CN109738398A - 一种快速可视化纸传感检测重金属银离子的方法 - Google Patents

Abstract

一种快速可视化纸传感检测重金属银离子的方法，属于重金属检测技术领域。具体包括以下步骤：纳米金的合成；四‑(4‑吡啶基)锌卟啉自组装体的合成；纳米金‑纳米卟啉复合物纸传感装置基底的制备；制作银离子标准比色卡；比对比色卡检测待测试样中的银离子浓度。本发明基于纳米金‑纳米卟啉复合物纸传感基底检测银离子的方法具有制备简单、可快速现场检测、成本低、响应速度快、灵敏度和选择性高的特点，而且纳米金‑纳米卟啉复合物纸传感基底对银离子具有特异性反应，可用于复杂基质水样品中银离子的检测。

Description

一种快速可视化纸传感检测重金属银离子的方法

技术领域

本发明属于重金属检测技术领域，具体涉及一种现场、快速检测重金属银离子的方法。利用纳米金粒子为基础，利用一种新型纳米金-纳米卟啉传感器实现对银离子的检测。成功构建出了基于比色分析法的重金属银离子传感器，实现对银离子的快速、现场检测。

背景技术

在生物学上重要的金属离子中，Ag⁺由于其抗菌和毒性活性而长期受到关注。银是一种非常常见的硬币，它已被用于电子，催化，光谱和生物医学研究中的各种应用。除了银的各种应用之外，Ag⁺对环境，特别是生物体的负面影响也引起了相当大的关注。据报道Ag⁺可以与胺，咪唑，各种代谢物的腺苷酸基团结合，从而使它们失活。Ag⁺可以取代骨骼中羟基磷灰石中的Ca²⁺和Zn²⁺等必需金属离子。过量银暴露于人体可能导致血液银(argyria)和尿液银排泄，心脏扩张，生长迟缓和肝脏退行性变化。目前为止，银离子的检测方法包括各种仪器技术，如火焰原子吸收光谱法(FAAS)，石墨炉原子吸收光谱法(GFAAS)，电感耦合等离子体原子发射光谱法(ICP-AES)，电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)，电化学分析。然而，它们大多需要昂贵的设备和复杂的操作。且只能由训练有素的专业人员操作，不方便进行现场检测。比色分析显示了解决有关问题的巨大前景，具有理论和技术上的简单性。因此，我们需要一种快速、高效、简便、现场的手段检测银离子。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种制备简单、反应条件温和的纳米卟啉制备方法；目的之二是提供一种基于纳米金-纳米卟啉复合物直接可视化纸传感基底检测银离子的方法，不仅能快速、高灵敏度地检测银离子，而且能够实现免仪器现场即时检测。

为实现上述目的，本发明一种可视化纸传感检测银离子的方法，其特征在于，具体步骤如下：

(1)纳米金的合成

将适量超纯水置于烧杯中，然后加入氯金酸溶液，再加入柠檬酸钠溶液，混合后在微波炉中微波加热5分钟，取出避光冷却，冰箱4℃避光保存备用；

(2)四-(4-吡啶基)锌卟啉自组装体的合成

将四-(4-吡啶基)锌卟啉即卟啉溶于N,N-二甲基甲酰胺溶液中，得到四-(4-吡啶基)锌卟啉N,N-二甲基甲酰胺溶液，向十二烷基二甲基甜菜碱水溶液中加入四-(4-吡啶基)锌卟啉N,N-二甲基甲酰胺溶液，磁力搅拌10～15分钟，得到四-(4-吡啶基)锌卟啉自组装体即纳米卟啉；

(3)纳米金-纳米卟啉复合物纸传感装置基底的制备

将纳米金和纳米卟啉的混合物(称为纳米金-纳米卟啉的复合物)溶液滴加在滤纸圆片纸装置上，纸装置上的滤纸圆片吸收固定纳米金和纳米卟啉后即得纳米金-纳米卟啉复合物纸传感装置基底；

