CN107941762B - 基于智能设备的量子点能量共振转移检测水体中汞、铅和砷离子的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属重金属离子检测技术领域，为解决现有重金属汞离子、铅离子以及砷离子的检测装置以及操作复杂、数据处理分析复杂，难以达到现场检测分析的问题，提供一种基于智能设备的量子点能量共振转移检测水体中汞、铅和砷离子的装置及方法。检测装置为设置于智能设备下方的微型暗室，微型暗室内底部固定玻璃纤维纸基芯片，玻璃纤维纸基芯片上间隔设反应区和非反应区；玻璃纤维纸基芯片顶部设光学硬件装置，智能设备上设有拍照程序和重金属离子浓度值计算程序。本发明能同时检测Pb2+、Hg2+和As3+，成本低，过程简单利于现场检测分析污染水体中重金属浓度，方便、快捷、精准检测，利于实验检测检验和便于生活中实时检测水体污染情况。

Description

基于智能设备的量子点能量共振转移检测水体中汞、铅和砷 离子的装置及方法
技术领域
本发明属于重金属离子检测技术领域，具体涉及一种基于智能设备的量子点能量共振转移检测水体中汞、铅和砷离子的装置及方法。
背景技术
汞离子、铅离子和砷离子是最常见的三种重金属污染源，具有生物不可降解性以及累积性，并且会产生持久毒性。人体感染后会导致不可逆转的损伤，具体表现在消化系统、神经系统以及心血管系统等方面的危害。因此，发展方便、快速、精确地检测铅和汞等重金属引起了人们越来越多的关注。传统的Hg2+、Pb2+和As3+的定量检测方法有：原子吸收光谱法（AAS）、电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）；以及大量的新型传感器检测方法，如基于荧光的传感器、电化学传感器、比色法传感器等在过去的十年被广为研究。但是这些方法在实现上和成本上存在一些问题，对于前者而言，尽管具有很好的检测灵敏度和准确性，但是需要昂贵复杂的仪器以及复杂的专业操作，因此限制他们的使用范围；对于后者而言，在信号输出方面需要相对昂贵的专业设备，因此也仅限于实验室使用。为了解决传统检测方法带来的问题，国内外不同研究领域的科研人员都在不断研究与开发新型的可用于现场重金属检测的方法。
2014年美国加尼福利亚大学 Aydogan Ozcan 小组提出一种利用智能手机空间监测水中汞离子含量的装置（Wei QS, Nagi R, Sadeghi R et al., ASC Nano, 2014, 81121–1129）。这一装置集成了LED光源、样品池（比色皿）、散光板、透镜和外接智能手机，反应原理是比色皿中汞离子作用富T碱基的DNA链后，纳米金颗粒聚集引起颜色变化，智能手机写入的APP分析RGB图片的颜色变化率，实现汞离子定量检测，这里使用的比色皿试剂量大，不利于低成本检测。专利201210047116.1提供了一种基于量子点和两条DNA链杂交/错配后荧光共振能量转移来检测水溶液中二价汞离子的方法，检测手段是利用荧光光谱仪分析荧光变化，这就限制了现场检测中的应用。专利201510389181.6提供了一种基于量子点荧光探针的水体中汞的检测装置，通过分析比色皿中汞离子猝灭量子点后的荧光光谱数据，实现水体中汞离子检测，用到的比色皿试剂用量大，汞离子猝灭量子点的反应原理产生的是负信号，检测范围受限，通过集成的光电探测器实现光谱数据采集，之后通过数据处理软件分析处理实现定量检测，操作复杂和数据分析处理复杂。专利201520513366.9提供了一种基于量子点荧光薄膜的水质重金属检测装置，该专利中重金属猝灭量子点后的变弱的荧光经由光纤荧光传感器到光谱仪检测荧光光谱，最后通过计算机的数据分析处理实现汞离子检测，产生负信号，操作复杂和数据分析处理复杂。
