CN107144563A - 一种快捷检测、富集与分离重金属汞离子比色试纸的制作及应用新技术 - Google Patents

一种快捷检测、富集与分离重金属汞离子比色试纸的制作及应用新技术 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种快捷检测、富集与分离重金属汞离子比色试纸的制作及应用，包括：壳聚糖‑金纳米功能化比色传感试纸的制备及其对水样品中汞离子的比色检测富集和分离。向10.0mL的容量瓶依次加入1.0mL 3.5×10−3 g/L显色剂标准溶液、1.0mL pH值为5.0的混合磷酸盐缓冲溶液，1.0mL浓度为1.0×10−4 mol/L维生素C溶液和1.0mL汞样品，定容，测量体系在528nm波长处的吸光度A，记录吸光度倒数值1/A，计算样品中Hg2+的含量；将干燥普通滤纸置于显色剂标准溶液中（显色剂浓度为3.5×10−3 g/L、pH值为5.0，维生素C的浓度为1.0×10−4 mol/L）浸泡过夜，干燥，制得壳聚糖‑纳米金功能化比色试纸或滤纸；可快速定量检测高效富集与分离环境水样品中重金属Hg2+，操作简单无毒无污染。

Description

一种快捷检测、富集与分离重金属汞离子比色试纸的制作及 应用新技术
技术领域
本发明属于水环境重金属Hg2+的比色检测及其富集分离领域，特别涉及一种快捷检测、富集与分离重金属汞的壳聚糖-纳米金复合材料功能化比色试纸的制作及应用新技术。
背景技术
随着世界现代化进程和产业结构调整，工业污染使得很多城市被雾霾笼罩，河道干涸、土壤污染或沙漠化日益扩大。根据世界银行发布的报告《污染的成本》(The cost ofPollution)显示，全球92%的人口生活在质量低于世界卫生组织所规定安全标准的环境里；息息相关的大气污染、水污染和土壤污染已成为世界经济和社会可持续发展的重大障碍。
近年来，比色检测重金属汞离子的分析法因实验成本、过程简单、操作简便、甚至可以通过“裸眼”替代复杂昂贵的仪器直接进行检测等优点，引起了越来越多科学工作者的重视并投入研究。其中纳米-高分子复合材料，因其比表面积大、富集力度强，同时还具有良好的组分间的协同效应、稳定性高、易提取和回收利用、减少对环境造成二次污染等优点。课题组前期成功构筑了一种基于石墨烯-金纳米复合材料比色法检测、富集与分离水环境中重金属Hg2+的新方法[授权专利号: ZL201310752506.3]，具有操作简单、响应速度快、选择性好，可快速定量检测、高效富集与分离环境水样品中的重金属Hg2+。
为了进一步提高水相中 Hg2+比色检测的选择性与灵敏度，尤其是可视性和可操作性，本发明拟构筑一种纳米金功能化壳聚糖比色复合材料，进一步修饰到普通滤纸上，制备功能化比色检测和富集分离重金属汞离子的比色传感试纸或滤纸，探讨它们在比色传感、富集与分离环境重金属离子等方面的应用，实现对水样中的重金属Hg2+快速有效地裸眼比色检测、富集与分离，操作简单、无毒无污染。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种快捷检测、富集与分离重金属汞离子比色试纸或滤纸的制作及应用新技术，该方法具有操作简单，响应速度快，选择性好，灵敏度高等优点，可快速地对环境水样品中重金属Hg2+进行定量比色检测和高效富集与分离。
本发明的一种快捷检测、富集与分离重金属汞离子比色试纸的制作及应用新技术，包括：
(1) 壳聚糖-纳米金复合材料的制备
准确称取0.375 g (0.025 mol) 壳聚糖，置于100 mL圆底烧瓶中，依次加入35.0 mL去离子水和0.7 mL冰醋酸，55 oC下水浴溶胀5.0 h后，滴加3.0 mL 10.0 g/L氯金酸，搅拌15min后再向圆底烧瓶中加115.0 mL去离子水，继续搅拌45 min，升温到85 oC；滴加0.75 mL0.1 mol/L Vc，氯金酸快速被还原成纳米金，溶液呈深红色，保温20 min后停止加热，搅拌冷却到室温；减压抽滤，用去离子水充分洗涤，滤饼于60 oC下真空干燥，得深红色壳聚糖-纳米金复合材料；
(2) 显色剂壳聚糖-纳米金复合材料标准溶液的配制
将上述壳聚糖-纳米金复合材料超声分散到去离子水中，配制成浓度为 3.5 ×10−3g·L−1壳聚糖-纳米金复合材料标准溶液，室温下保存；