(4)制作银离子标准比色卡

配制不同浓度的银离子，将银离子溶液依次滴加在纳米金-纳米卟啉复合物纸传感装置基底上，在日光灯下观察，不同浓度银离子与纳米金-纳米卟啉复合物纸传感基底反应产生不同的颜色，对每个纳米金-纳米卟啉复合物纸传感基底进行拍照，整理得到银离子标准比色卡；

(5)检测待测试样中的银离子浓度

将待测银离子试样直接滴加在纳米金-纳米卟啉复合物纸传感基底上，纳米金-纳米卟啉复合物纸传感基底对试样有颜色响应，对照步骤(4)得到的银离子标准比色卡得出试样中银离子的浓度。

作为优选方案，所述步骤(1)中将氯金酸和柠檬酸的比例为1:5，微波功率控制为700～800W，得到粒径为23nm、红色的纳米金。

所述步骤(2)中，四-(4-吡啶基)锌卟啉与十二烷基二甲基甜菜碱物质的量比为1:4465～4470。

作为优选方案，所述步骤(3)和步骤(4)中纳米金-纳米卟啉复合物纸传感装置基底中，纳米金-纳米卟啉复合物的制备：将所述步骤(1)中纳米金和步骤(2)纳米卟啉混合制备成混合液，两者的物质的量比例为6～10：40～44，在混旋仪上2000转速混匀3-10min；得到纳米金-纳米卟啉复合物；混合溶液中四-(4-吡啶基)锌卟啉自组装体的浓度相同，且为0.084～0.2μM。

作为优选方案，所述步骤(4)中银离子的浓度分别为1nM-100μM中的梯度浓度。

作为优选方案，所述步骤(4)中，将不同浓度银离子与纳米金-纳米卟啉复合物纸传感基底反应产生不同颜色的照片导入图形处理软件提取图片中的彩色数值，利用彩色数值模拟出银离子标准比色结果。

作为优选方案，所述步骤(3)中，纳米金-纳米卟啉复合物滴加量为8～10uL，滤纸圆片纸装置为直径为4～6mm的圆形滤纸，将滴加了纳米金-纳米卟啉复合物的纸传感基底置于36～38℃的烘箱中，烘4～7分钟。

作为优选方案，所述四-(4-吡啶基)锌卟啉自组装体中纳米卟啉粒径为20～40nm的纳米棒。

步骤(4)和步骤(5)中纳米金-纳米卟啉复合物纸传感装置基底的纳米金-和纳米卟啉的物质的量比例相同。

本发明的方法或纳米金-纳米卟啉复合物纸传感基底可以检测银离子在纯水样品及在自来水、南湖水、西湖龙井茶叶水复杂基质中的浓度。

本发明的优点在于：与现有银离子检测方法相比，本发明基于纳米金-纳米卟啉复合物纸传感基底检测银离子的方法具有制备简单、可快速现场检测、成本低、响应速度快、灵敏度和选择性高的特点，而且纳米金-纳米卟啉复合物纸传感基底对银离子具有特异性反应，可用于复杂基质水样品中银离子的检测。

附图说明

图1为本发明基于纳米金-纳米卟啉复合物纸传感基底检测银离子的机理示意图；

图2为本发明可视化纸传感纳米金-纳米卟啉复合物中的四-(4-吡啶基)锌卟啉自组装体的紫外可见光光谱，横坐标为波长，纵坐标为吸光度；

图3为本发明可视化纸传感纳米金-纳米卟啉复合物中的四-(4-吡啶基)锌卟啉自组装体的透射式电子显微镜图片，其为纳米棒；

图4为本发明纳米金-纳米卟啉复合物纸传感基底检测银离子的可行性试验图；图4a为固定有纳米金-纳米卟啉复合物纸传感基底的颜色为紫灰色；图4b为向纳米金-纳米卟啉复合物纸传感基底加入银离子后颜色反应图为粉红色；