近年来，由于纸基微流控芯片技术具有易加工、成本低、分析速度快、微型化和便携化等特点，基于纸基芯片的研究获得了较多的关注和较快的发展。它不仅克服了仪器分析样品处理繁杂、仪器使用成本高的局限，更提供了一种快速、灵敏而且操作简单的分析方法。
发明内容
本发明为了解决现有重金属汞离子、铅离子以及砷离子的检测装置以及操作复杂、数据处理分析复杂，难以达到现场检测分析的问题，提供了一种基于智能设备的量子点能量共振转移检测水体中汞、铅和砷离子的装置及方法。
本发明由技术方案实现：一种基于智能设备的量子点能量共振转移检测水体中汞离子、铅离子和砷离子的装置，包括智能设备和检测装置，所述检测装置为设置于智能设备下方的微型暗室，微型暗室内底部固定玻璃纤维纸基芯片，玻璃纤维纸基芯片上间隔设置反应区和非反应区；玻璃纤维纸基芯片顶部设置光学硬件装置，所述光学硬件装置为自下而上依次固定的滤光片、信号放大单元、荧光激发光源的UV-LED环形阵列；所述智能设备上设置有拍照程序和重金属离子浓度值计算程序；
所述拍照程序用于对玻璃纤维纸基芯片进行拍照得到图片；
所述重金属离子浓度值计算程序用于执行以下程序：
对图片进行分析，得到玻璃纤维纸基芯片的成像区域的对应RGB值；
根据标准溶液浓度以及标准溶液对应的玻璃纤维纸基芯片成像区域的RGB值，建立RGB值-浓度曲线；
将待测溶液对应成像区域RGB值与对应的所述RGB值-浓度曲线进行对比，确定各待测溶液中相应离子浓度，并输出到显示单元显示。
所述智能设备上设置有待测重金属离子浓度显示界面，待测重金属离子浓度显示界面连接重金属离子浓度值计算程序，所述待测重金属离子浓度显示界面显示待测重金属离子显色图片的R、G、B值以及待测溶液的重金属离子浓度。所述UV-LED环形阵列为相同规格的若干UV-LED间隔串联成中间为空的环形LED灯，若干环形LED灯间隔串联成中间为空的UV-LED环形阵列。所述的滤光片为紫外滤光片；所述信号放大单元为增倍镜。所述智能设备为智能手机。
基于智能设备的量子点能量共振转移检测水体中汞离子、铅离子和砷离子装置的检测方法，包括制备检测探针；搭建基于智能设备的检测装置；重金属离子Pb2+、Hg2+和As3+的检测，具体步骤如下：
（1）制备检测探针：A、设计与合成检测用核酸探针即羧基和荧光染料标记的单链核酸探针：DNA1序列为SEQ ID NO:1，DNA2序列为SEQ ID NO:2，DNA3序列为SEQ ID NO:3，DNA3序列的配对链DNA4序列为SEQ ID NO:4，所得探针分别为：DNA1探针：5′-HOOC-(CH2)10-SEQ ID NO:1-ROX-3′；DNA2探针：5’-HOOC-(CH2)10- SEQ ID NO:2-AF647 -3’；DNA3探针：5’-HOOC-(CH2)10- SEQ ID NO:3- 6-FAM-3’；DNA4探针：5’- SEQ ID NO:4-3’；
B、量子点与核酸的荧光探针QD-DNA的制备：320μl 0.1mM 的1- 乙基-3-(3- 二甲氨基丙基)- 碳化二亚胺EDC，200μl 0.0125 mM 的N- 羟基琥珀酰亚胺NHS 与100μl 10μM步骤（1）制备的DNA溶液混合到一起，活化10-15min；然后加入1280μl 1μM 表面修饰氨基的CdSe/ZnS的QD水溶液，在25℃下反应4小时；超滤膜以5000rpm 进行超滤15min，然后用超纯水重悬，再次超滤，依次循环3次，彻底去除未与QD耦联的DNA，获得检测用的QD540-DNA1、QD620-DNA2和QD490-DNA3 荧光探针；
（2）搭建基于智能设备的检测装置：将玻璃纤维纸基芯片、光学硬件装置自下而上设置于微型暗室，形成一体化检测装置，玻璃纤维纸基芯片设置3个检测反应区，第一反应区吸附QD540-DNA1荧光探针，第二反应区吸附QD620-DNA2荧光探针，第三反应区吸附QD490-DNA3荧光探针；
