生成红色纳米金溶液。本发明发现在Cu²⁺存在下，上述氧化还原反应的反应速率可得到显著提高，快速获得红色纳米金溶液。Cu²⁺浓度与红色纳米金溶液原位形成时间成反比关系，通过使用基于电池驱动的廉价小型计时器代替原子吸收光谱仪、电化学分析仪、荧光分光光度计法、化学发光仪、紫外可见分光光度计等价格昂贵且缺乏便携性的分析仪器进行信号（原位形成红色纳米金溶液所需时间）读取，即可实现低成本便携式Cu²⁺的准确定量分析。

具体步骤为：

(1)在弱酸性2-(N-吗啉)乙磺酸(MES)水溶液中依次加入含有Cu²⁺的溶液及氯金酸水溶液，充分混合，形成氯金酸浓度为100~400 μM的混合溶液。

(2)将步骤(1)形成的混合溶液通过氧化还原反应原位生成纳米金，用肉眼观测混合溶液的颜色变化，同时使用便携式计时器记录自氯金酸水溶液加入起至混合溶液完全呈现红色所需的时间，该时间与Cu²⁺的浓度呈负相关，从而实现Cu²⁺的免仪器计时检测。

所述弱酸性2-(N-吗啉)乙磺酸水溶液是指浓度范围在1~1.5mM且pH值范围在5.5~6.8的MES水溶液。

所述含有Cu²⁺的溶液中的Cu²⁺为目标分析物或者通过化学反应及生物反应产生的二级分析物。

所述便携式计时器为电池供电的具有计时功能的廉价小型设备，包括市面上常见的电子计时器、具有计时功能的手机和具有计时功能的手持式小型设备中的一种。

与现有的Cu²⁺检测方法相比，本发明的突出优点在于：

1）整个Cu²⁺分析过程中的操作极为简单(仅涉及三种溶液的混合步骤)。

2）仅需肉眼观测溶液颜色的改变，并使用价格低廉的小型计时器即可进行便携式定量信号读取，从而在极大降低分析成本的同时还能实现Cu²⁺的现场分析和即时检测。

3）本发明可直接推广应用于医学诊断、环境监测、食品安全等诸多领域里各类型样本中Cu²⁺分析物或以该金属离子为二级分析物的蛋白质、核酸等其他目标分析物的简单、经济、快速、灵敏、特异的定性与定量检测。

附图说明

图1为本发明基于计时策略的免仪器二价铜离子检测方法的原理示意图。

图中标记：1-检测试管；2-无色缓冲溶液；3-MES；4-Cu²⁺；5-氯金酸；6-电子计时器；7-纳米金；8-含有纳米金的红色溶液。

图2为本发明实施例1中使用基于计时策略的免仪器Cu²⁺检测方法分析20μM含有Cu²⁺的样本溶液所得信号时间值与空白样本所得空白时间值的比较。时间值为计时器记录的自氯金酸水溶液加入起至混合溶液完全呈现红色所需的时间。

图3为本发明实施例2中使用基于计时策略的免仪器Cu²⁺检测方法分析一系列含有不同浓度Cu²⁺的样本时所得信号时间值（t_Cu2+）分别减去图2中空白时间值（t_blank）的时间差值（∆t）与Cu²⁺浓度的Log值（LogC_Cu2+）之间的工作曲线。时间值为计时器记录的自氯金酸水溶液加入至混合溶液完全呈现红色所需的时间。

具体实施方式

以下实施例将对本发明予以进一步的说明，但并不因此而限制本发明。

实施例1:

使用基于计时策略的免仪器Cu²⁺检测方法分析20μM含有Cu²⁺的样本溶液与空白样本（不含Cu²⁺的超纯水）。

具体实施过程如下：

如图1所示，本实施例的具体步骤为：步骤一，环境温度下，在1个1.5 mL的塑料试管中依次加入750 μL 1.3 mM的MES水溶液（预先使用1 M氢氧化钠水溶液将其pH值调节至6）、100 μL 20 μM的Cu²⁺样本溶液（硫酸铜（CuSO₄）水溶液）以及5 μL 28 mM的氯金酸（HAuCl₄）水溶液，并摇动试管使溶液混合均匀；步骤二，肉眼观测上述混合溶液的颜色变化，同时使用市售便携式电子计时器记录自氯金酸水溶液加入起至混合溶液完全呈现红色所需的时间。