图5为本发明纳米金-纳米卟啉复合物检测银离子(5.0×10^-9～1.0×10^-7mol·L^-1)的比色管中颜色展示图。

图6为本发明制备银离子的标准比色结果图，图6a～6i依次对应空白、100μM、50μM、10μM、5μM、1μM、100nM、10nM、1nM银离子产生的颜色，图6a为空白对照(纸传感基底的颜色)；图6A～6I为图6a～6i的提取彩色数值得到银离子的标准比色结果；图6A的颜色为紫灰色、图6B的颜色为粉红色、图6C的颜色为浅粉色、图6D的颜色为紫色、图6E的颜色为浅紫色、图6F的颜色为淡紫色、图6G的颜色为浅紫蓝色、图6H的颜色为紫蓝色、图6I的颜色为浅紫灰色。

图7为基于纳米金-纳米卟啉复合物纸传感基底在西湖龙井茶叶复杂基质水溶液中检测银离子的比色结果图；图7a的颜色为紫灰色、图7b的颜色为粉红色、图7c的颜色为浅粉色、图7d的颜色为淡粉色、图7e的颜色为紫色、图7f的颜色为浅紫色。

图8为基于纳米金-纳米卟啉复合物纸传感基底在自来水溶液中检测银离子的比色结果图；图8a的颜色为浅橘红色、图8b的颜色为粉红色、图8c的颜色为浅粉色、图8d的颜色为淡粉色、图8e的颜色为紫色、图8f的颜色为浅紫色、图8g的颜色为淡紫色。

图9为基于纳米金-纳米卟啉复合物纸传感基底在南湖水溶液中检测银离子的比色结果图。图9a的颜色为深粉红色、图9b的颜色为粉红色、图9c的颜色为浅粉色、图9d的颜色为淡粉色、图9e的颜色为紫色、图9f的颜色为浅紫色、图9g的颜色为淡紫色。

图10为本发明基于纳米金-纳米卟啉复合物纸传感基底检测银离子的特异性图；图10a-10p依次为空白、钙离子、镍离子、钠离子、锌离子、镁离子、钾离子、钴离子、锰离子、铜离子、镉离子、铁离子、钡离子、铝离子、汞离子、银离子滴加在纸传感基底上的颜色反应图。图10a的颜色为紫灰色、图10b的颜色为紫灰色、图10c的颜色为浅紫色、图10d的颜色为紫灰色、图10e的颜色为浅紫色、图10f的颜色为紫灰色、图10g的颜色为紫灰色、图10h的颜色为紫灰色、图10i的颜色为紫灰色、图10j的颜色为紫灰色、图10k的颜色为紫灰色、图10l的颜色为紫灰色、图10m的颜色为紫灰色、图10n的颜色为浅紫色、图10o的颜色为紫色、图10p的颜色为浅粉红色。

具体实施方式

为更好地理解本发明，以下将结合附图和具体实例对发明进行详细的说明。

为解决现有检测银离子技术中存在仪器操作复杂，分析时间长的问题，本发明提供一种基于纳米金-纳米卟啉复合物纸传感基底检测银离子的方法，具体地说，本发明利用银离子和四-(4-吡啶基)锌卟啉自组装体的混合溶液能使纳米金-纳米卟啉复合物荧光颜色发生变化的原理，制备不同浓度银离子的标准比色结果，通过与标准比色结果进行对照颜色判断待测银离子的浓度。以下将通过具体的实施例来对本发明的利用自组装卟啉检测银离子的方法的优选方式进行详细地说明。

实施例1

基于纳米金-纳米卟啉复合物纸传感基底检测纯银离子溶液的方法，包括步骤：

(1)纳米金粒子的制备：

将100ml超纯水置于250ml的烧杯中，然后加入1ml1％的氯金酸，再加入2ml1％柠檬酸钠。混合好了放入微波炉中750W微波5分钟。取出避光冷却，移入100ml容量瓶，冰箱4℃避光保存备用。得到粒径为23nm、浓度为6.92nM的红色的纳米金。冰箱4℃避光保存备用；