（3）重金属离子Pb2+、Hg2+和As3+的检测：采用QD620 –DNA2荧光探针检测Pb2+，QD540 –DNA1检荧光探针检测Hg2+， QD490-DNA3荧光探针检测As3+，具体方法为：10mM 磷酸二氢钠/ 磷酸氢二钠NaH2PO4/Na2HPO4将32nM荧光探针分别固定于玻璃纤维纸基芯片相应的反应区；待测水溶液分别加入到玻璃纤维纸基芯片相应的检测反应区通道中，25℃维持0.5h，反应完全进行，然后智能设备采集玻璃纤维纸基芯片多个不同反应区的RGB图片信息；APP程序读取RGB图片中像素R、G、B等值，统计计算图片R、G、B均值，根据R、G、B均值与预先测定好的标准溶液RGB值-浓度曲线进行比对，获得待测溶液重金属离子浓度；智能设备直接输出定量检测结果。
所述的玻璃纤维滤纸为100%硼硅酸玻璃纤维制成的亲水性玻璃纤维滤纸；反应区为未经处理的亲水性区域，非反应区为疏水化处理的区域，疏水化处理的方法为：将玻璃纤维纸基浸泡在0.12 M甲基三氯硅烷MTS、甲苯和盐酸的混合液中，在通风橱中反应3-3.5h，反应完全后移出玻璃纤维纸基在空气中晾干待用；所述亲水通道为内径2-6mm的圆形重金属检测反应区。所述检测方法适用于Pb2+、Hg2+和As3+浓度小于1µM的重金属溶液。
本发明特异性检测Hg2+和Pb2+的DNA1和DNA2探针链的设计：DNA1是富T结构的发夹构型的DNA链，汞离子会特异性诱导发夹结构翻转形成T-Hg2+-T结构，这时标记在DNA一端的荧光染料ROX远离QD，FRET无法进行，使得QD的荧光信号恢复，ROX的荧光信号降低；DNA2是富G结构的发夹构型的DNA链，铅离子会特异性诱导发夹结构翻转形成G-四联体结构，标记在DNA一端的荧光染料AF647远离QD，FRET无法进行，使得QD的荧光信号恢复，AF647的荧光信号降低；特异性检测As3+的DNA3和DNA4探针链的设计：DNA3是砷离子的适体链，结合As3+后，使得配对链DNA4分离，这时标记在DNA一端的荧光染料6-FAM远离QD，FRET无法进行，使得QD的荧光信号恢复，6-FAM的荧光信号降低。
将若干个UV-LED发光二极管、滤光片、检测芯片、信号放大单元集成一体，设置于微型暗室中，组成一体化检测装置；检测装置的顶部设置有智能手机。智能手机中装载的APP程序分析玻璃纤维纸基芯片拍照图片，该APP程序集成了玻璃纤维纸基芯片反应区识别、分析、结果输出等功能，方便用户实时检测，直接输出定量检测结果。智能手机实现了图片获取、数据处理和直接显示结果。
多通道玻璃纤维纸基芯片是在玻璃纤维纸基上构建多个检测反应区，选择无背景荧光的玻璃纤维滤纸，通道由疏水屏障及亲水通道构成，所述亲水通道是形状为圆形，内径为2-6mm的重金属检测的反应区；非反应区进行疏水化处理，通过甲基三氯硅烷在纤维素表面发生缩聚反应，形成三维凸起结构，增加表面粗糙程度；甲苯继而与甲基三氯硅烷或纤维素表面反应，进一步降低纤维素表面能，获得疏水化玻璃纤维纸基。
UV-LED环形阵列具体为：串联相同规格的若干UV-LED成环形灯，再将组装好的6个环形灯串联成新的一个环形LED，成为一个阵列光源，激发微量QD产生可视化荧光信号。环形结构提供了均匀光照；阵列结构提供足够光强激发微量量子点产生荧光信号。滤光片是滤出激发光紫外滤光片，保证接收到荧光信号滤出了激发光的影响。增倍镜作用是放大接收荧光信号，起到信号放大的作用。
本发明DNA探针结合重金属离子构型发生特异性变化，或重金属离子的存在使DNA探针与适配体的反应存在显著的特异性，利用这一特性实现了Pb2+，Hg2+和As3+重金属离子的检测。根据发射光颜色分别为红色，绿色和蓝色，选择三种不同尺寸的量子点，所选择3种量子点在紫外灯的照射下，分别发射红色、绿色、蓝色光，将这三种量子点分别吸附在不同检测区域，R、G、B三种颜色代表三种待测金属离子，而各自RGB值的变化分别代表待测金属离子浓度的变化，实现了3种离子的同时检测。