(3) 壳聚糖-纳米金功能化比色试纸或滤纸的制备
将干燥的快速滤纸置于显色剂壳聚糖-纳米金复合材料的溶液中（显色剂壳聚糖-纳米金复合材料的浓度为3.5×10−3 g/L、pH值为5.0、维生素C的浓度为1.0×10−4 mol/L），浸泡过夜，真空干燥，制得壳聚糖-纳米金功能化比色试纸或滤纸；
(4) 汞离子标准溶液的配制
称取氯化汞0.2715 g（1.0 mmol）溶于1000.0 mL去离子水中，配置成浓度为 1.0 mmolL−1的汞离子标准溶液液，在室温下保存，使用时稀释到所需浓度；
(5) 环境样品的制备
分别量取1000.0 mL 环境水样（如沂河水、校园地下水及自来水等）各1份 ，经5 µm的微孔过滤膜过滤三次，蒸馏浓缩至10.0 mL，室温下保存、待用；
(6) 汞离子浓度的比色测定方法
向10.0 mL的容量瓶依次加入1.0 mL浓度为 3.5×10−3 g/L 的显色剂标准溶液、1.0mL pH值为5.0的混合磷酸盐缓冲溶液，1.0 mL浓度为1.0×10−3 mol/L维生素C溶液和1.0mL汞标准样品或环境样品，定容，测量体系在528 nm波长处的吸光度A，记录吸光度倒数值1/A，通过线性回归方程为1/A = − 3.9212 + 9.08×10−3 c (10−8 mol·L−1)，计算被分析样品中汞离子的浓度；
(7) 水环境中汞离子的富集与分离
向100.0 mL 的环境水样中，标准加入法分别加入1.0 mL浓度为50.0, 80.0和120.0×10−6 mol/L的汞离子标准溶液，充分混合后，用壳聚糖-纳米金功能化比色试纸检测汞的含量，并用对应的功能化滤纸过滤，即可除去样品中的汞元素；
所述步骤（1）中的壳聚糖-纳米金复合材料是由溶胀处理后的壳聚糖和氯金酸混合液分别在55 oC和85 oC条件下分段回流制备的，确保金纳米均匀吸附在壳聚糖基底上；
所述步骤（3）和（6）中所用的还原剂为绿色无毒的维生素C；
所述步骤（6）中的显色剂壳聚糖-纳米金复合材料标准溶液呈深红色，在528 nm处有较强的吸收，并在不同浓度汞离子存在下，颜色发生规律性递变；
所述步骤（7）中的壳聚糖-纳米金功能化比色试纸或滤纸呈深红色，在不同浓度汞离子存在下，颜色发生规律性递变；
所述步骤（7）中，仅需用壳聚糖-纳米金功能化比色滤纸简单过滤，即可除去含有汞离子样品中的汞元素，无毒、无污染。
本发明从反应原理入手，设计合成了一种壳聚糖-纳米金功能化比色传感复合材料，进一步制备成壳聚糖-纳米金功能化比色试纸或滤纸；讨论了体系的pH值、离子强度、反应时间及共存物质的干扰等影响因素，确定了最佳测试条件：指示剂浓度为3.5×10−3 mol/L，pH值为5.0的混合磷酸盐缓冲溶液，维生素C溶液为1.0×10−3 mol/L测试的灵敏度最高。在此条件下能排除其他常见金属离子的干扰，汞离子检测的通过回归方程为1/A = −3.9212 + 9.08×10−3 c (10−9 mol·L−1)，线性范围5.0~200 ×10−8 mol·L−1，相关系数（R）0.9926，检测限3.2 ×10−9 mol·L−1，样品中汞离子回收率 96.2 %~104.6% 之间，相对误差（RSD）小于3.3 %。
富集检测结束后，用壳聚糖-纳米金功能化比色滤纸过滤，即可除去样品中的汞元素，无毒、无污染。
有益效果
本发明提供一种快捷检测、富集与分离重金属汞离子比色试纸/滤纸的制作及应用新技术，所构筑壳聚糖-金纳米复合材料的比表面积大，吸附能力强、稳定性高，光电性能好，所以分析灵敏度高，重现性好；比色试纸或溶液呈深红色及在汞离子存在下颜色递变，裸眼可视性强；仅需用壳聚糖-纳米金功能化比色滤纸简单过滤，即可除去含有汞离子样品中的汞元素，操作简单，无毒无污染；可有效用于实际水样品中重金属汞离子的快速比色检测和富集与分离。
附图说明
图1. 壳聚糖-金纳米比色传感复合材料的结构表征TEM图；
图2. 为pH对体系有无汞离子存在下吸光度（A）的影响；
图3. 为测试条件下体系的时间扫描曲线；
图4. 其他金属离子的响应对比(从上到下依次为: Al3+, Ba2+, K+, Mg2+, Na+, Ni2+,Blank, Pb2+, Sr2+, Cd2+, Co3+, Cu2+, Fe3+, Ag+和Hg2+)；