根据相同的步骤，将20 μM Cu²⁺样本溶液换成空白样本，即超纯水（电阻率为18.2MΩ·cm），并使用便携式计时器记录自氯金酸水溶液加入至混合溶液完全呈现红色所需的时间。

从图2可以看出，检测空白样本所得的空白时间值长达100 min，而检测20 μM的Cu²⁺样本溶液所得的信号时间值显著降低，仅为15 min。这是因为MES在弱酸性环境下需要较长时间来缓慢还原氯金酸原位生成红色纳米金溶液；而在Cu²⁺存在下该氧化还原反应速率显著提高，从而在较短时间里快速获得红色纳米金溶液。图2中的对比实验结果表明，基于计时策略的免仪器Cu²⁺离子检测方法切实可行。

实施例2:

使用基于计时策略的免仪器二价铜离子检测方法分析浓度范围为6.4 nM~100 μΜ的Cu²⁺样本溶液。具体实施过程如下：

如图1所示，本实施例中每个铜离子样本分析的具体步骤为：步骤一，环境温度下，在1个1.5 mL的塑料试管中依次加入750 μL 1.3 mM的MES水溶液（预先使用1 M氢氧化钠水溶液将其pH值调节至6.5）、100 μL 20 μM的Cu²⁺样本溶液（硫酸铜（CuSO₄）水溶液）以及5 μL28 mM的氯金酸（HAuCl₄）水溶液，并摇动试管使溶液混合均匀；步骤二，肉眼观测上述混合溶液的颜色变化，同时使用市售便携式电子计时器记录自氯金酸水溶液加入至混合溶液完全呈现红色所需的时间（信号时间值，t_Cu2+）。将所有样本的t_Cu2+分别减去实施例1中的空白时间值（t_blank）所得的时间差值（∆t）对Cu²⁺浓度的Log值（LogC_Cu2+）作图（图3），即完成基于计时策略的二价铜离子检测。

由图3可知，随着Cu²⁺浓度的增加，相应的信号时间值与实施例1中的空白时间值的差值，即∆t值逐渐增大。这是因为，当样本中Cu²⁺浓度较大时，其在相同时间里提高MES-氯金酸氧化还原反应速率的性能越强，从而使形成红色纳米金溶液的时间越短，与空白时间值的差值（∆t）越大。此外，图3显示，利用廉价便携式计时器量测所得∆t值与Cu²⁺浓度的Log值（LogC_Cu2+）在两个浓度范围内呈现良好的线性关系，即6.4 nM~800 nM和800 nM~100μΜ。

Claims (1)

1.一种基于计时策略的二价铜离子检测方法，其特征在于具体步骤为：

(1)在弱酸性2-(N-吗啉)乙磺酸水溶液中依次加入含有Cu²⁺的溶液及氯金酸水溶液，充分混合，形成氯金酸浓度为100~400 μM的混合溶液；

(2)将步骤(1)形成的混合溶液通过氧化还原反应原位生成纳米金，用肉眼观测混合溶液的颜色变化，同时使用便携式计时器记录自氯金酸水溶液加入起至混合溶液完全呈现红色所需的时间，该时间与Cu²⁺的浓度呈负相关，从而实现Cu²⁺的计时检测；

所述弱酸性2-(N-吗啉)乙磺酸水溶液是指浓度范围在1~1.5mM且pH值范围在5.5~6.8的2-(N-吗啉)乙磺酸水溶液；

所述含有Cu²⁺的溶液中的Cu²⁺为目标分析物；

所述便携式计时器为电池供电的具有计时功能的廉价小型设备，包括市面上常见的电子计时器、具有计时功能的手机和具有计时功能的手持式小型设备中的一种。