本发明选择的三种DNA探针互不影响，且由于结合了三种不同的量子点，因此直观上手机拍照所获得的图片颜色的不同和变化，均是由三种不同尺寸的量子点决定，由此，R、G、B三种颜色对应三种不同待测金属，而其R、G、B的变化代表相对应的待测金属离子浓度的变化。本发明玻璃纤维纸基芯片上设置3个检测反应区域，而每个检测反应区域对应吸附一种DNA探针，因此每个反应区域均可以检测一种重金属离子。本发明可以对三种重金属离子的单一离子溶液进行检测，也可以同时对三种重金属离子的混合溶液进行一次性检测。
本发明的有益效果是：本发明中使用的玻璃微纤维滤纸采用100%硼硅酸玻璃纤维制成，相较于普通滤纸，不会产生背景荧光。采用了量子点和一条标记有荧光的发夹DNA链之间能量共振转移，通过量子点荧光强度增强产生的正信号实现对重金属离子的检测；相比于比色皿或薄膜，玻璃纤维纸基芯片试剂用量小且制备简单；利用写入APP的智能手机便可以一步实现数据的采集、分析和检测结果直接显示在手机屏幕上，使得整套装置更加集成化，同时成本降低，操作简单。本发明能做到同时检测水体中汞离子、铅离子和砷离子这三种离子，相对而言工作量小、成本不高而且过程简单。利于直接进行现场检测并分析污染水体中重金属浓度，且能够方便、快捷、精准的检测水体中重金属浓度，利于实验检测检验和便于生活中实时检测水体污染情况。
附图说明
图1为本发明方法汞离子、铅离子和砷离子的检测反应原理图；图2为本发明方法检测装置图；图3为环形LED灯示意图。
图中：1-智能设备；2-微型暗室；2.1-玻璃纤维纸基芯片；2.11-反应区；2.12-非反应区；2.2-光学硬件装置；2.21-滤光片；2.22-信号放大单元；2.23-UV-LED环形阵列；2.231-UV-LED；2.232-环形LED灯。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式做出进一步的说明。
一种基于智能设备的量子点能量共振转移检测水体中汞离子、铅离子和砷离子的装置，包括智能设备1和检测装置，所述检测装置为设置于智能设备1下方的微型暗室2，微型暗室2内底部固定玻璃纤维纸基芯片2.1，玻璃纤维纸基芯片2.1上间隔设置反应区2.11和非反应区2.12；玻璃纤维纸基芯片2.1顶部设置光学硬件装置2.2，所述光学硬件装置2.2为自下而上依次固定的滤光片2.21、信号放大单元2.22、荧光激发光源的UV-LED环形阵列2.23；所述智能设备上设置有拍照程序和重金属离子浓度值计算程序；
所述拍照程序用于对玻璃纤维纸基芯片进行拍照得到图片；所述重金属离子浓度值计算程序用于执行以下程序：对图片进行分析，得到玻璃纤维纸基芯片的成像区域的对应RGB值；
根据标准溶液浓度以及标准溶液对应的玻璃纤维纸基芯片成像区域的RGB值，建立RGB值-浓度曲线；将待测溶液对应成像区域RGB值与对应的所述RGB值-浓度曲线进行对比，确定各待测溶液中相应离子浓度，并输出到显示单元显示。
所述智能设备上设置有待测重金属离子浓度显示界面，待测重金属离子浓度显示界面连接重金属离子浓度值计算程序，所述待测重金属离子浓度显示界面显示待测重金属离子显色图片的R、G、B值以及待测溶液的重金属离子浓度。所述UV-LED环形阵列2.23为相同规格的若干UV-LED2.231间隔串联成中间为空的环形LED灯2.232，若干环形LED灯2.232间隔串联成中间为空的UV-LED环形阵列2.23。所述的滤光片为紫外滤光片，采用的是450nm的高通滤光片，可以阻挡全部的紫外激发光375nm，最后的检测体系中，三种QD的发光波长分别为490nm，540nm，620nm，因此手机完全可以同时检测到；所述信号放大单元为增倍镜。所述智能设备为智能手机。