图5. 壳聚糖-金纳米比色传感体系的细胞毒性试验；
图6. (a) 为壳聚糖-金纳米比色传感体系吸光度随着汞离子浓度的变化及 (b)线性关系曲线（c= 0, 5.0, 10.0, 20.0, 30.0, 50.0, 75.0, 100.0, 125.0, 150.0, 200.0×10−8mol·L−1）；
图7. 壳聚糖-金纳米复合材料溶液（上图）及其功能化比色试纸（下图）对汞离子浓度的比色响应；
图8. 壳聚糖-金纳米比色传感复合材料吸附汞元素前后的TEM表征图（a, b），元素分析图（c, d）及晶格变化（c, d中的插图）。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
(1) 壳聚糖-金纳米复合材料的制备
准确称取0.375 g (0.025 mol) 壳聚糖，置于100 mL圆底烧瓶中，依次加入35.0 mL去离子水和0.7 mL冰醋酸， 55 oC下水浴溶胀5 h后，滴加3.0 mL 10.0 g/L氯金酸，搅拌15min，向圆底烧瓶中加115.0 mL 去离子水，继续搅拌 45 min后升温到85 oC，滴加0.75 mL0.1 mol/L Vc，将氯金酸快速还原成纳米金，此时溶液呈正红色，再过20 min停止加热，搅拌冷却到室温；减压抽滤，用去离子水充分洗涤后，60 oC真空干燥，得深红色壳聚糖-纳米金复合材料；
复合材料的结构通过TEM进行结构表征，如附图1所示。金纳米均匀的分散在壳聚糖表面，粒径为15 nm左右。
(2) 显色剂壳聚糖-纳米金复合材料标准溶液的配制
将上述壳聚糖-纳米金复合材料超声分散到去离子水中，配制成浓度为 3.5 ×10−3g·L−1壳聚糖-纳米金复合材料的标准溶液，室温下保存，使用时稀释到所需浓度；
(3) 壳聚糖-纳米金功能化比色试纸或滤纸的制备
将干燥的快速滤纸置于显色剂壳聚糖-纳米金复合材料的溶液中（显色剂壳聚糖-纳米金复合材料的浓度为3.5×10−3 g/L、pH值为5.0、维生素C的浓度为1.0×10−4 mol/L），浸泡过夜，真空干燥，制得壳聚糖-纳米金功能化比色试纸或滤纸；
(4) 汞离子标准溶液的配制
称取氯化汞0.2715 g（1.0 mmol）溶于1000.0 mL去离子水中，配置成浓度为 1.0 mmolL−1的汞离子标准溶液液，在室温下保存，使用时稀释到所需浓度；
(5) 环境样品的制备
分别量取1000.0 mL 环境水样（如沂河水、校园地下水及自来水等）各1份 ，经5 µm的微孔过滤膜过滤三次，蒸馏浓缩至10.0 mL，室温下保存、待用；
(6) 实验条件的优化
本发明从反应原理入手，讨论了体系的pH值（图2）、反应时间（图3）及共存离子（图4）的干扰等影响因素及其细胞毒性（图5），确定了最佳测试条件：指示剂浓度为3.5×10−3 mol/L，pH值为5.0的混合磷酸盐缓冲溶液，维生素C溶液为1.0×10−4 mol/L测试的灵敏度最高。
(7) 汞离子浓度的比色测定方法
向10.0 mL的容量瓶依次加入1.0 mL 3.5×10−3 g/L 的显色剂标准溶液、1.0 mL pH值为5.0的混合磷酸盐缓冲溶液，1.0 mL浓度为1.0×10−4 mol/L维生素C溶液和1.0 mL汞标准样品或环境样品，定容，测量体系在528 nm波长处的吸光度A，记录吸光度倒数值1/A，通过线性回归方程1/A = − 3.9212 + 9.08×10−3 c (10−9 mol·L−1)，计算被分析样品中汞离子的浓度，线性范围5.0~200 ×10−8 mol·L−1，相关系数（R）0.9926（图6）；
该体系的溶液及其功能化试纸对汞离子具有良好的比色传感性能（图7），并成功应用于环境水样品中汞离子的检测，结果见附表1。样品中汞离子的检测限3.2 ×10−9 mol·L−1，回收率在 96.2 %~104.6% 之间，相对误差（RSD）小于3.3 %。
(8) 水环境中汞离子的富集与分离