(2)纳米卟啉自组装体通过如下方法制备：

称量0.0020g四-(4-吡啶基)锌卟啉固体粉末溶于10mLN,N-二甲基甲酰胺溶液中，得到浓度为2.9×10^-4mol·L^-1四-(4-吡啶基)锌卟啉的N,N-二甲基甲酰胺溶液，其紫外光谱图如图2；加入2.8ml四-(4-吡啶基)锌卟啉的N,N-二甲基甲酰胺溶液和45.5ml2.5％十二烷基二甲基甜菜碱水溶液于圆底烧瓶中。在室温下磁力搅拌10分钟后，得到非常稳定的绿色透明的浓度为1.68×10^-5mol·L^-1的纳米卟啉自组装体即纳米卟啉。

(3)纳米金-纳米卟啉复合物纸传感基底的制备

用移液枪吸取10μL纳米金-纳米卟啉复合物(体积比为50:1)分别滴加在3个直径为6mm的圆形滤纸上制成3个纳米金-纳米卟啉复合物纸传感基底，将3个纸传感基底放置37℃烘箱烘5分钟左右至微微干，在太阳光或日光灯下观察纸传感基底呈紫灰色，拍照。

(4)制作纯银离子溶液标准比色卡

配制溶液1：0nM银离子(做空白对照)；

溶液2：100μM银离子；溶液3：50μM银离子；溶液4：10μM银离子；溶液5：5μM银离子；溶液6：1μM；溶液7：100nM；溶液8：10nM；溶液9：1nM；

用移液枪吸取10μL上述溶液1至9分别滴加在纳米金-纳米卟啉复合物纸传感基底上，太阳光或日光灯下观察有不同的颜色变化，拍照，将图片导入PhotoShop软件提取图片上的彩色数值RGB值，并用该数值模拟出彩色圆点得到银离子标准比色卡。

结合图6所示银离子标准比色卡，图6a～6i依次对应空白、100μM、50μM、10μM、5μM、1μM、100nM、10nM、1nM银离子产生的颜色，图6a为空白对照(纸传感基底的颜色)。

结合图1和图4所示，从图1可以看出四-(4-吡啶基)锌卟啉可猝灭纳米金-纳米卟啉复合物荧光，银离子和四-(4-吡啶基)锌纳米卟啉的混合溶液能使纳米金-纳米卟啉复合物荧光颜色发生变化的原理。如图4a为固定有纳米金-纳米卟啉复合物纸传感基底的颜色为紫灰色；图4b为向纳米金-纳米卟啉复合物纸传感基底加入银离子后颜色反应图为粉红色，由紫灰色变为粉红色，而且随着银离子的浓度不同，纸传感基底的颜色也发生变化，如图6所示，银离子的浓度由1nM增加到100μM，纸传感基底的颜色由粉红色变为紫色，再变为浅紫色，最后变为紫灰色，达到纸上可视化检测银离子的效果。

实施例2

基于纳米金-纳米卟啉复合物纸传感基底检测西湖龙井茶叶水试样中银离子的方法，包括步骤：

(1)纳米金-纳米卟啉复合物的合成；

采用实施例1中步骤(1)的方法合成纳米金-纳米卟啉复合物

(2)四-(4-吡啶基)锌自组装卟啉的合成

采用实施例1中步骤(2)的方法合成四-(4-吡啶基)锌纳米卟啉溶液。

(3)纳米金-纳米卟啉复合物纸传感基底的制备

采用实施例1中步骤(3)的方法制备纳米金-纳米卟啉复合物纸传感器基底。

(4)银离子西湖龙井茶叶水试样溶液的配制

将都匀毛尖在80℃泡10min，将滤液稀释10倍作为溶剂配制不同浓度银离子

(5)制作茶叶水中银离子标准比色卡

配制溶液1：0nM银离子西湖龙井茶叶水(做空白对照)；

溶液2：100μM银离子西湖龙井茶叶水试样；

溶液3：50μM银离子西湖龙井茶叶水试样；

溶液4：1μM银离子西湖龙井茶叶水试样；

溶液5：500nM银离子西湖龙井茶叶水试样；

溶液6：100nM银离子西湖龙井茶叶水试样；

用移液枪吸取10μL上述溶液1至6分别滴加在纳米金-纳米卟啉复合物纸传感基底上，在太阳光或日光灯下观察有不同的颜色变化，拍照并保存图片，将图片导入PhotoShop软件提取图片上的彩色数值RGB值，并用该数值模拟出彩色圆点得到银离子标准比色卡。