基于智能设备的量子点能量共振转移检测水体中汞离子、铅离子和砷离子装置的检测方法，包括制备检测探针；搭建基于智能设备的检测装置；重金属离子Pb2+、Hg2+和As3+的检测，具体步骤如下：
（1）制备检测探针：A、设计与合成检测用核酸探针即羧基和荧光染料标记的单链核酸探针：DNA1序列为SEQ ID NO:1，DNA2序列为SEQ ID NO:2，DNA3序列为SEQ ID NO:3，DNA3序列的配对链DNA4序列为SEQ ID NO:4，所得探针分别为：
所得探针分别为：DNA1探针：5′-HOOC-(CH2)10-CAA ATG AAC TTT GGT TTCCCT TTTCAT TTT-ROX-3′；
DNA2探针：5’-HOOC-(CH2)10-TAGCCAACA AGGTTGGTGTGGTTG -GCAT-AF647 -3’；
DNA3探针：5’-HOOC-(CH2)10- ATGCAAACCCTTAAGAAAG TGGTCGTCCAAAAAACCATTG-6-FAM-3’；
DNA4探针：5’-CAATGGTTTTTTGG ACGA-3’；
B、量子点与核酸的荧光探针QD-DNA的制备：320μl 0.1mM 的1- 乙基-3-(3- 二甲氨基丙基)- 碳化二亚胺EDC，200μl 0.0125 mM 的N- 羟基琥珀酰亚胺NHS 与100μl 10μM步骤（1）制备的DNA溶液混合到一起，活化10-15min；然后加入1280μl 1μM 表面修饰氨基的CdSe/ZnS的QD水溶液，在25℃下反应4小时；超滤膜以5000rpm 进行超滤15min，然后用超纯水重悬，再次超滤，依次循环3次，彻底去除未与QD耦联的DNA，获得检测用的QD540-DNA1、QD620-DNA2和QD490-DNA3 荧光探针；
（2）搭建基于智能设备检测装置：将玻璃纤维纸基芯片、光学硬件装置自下而上设置于微型暗室，形成一体化检测装置，玻璃纤维纸基芯片设置3个检测反应区，第一反应区吸附QD540-DNA1荧光探针，第二反应区吸附QD620-DNA2荧光探针，第三反应区吸附QD490-DNA3荧光探针；
玻璃纤维纸基芯片的制备：采用无背景荧光的玻璃纤维滤纸作为玻璃纤维纸基，在纸基上构建多通道：非反应区的疏水通道和反应区的亲水通道间隔设置，疏水通道的制备方法为：将玻璃纤维纸基浸泡在0.12 M甲基三氯硅烷MTS、甲苯和盐酸的混合液中，在通风橱中反应3-3.5h，反应完全后移出玻璃纤维纸基在空气中晾干待用；亲水通道为内径2-6mm的圆形重金属检测反应区，反应区玻璃纤维纸基不做疏水化处理；
B、检测装置的搭建：将玻璃纤维纸基芯片、给玻璃纤维纸基芯片拍照提供均匀光照的光学硬件装置自下而上设置于微型暗室，形成一体化检测装置；
（3）重金属离子Pb2+、Hg2+和As3+的检测：采用QD620 –DNA2荧光探针检测Pb2+，QD540 –DNA1检荧光探针检测Hg2+， QD490-DNA3荧光探针检测As3+，具体方法为：10mM 磷酸二氢钠/ 磷酸氢二钠NaH2PO4/Na2HPO4将32nM荧光探针分别固定于玻璃纤维纸基芯片相应的反应区；待测水溶液分别加入到玻璃纤维纸基芯片相应的检测反应区通道中，25℃维持0.5h，反应完全进行，然后通过智能设备采集玻璃纤维纸基芯片多个不同反应区的RGB图片信息；APP分析程序同时获取固定区域的多个像素点对应的RGB值，由于显色反应是因为重金属的存在产生的，所以显色区域图片的R值、G值或者B值的平均值和相对应重金属的浓度有相关性，即会随着重金属浓度的变化而单调变化，通过判断RGB的值来达到定量检测重金属的目的；因此APP分析程序对RGB值统计计算均值，根据R、G、B均值与预先测定好的标准溶液RGB值-浓度曲线进行比对，获得待测溶液重金属离子浓度；智能设备直接输出定量检测结果。