向100.0 mL 的环境水样中，标准加入法分别加入1.0 mL浓度为50.0, 80.0和100.0×10−3 mol/L的汞离子标准溶液，充分混合后，用壳聚糖-纳米金功能化比色滤纸过滤，即可除去样品中的汞元素，吸附分离率高达95.2%以上，无毒、无污染。壳聚糖-金纳米比色传感复合材料比色吸附汞元素的机理如图8所示【复合材料吸附汞前后的TEM表征图（图8a, b），元素分析图（图8c, d）及晶格变化（图8c, d中的插图】。

Claims (6)

1.一种快捷检测、富集与分离重金属汞离子比色试纸的制作及应用新技术，包括：
(1) 显色剂壳聚糖-纳米金复合材料的制备
准确称取0.375 g (0.025 mol) 壳聚糖，置于100 mL圆底烧瓶中，依次加入35.0 mL去离子水和0.7 mL冰醋酸，55 oC下水浴溶胀5.0 h后，滴加3.0 mL 10.0 g/L氯金酸，搅拌15min后再向圆底烧瓶中加115.0 mL去离子水，继续搅拌45 min，升温到85 oC；滴加0.75 mL0.1 mol/L Vc，氯金酸快速被还原成纳米金，溶液呈深红色，保温20 min后停止加热，搅拌冷却到室温；减压抽滤，用去离子水充分洗涤，滤饼于60 oC下真空干燥，得深红色壳聚糖-纳米金复合材料；
(2) 显色剂壳聚糖-纳米金复合材料标准溶液的配制
将上述壳聚糖-纳米金复合材料超声分散到去离子水中，配制成浓度为3.5 ×10−3 g·L−1壳聚糖-纳米金复合材料标准溶液，室温下保存；
(3) 壳聚糖-纳米金功能化比色试纸或滤纸的制备
将干燥的快速滤纸置于显色剂壳聚糖-纳米金复合材料的溶液中（显色剂壳聚糖-纳米金复合材料的浓度为3.5×10−3 g/L、pH值为5.0、维生素C的浓度为1.0×10−4 mol/L），浸泡过夜，真空干燥，制得壳聚糖-纳米金功能化比色试纸或滤纸；
(4) 汞离子标准溶液的配制
称取氯化汞0.2715 g（1.0 mmol）溶于1000.0 mL去离子水中，配置成浓度为 1.0 mmolL−1的汞离子标准溶液液，在室温下保存，使用时稀释到所需浓度；
(5) 环境样品的制备
分别量取1000.0 mL 环境水样（如沂河水、校园地下水及自来水等）各1份 ，经5 µm的微孔过滤膜过滤三次，蒸馏浓缩至10.0 mL，室温下保存、待用；
(6) 汞离子浓度的比色测定方法
向10.0 mL的容量瓶依次加入1.0 mL浓度为 3.5×10−3 g/L 的显色剂标准溶液、1.0mL pH值为5.0的混合磷酸盐缓冲溶液，1.0 mL浓度为1.0×10−3 mol/L维生素C溶液和1.0mL汞标准样品或环境样品，定容，测量体系在528 nm波长处的吸光度A，记录吸光度倒数值1/A，计算样品中Hg2+ 的浓度；
(7) 水环境中汞离子的富集与分离
向100.0 mL 的环境水样中，标准加入法分别加入1.0 mL浓度为50.0, 80.0和120.0×10−6 mol/L的汞离子标准溶液，充分混合后，用壳聚糖-纳米金功能化比色试纸检测汞的含量，并用对应的功能化滤纸过滤，即可除去样品中的汞元素。
2.根据权利要求1所述的一种快捷检测、富集与分离重金属汞离子比色试纸的制作及应用新技术，其特征在于：所述步骤（1）中的壳聚糖-纳米金复合材料是由溶胀处理后的壳聚糖和氯金酸混合液分别在55 oC和85 oC条件下分段回流制备的，确保金纳米均匀吸附在壳聚糖基底上。
3.根据权利要求1所述的一种快捷检测、富集与分离重金属汞离子比色试纸的制作及应用新技术，其特征在于：所述步骤（3）和（6）中所用的还原剂为绿色无毒的维生素C。
4.根据权利要求1所述的一种快捷检测、富集与分离重金属汞离子比色试纸的制作及应用新技术，其特征在于：所述步骤（6）中的显色剂壳聚糖-纳米金复合材料标准溶液呈深红色，在528 nm处有较强的吸收，并在不同浓度汞离子存在下，颜色发生规律性递变。
5.根据权利要求1所述的一种快捷检测、富集与分离重金属汞离子比色试纸的制作及应用新技术，其特征在于：所述步骤（7）中的壳聚糖-纳米金功能化比色试纸或滤纸呈深红色，在不同浓度汞离子存在下，颜色发生规律性递变。
6.根据权利要求1所述的一种快捷检测、富集与分离重金属汞离子比色试纸的制作及应用新技术，其特征在于：所述步骤（7）中，仅需用壳聚糖-纳米金功能化比色滤纸简单过滤，即可除去含有汞离子样品中的汞元素，无毒、无污染。
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