实施例3

基于纳米金-纳米卟啉复合物纸传感基底检测自来水试样中银离子的方法，包括步骤：

(1)纳米金-纳米卟啉复合物的合成；

采用实施例1中步骤(1)的方法合成纳米金-纳米卟啉复合物

(2)四-(4-吡啶基)锌自组装卟啉的合成

采用实施例1中步骤(2)的方法合成四-(4-吡啶基)锌纳米卟啉溶液。

(3)纳米金-纳米卟啉复合物纸传感基底的制备

采用实施例1中步骤(3)的方法制备纳米金-纳米卟啉复合物纸传感器基底。

(4)自来水试样溶液的配制

将自来水作为溶剂配制不同浓度银离子

(5)制作自来水中银离子标准比色卡

配制溶液1：100μM银离子自来水试样；

溶液2：10μM银离子自来水试样；

溶液3：5μM银离子自来水试样；

溶液4：1μM银离子自来水试样；

溶液5：500nM银离子自来水试样；

溶液6：100nM银离子自来水试样；

溶液7：10nM银离子自来水试样；

用移液枪吸取10μL上述溶液1至7分别滴加在纳米金-纳米卟啉复合物纸传感基底上，在太阳光或日光灯下观察有不同的颜色变化，拍照并保存图片，将图片导入PhotoShop软件提取图片上的彩色数值RGB值，并用该数值模拟出彩色圆点得到银离子标准比色卡。

实施例4

基于纳米金-纳米卟啉复合物纸传感基底检测南湖水试样中银离子的方法，包括步骤：

(1)纳米金-纳米卟啉复合物的合成；

采用实施例1中步骤(1)的方法合成纳米金-纳米卟啉复合物

(2)四-(4-吡啶基)锌自组装卟啉的合成

采用实施例1中步骤(2)的方法合成四-(4-吡啶基)锌纳米卟啉溶液。

(3)纳米金-纳米卟啉复合物纸传感基底的制备

采用实施例1中步骤(3)的方法制备纳米金-纳米卟啉复合物纸传感器基底。

(4)南湖水试样溶液的配制

将南湖水过滤膜取滤液作为溶剂配制不同浓度银离子

(5)配制溶液1：100μM银离子南湖水试样；

溶液2：10μM银离子南湖水试样；

溶液3：5μM银离子南湖水试样；

溶液4：1μM银离子南湖水试样；

溶液5：500nM银离子南湖水试样；

溶液6：100nM银离子南湖水试样；

溶液7：10nM银离子南湖水试样；

用移液枪吸取10μL上述溶液1至7分别滴加在纳米金-纳米卟啉复合物纸传感基底上，在太阳光或日光灯下观察有不同的颜色变化，拍照并保存图片，将图片导入PhotoShop软件提取图片上的彩色数值RGB值，并用该数值模拟出彩色圆点得到银离子标准比色卡。

本发明所述的方法，相比传统以色谱发法测定银离子的方法有诸多优势，包括制备简单、反应条件温和，对银离子检测的灵敏度高、抗干扰能力强、响应良好，该纳米金-纳米卟啉复合物纸传感在环境化学、食品、医药等领域具有实际的应用价值。

实施例1～4列举了基于纳米金-纳米卟啉复合物纸传感基底检测银离子纯样品及在西湖龙井茶叶水、自来水、南湖水复杂基质中银离子的方法。

以上所述实施例仅表达了本发明的4种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种基于纳米金-纳米卟啉复合物纸传感基底检测银离子的方法，其特征在于，包括步骤：