实验例1：Pb2+、Hg2+和As3+单一离子的检测：采用32nM制备的QD620 –DNA2荧光探针检测Pb2+，32nM制备的QD540 –DNA1检荧光探针检测Hg2+，32nM制备的QD490-DNA3荧光探针检测As3+；用10mM 磷酸二氢钠/ 磷酸氢二钠NaH2PO4/Na2HPO4分别将上述荧光探针固定于玻璃纤维纸基芯片的3个反应区；将含有0-1 µM 待测浓度的Hg2+、As3+或者含有0-50 nM待测浓度的 Pb2+水溶液分别加入到上述玻璃纤维纸基芯片反应区通道中，并在25℃下维持0.5 h，使Pb2+或Hg2+诱导的DNA发生构型变化，使As3+结合适体链，配对DNA链打开，反应完全进行，然后智能设备采集玻璃纤维纸基芯片多个不同反应区的RGB图片信息；APP分析程序同时获取固定Pb2+,Hg2+和As3+反应区域的多个像素点对应的R值，G值以及B值，然后对这几个像素点的R值，G值或者B值取平均，单个R值、G值或者B值的平均值分别和重金属Pb2+,Hg2+和As3+的浓度有相关性，即会随着重金属浓度的变化而单调变化，根据R、G、B均值与预先测定好的标准溶液RGB值-浓度曲线进行比对，在浓度曲线中直接获得与R、G、B均值相对应的Pb2+、Hg2+和As3+的浓度，智能设备直接输出定量检测结果。
实验例2：Pb2+、Hg2+和As3+混合溶液的检测：用10mM 磷酸二氢钠/ 磷酸氢二钠NaH2PO4/Na2HPO4分别将荧光探针固定于玻璃纤维纸基芯片的三个反应区；将含有0-1 µM待测浓度的Pb2+、Hg2+和As3+的混合溶液加入到上述玻璃纤维纸基芯片反应区通道中，并在25℃下维持0.5 h，使Hg2+诱导DNA1发生构型翻转形成T-Hg2+-T结构，Pb2+诱导DNA2发生构型变化形成G-四联体，As3+结合适体链，使得配对DNA链打开，反应完全进行，然后智能设备采集玻璃纤维纸基芯片多个不同反应区的RGB图片信息；APP分析程序同时获取固定Pb2+,Hg2+和As3+反应区域的多个像素点对应的R值，G值以及B值，然后对这几个像素点的R值，G值或者B值取平均，R值、G值和B值的平均值分别和重金属Pb2+,Hg2+和As3+的浓度有相关性，即会随着重金属浓度的变化而单调变化，根据R、G、B均值与预先测定好的标准溶液RGB值-浓度曲线进行比对，在浓度曲线中直接获得与R、G、B均值相对应的Pb2+、Hg2+和As3+的浓度，智能设备直接输出定量检测结果。
本发明特异性检测Hg2+和Pb2+的DNA1和DNA2探针链的设计：DNA1是富T结构的发夹构型的DNA链，汞离子会特异性诱导发夹结构翻转形成T-Hg2+-T结构，这时标记在DNA一端的荧光染料ROX远离QD，FRET无法进行，使得QD的荧光信号恢复，ROX的荧光信号降低；DNA2是富G结构的发夹构型的DNA链，铅离子会特异性诱导发夹结构翻转形成G-四联体结构，标记在DNA一端的荧光染料AF647远离QD，FRET无法进行，使得QD的荧光信号恢复，AF647的荧光信号降低；特异性检测As3+的DNA3和DNA4探针链的设计：DNA3是砷离子的适体链，结合As3+后，使得配对链DNA4分离，这时标记在DNA一端的荧光染料6-FAM远离QD，FRET无法进行，使得QD的荧光信号恢复，6-FAM的荧光信号降低。
将若干个UV-LED发光二极管、滤光片、检测芯片、信号放大单元集成一体，设置于微型暗室中，组成一体化检测装置；检测装置的顶部设置有智能手机。智能手机中装载的APP程序分析玻璃纤维纸基芯片拍照图片，该APP程序集成了玻璃纤维纸基芯片反应区识别、分析、结果输出等功能，方便用户实时检测，直接输出定量检测结果。智能手机实现了图片获取、数据处理和直接显示结果。
多通道玻璃纤维纸基芯片是在玻璃纤维纸基上构建多个检测反应区，选择无背景荧光的玻璃纤维滤纸，通道由疏水屏障及亲水通道构成，所述亲水通道是形状为圆形，内径为2-6mm的重金属检测的反应区；非反应区进行疏水化处理，通过甲基三氯硅烷在纤维素表面发生缩聚反应，形成三维凸起结构，增加表面粗糙程度；甲苯继而与甲基三氯硅烷或纤维素表面反应，进一步降低纤维素表面能，获得疏水化玻璃纤维纸基。
UV-LED环形阵列具体为：串联相同规格的若干UV-LED成环形灯，再将组装好的6个环形灯串联成新的一个环形LED，成为一个阵列光源，激发微量QD产生可视化荧光信号。环形结构提供了均匀光照；阵列结构提供足够光强激发微量量子点产生荧光信号。滤光片是滤出激发光的高通滤光片450，保证接收到荧光信号滤出了激发光的影响。增倍镜作用是放大接收荧光信号，起到信号放大的作用。
本发明DNA探针结合重金属离子构型发生特异性变化，或重金属离子的存在使DNA探针与适配体的反应存在显著的特异性，利用这一特性实现了Pb2+，Hg2+和As3+重金属离子的检测。根据发射光颜色分别为红色，绿色和蓝色，选择三种不同尺寸的量子点，所选择3种量子点在紫外灯的照射下，分别发射红色、绿色、蓝色光，将这三种量子点分别吸附在不同检测区域，R、G、B三种颜色代表三种待测金属离子，而各自RGB值的变化分别代表待测金属离子浓度的变化，实现了3种离子的同时检测。
本发明选择的三种DNA探针互不影响，且由于结合了三种不同的量子点，因此直观上手机拍照所获得的图片颜色的不同和变化，均是由三种不同尺寸的量子点决定，由此，R、G、B三种颜色对应三种不同待测金属，而其R、G、B的变化代表相对应的待测金属离子浓度的变化。本发明玻璃纤维纸基芯片上设置3个检测反应区域，而每个检测反应区域对应吸附一种DNA探针，因此每个反应区域均可以检测一种重金属离子。本发明可以对三种重金属离子的单一离子溶液进行检测，也可以同时对三种重金属离子的混合溶液进行一次性检测。

Claims (7)

1.一种基于智能设备的量子点能量共振转移检测水体中汞离子、铅离子和砷离子装置的检测方法，包括制备检测探针；搭建基于智能设备的检测装置；重金属离子Pb2+、Hg2+和As3 +的检测，其特征在于：具体步骤如下：
（1）制备检测探针：A、设计与合成检测用核酸探针即羧基和荧光染料标记的单链核酸探针：DNA1序列为SEQ ID NO:1，DNA2序列为SEQ ID NO:2，DNA3序列为SEQ ID NO:3，DNA3序列的配对链DNA4序列为SEQ ID NO:4，所得探针分别为：DNA1探针：5′-HOOC-(CH2)10- SEQID NO:1-ROX-3′；DNA2探针：5’-HOOC-(CH2)10- SEQ ID NO:2-AF647 -3’；DNA3探针：5’-HOOC-(CH2)10- SEQ ID NO:3- 6-FAM-3’；DNA4探针：5’- SEQ ID NO:4-3’；
B、量子点与核酸的荧光探针QD-DNA的制备：320μl 0.1mM 的1- 乙基-3-(3- 二甲氨基丙基)- 碳化二亚胺EDC，200μl 0.0125 mM 的N- 羟基琥珀酰亚胺NHS 与100μl 10μM步骤（1）制备的DNA溶液混合到一起，活化10-15min；然后加入1280μl 1μM 表面修饰氨基的CdSe/ZnS的QD水溶液，在25℃下反应4小时；超滤膜以5000rpm 进行超滤15min，然后用超纯水重悬，再次超滤，依次循环3次，彻底去除未与QD耦联的DNA，获得检测用的QD540-DNA1、QD620-DNA2和QD490-DNA3 荧光探针；
（2）搭建基于智能设备的检测装置：将玻璃纤维纸基芯片、光学硬件装置自下而上设置于微型暗室，形成一体化检测装置，玻璃纤维纸基芯片设置3个检测反应区，第一反应区吸附QD540-DNA1荧光探针，第二反应区吸附QD620-DNA2荧光探针，第三反应区吸附QD490-DNA3荧光探针；