(1)纳米金的合成

将适量超纯水置于烧杯中，然后加入氯金酸溶液，再加入柠檬酸钠溶液，混合后在微波炉中微波加热5分钟，取出避光冷却，冰箱4℃避光保存备用；

(2)四-(4-吡啶基)锌卟啉自组装体的合成

将四-(4-吡啶基)锌卟啉即卟啉溶于N,N-二甲基甲酰胺溶液，得到四-(4-吡啶基)锌卟啉N,N-二甲基甲酰胺溶液，向十二烷基二甲基甜菜碱水溶液中加入四-(4-吡啶基)锌卟啉N,N-二甲基甲酰胺溶液，磁力搅拌10-15分钟，得到四-(4-吡啶基)锌卟啉自组装体即纳米卟啉；

(3)纳米金-纳米卟啉复合物纸传感装置基底的制备

将纳米金-纳米卟啉复合物滴加在纸装置滤纸圆片上，纸装置上的滤纸圆片吸收固定纳米金-纳米卟啉复合物后即得纳米金-纳米卟啉复合物纸传感装置基底；

(4)制作银离子标准比色卡

配制不同浓度的银离子，将混合溶液依次滴加在纳米金-纳米卟啉复合物纸传感基底上，在日光灯下观察，不同浓度银离子与纳米金-纳米卟啉复合物纸传感基底反应产生不同的颜色，对每个纳米金-纳米卟啉复合物纸传感基底进行拍照，整理得到银离子标准比色卡；

(5)检测待测试样中的银离子浓度

将试样直接滴加在纸传感基底上，纸传感基底对试样有颜色响应，对照步骤(4)得到的银离子标准比色卡得出试样中银离子的浓度。

2.根据权利要求1所述的基于纳米金-纳米卟啉复合物纸传感基底检测银离子的方法，其特征在于，纳米金-纳米卟啉复合物的制备：将所述步骤(1)中纳米金和步骤(2)纳米卟啉混合制备成混合液，混合溶液中四-(4-吡啶基)锌卟啉自组装体的浓度为0.084～0.2μM；两者的物质的量比例为6～10：40～44，在混旋仪上2000转速混匀3-10min；得到纳米金-纳米卟啉复合物。

3.根据权利要求1所述的基于纳米金-纳米卟啉复合物纸传感基底检测银离子的方法，其特征在于，步骤(4)和步骤(5)中纳米金-纳米卟啉复合物纸传感装置基底的纳米金-和纳米卟啉的物质的量比例相同。

4.根据权利1所述的基于纳米金-纳米卟啉传感纸传感基底检测银离子的方法，其特征在于，所述步骤(3)中混合浓度为6.92nM纳米金和0.168μM四-(4-吡啶基)锌卟啉自组装体

5.根据权利要求1所述的基于纳米金-纳米卟啉复合物纸传感基底检测银离子的方法，其特征在于，所述步骤(4)中，将不同浓度银离子与纸传感基底反应产生不同颜色的照片导入图形处理软件提取图片中的彩色数值，利用彩色数值模拟出银离子标准比色卡。

6.根据权利要求2所述的基于纳米金-纳米卟啉传感纸传感基底检测银离子的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，氯金酸、柠檬酸的物质的量的比为：1:5～5.5。

7.根据权利要求1所述的基于纳米金-纳米卟啉传感纸传感基底检测银离子的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，四-(4-吡啶基)锌卟啉与十二烷基二甲基甜菜碱物质的量比为1:4465～4470。

8.根据权利要求1所述的基于纳米金-纳米卟啉传感纸传感基底检测银离子的方法，其特征在于，所述步骤(3)中，纳米金-纳米卟啉传感滴加量为8～10uL，滤纸圆片纸装置为直径为4～6mm的圆形滤纸，将滴加了纳米金-纳米卟啉传感的纸传感基底置于35～38℃的烘箱中，烘4～6分钟。

9.根据权利要求1所述的基于纳米金-纳米卟啉传感纸传感基底检测银离子的方法，其特征在于，所述四-(4-吡啶基)锌卟啉自组装体中纳米卟啉粒径为20～40nm的纳米棒。

10.根据权利要求1所述的基于纳米金-纳米卟啉传感纸传感基底检测银离子的方法，其特征在于，步骤(5)检测银离子在纯水样品及在自来水、南湖水、西湖龙井茶叶水复杂基质中的浓度。