（3）重金属离子Pb2+、Hg2+和As3+的检测：采用QD620 –DNA2荧光探针检测Pb2+， QD540 –DNA1检荧光探针检测Hg2+， QD490-DNA3荧光探针检测As3+，具体方法为：10mM 磷酸二氢钠/磷酸氢二钠NaH2PO4/Na2HPO4将32nM荧光探针分别固定于玻璃纤维纸基芯片相应的反应区；待测水溶液分别加入到玻璃纤维纸基芯片相应的检测反应区通道中，25℃维持0.5h，反应完全进行，然后通过智能设备采集玻璃纤维纸基芯片多个不同反应区的RGB图片信息；APP程序读取RGB图片中R、G、B值，统计计算图片R、G、B均值，根据R、G、B均值与预先测定好的标准溶液RGB值-浓度曲线进行比对，获得待测溶液重金属离子浓度；智能设备直接输出定量检测结果；
所述基于智能设备的量子点能量共振转移检测水体中汞离子、铅离子和砷离子的装置，包括智能设备（1）和检测装置，所述检测装置为设置于智能设备（1）下方的微型暗室（2），微型暗室（2）内底部固定玻璃纤维纸基芯片（2.1），玻璃纤维纸基芯片（2.1）上间隔设置反应区（2.11）和非反应区（2.12）；玻璃纤维纸基芯片（2.1）顶部设置光学硬件装置（2.2），所述光学硬件装置（2.2）为自下而上依次固定的滤光片（2.21）、信号放大单元（2.22）、荧光激发光源的UV-LED环形阵列（2.23）；所述智能设备上设置有拍照程序和重金属离子浓度值计算程序；
所述拍照程序用于对玻璃纤维纸基芯片进行拍照得到图片；
所述重金属离子浓度值计算程序用于执行以下程序：
对图片进行分析，得到玻璃纤维纸基芯片的成像区域的对应RGB值；
根据标准溶液浓度以及标准溶液对应的玻璃纤维纸基芯片成像区域的RGB值，建立RGB值-浓度曲线；
将待测溶液对应成像区域RGB值与对应的所述RGB值-浓度曲线进行对比，确定各待测溶液中相应离子浓度，并输出到显示单元显示。
2.根据权利要求1所述的一种基于智能设备的量子点能量共振转移检测水体中汞离子、铅离子和砷离子装置的检测方法，其特征在于：所述智能设备上设置有待测重金属离子浓度显示界面，待测重金属离子浓度显示界面连接重金属离子浓度值计算程序，所述待测重金属离子浓度显示界面显示待测重金属离子显色图片的R、G、B值以及待测溶液的重金属离子浓度。
3.根据权利要求1所述的一种基于智能设备的量子点能量共振转移检测水体中汞离子、铅离子和砷离子装置的检测方法，其特征在于：所述UV-LED环形阵列（2.23）为相同规格的若干UV-LED（2.231）间隔串联成中间为空的环形LED灯（2.232），若干环形LED灯（2.232）间隔串联成中间为空的UV-LED环形阵列（2.23）。
4.根据权利要求1所述的一种基于智能设备的量子点能量共振转移检测水体中汞离子、铅离子和砷离子装置的检测方法，其特征在于：所述的滤光片为紫外滤光片；所述信号放大单元为增倍镜。
5.根据权利要求1所述的一种基于智能设备的量子点能量共振转移检测水体中汞离子、铅离子和砷离子装置的检测方法，其特征在于：所述智能设备为智能手机。
6.根据权利要求1所述的一种基于智能设备的量子点能量共振转移检测水体中汞离子、铅离子和砷离子装置的检测方法，其特征在于：所述的玻璃纤维滤纸为100%硼硅酸玻璃纤维制成的亲水性玻璃纤维滤纸；反应区为未经处理的亲水性区域，非反应区为疏水化处理的区域，疏水化处理的方法为：将玻璃纤维纸基浸泡在0.12 M甲基三氯硅烷MTS、甲苯和盐酸的混合液中，在通风橱中反应3-3.5h，反应完全后移出玻璃纤维纸基在空气中晾干待用；所述亲水通道为内径2-6mm的圆形重金属检测反应区。
7.根据权利要求1所述的一种基于智能设备的量子点能量共振转移检测水体中汞离子、铅离子和砷离子装置的检测方法，其特征在于：所述检测方法适用于Pb2+、Hg2+和As3+浓度小于1µM的重金属溶液。
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