CN109781694A - 一种葡萄酒中金属离子的快速检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种葡萄酒中金属离子的快速检测方法，包括以下步骤：(1)通过席夫碱反应制备席夫碱金属离子探针；(2)通过晶种生长法合成金纳米棒(Au)；(3)金属离子与席夫碱进行络合反应，形成席夫碱金属络合物；(4)利用便携式拉曼光谱仪、紫外分光光度计、荧光分光光度计进行检测生成的络合物，从而对酒产品中所含Cu²⁺、Zn²⁺进行定性和定量分析检测。与现有技术相比，本发明使用SERS、紫外和荧光三传感对席夫碱金属络合物进行检测，更加准确，且不需要标记和分离纯化，可实现在葡萄酒的生产储存过程中对葡萄酒产品中Cu²⁺、Zn²⁺的监控检测，检测限为1×10^‑10M。

Description

一种葡萄酒中金属离子的快速检测方法

技术领域

本发明涉及一种检测方法，尤其是涉及一种葡萄酒中金属离子的快速检测方法。

背景技术

葡萄酒是一种越来越受大众认可的饮料，具有很高的营养价值和保健用。葡萄酒中含有糖类、果胶质、粘液质和各种有机酸，无机物质，微量元素及几十种氨基酸和多种维生素。在微量金属元素中，铜元素是比较活跃的微量元素之一。铜的来源一般包括使用含铜的葡萄园喷雾而被带入酒中，或者葡萄因沾了泥土或灰尘而带入铜离子，还有在生产过程中，接触的酿酒工具可能带有铜。除了铜元素之外，还有锌元素。对于锌元素来说，植物从地面吸收微量锌、使用含锌的杀虫剂，酿酒过程中葡萄酒的处理，老化过程中使用含锌的容器，这些都是葡萄酒中锌离子的来源。少量的微量元素对人体是有益处。例如人体内多种酶的重要成分之一铜，对神经系统和骨骼的发育是必需的。锌是200多种含锌酶的组成成分，是酶的激活剂。但是当它们过量就会对人体的健康造成严重的影响，严重时会使人体内的蛋白质凝固。

因此，为了保证人们饮用葡萄酒的安全和健康，运用有效的分析方法来测定葡萄酒中的微量元素含量的需求越来越迫切，以便更快速和灵敏地鉴定并量化葡萄酒中的Cu²⁺、Zn²⁺离子，并完成在葡萄酒生产储存过程中的离子浓度的监控。

表面增强拉曼散射(SERS)是指当一些分子被吸附到某些粗糙金属(Au、Ag、Cu等)表面时，它们的拉曼散射强度会增加10⁴～10⁶倍。由于SERS技术快速灵敏的特点，广泛用于食品安全、生物检测等方面。金纳米棒修饰还原石墨烯可作为表面增强拉曼基底材料。多年来，对于葡萄酒中Cu²⁺、Zn²⁺的检测，大多采用原子吸收光谱法、紫外可见吸收光谱法、比色法、滴定分析法和电感耦合质谱法等。原子吸收光谱法具有操作复杂和分析灵敏度低等特点，不适用于多种元素的同时分析检测；紫外可见吸收光谱法具有特异性差和抗干扰弱等特点，不适用于复杂样品中微量元素的分析；电感耦合质谱法的设备费用和操作费用较高，不适宜于样品的现场快速检测。而用表面增强拉曼散射、紫外吸收法和荧光光谱法同时分析检测Cu²⁺、Zn²⁺的方法却鲜有报道。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种葡萄酒中金属离子的快速检测方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种葡萄酒中金属离子的快速检测方法，具体步骤如下：

(1)冷凝回流法合成席夫碱探针：室温下，用乙醇作为溶剂，将羟基苯甲酸和1,1’-联萘-2,2’-二胺稀释，采用冷凝回流法，得到席夫碱探针；

(2)制备金纳米种子溶液：将十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)水溶液和氯金酸水溶液混合均匀后，快速加入NaBH₄溶液，搅拌静置后得到金纳米种子溶液，此时金浓度为0.25mmol/L；

(3)制备金纳米棒：室温下，将十六烷基三甲基溴化铵水溶液与氯金酸水溶液混合后，加入AgNO₃和盐酸充分搅拌，加入还原剂，溶液由深黄色变为无色，再加入步骤(2)制备得到的金纳米种子溶液，搅拌静置后，离心、洗涤三次，除去多余的十六烷基三甲基溴化铵，得到金纳米棒；

(4)冷凝回流法进行络合反应：取葡萄酒样品与席夫碱探针，冷凝回流，得到席夫碱金属络合物；

(5)荧光法检测葡萄酒中的Cu²⁺和Zn²⁺：将席夫碱金属络合物稀释后，使用荧光分光光度计测量，获得荧光光谱，对照席夫碱金属离子浓度的荧光标准图谱，得出待测酒样中的Cu²⁺和Zn²⁺浓度，完成定量检测；

(6)紫外法检测葡萄酒中的Cu²⁺和Zn²⁺：将席夫碱金属络合物稀释后，使用紫外分光光度计测量，获得紫外图谱，对照席夫碱金属离子浓度的紫外标准图谱，得出待测酒样中的Cu²⁺和Zn²⁺浓度，完成定量检测；

(7)表面增强拉曼散射检测葡萄酒中的Cu²⁺和Zn²⁺：将席夫碱金属络合物与L-半胱氨酸连接，再与步骤(3)中制备得到的金纳米棒相连，加入氯化钠溶液，采用拉曼光谱仪进行检测，获得样品的拉曼图谱，与标准品的图谱对照从而实现定性定量检测。

优选的，步骤(1)中：稀释后的浓度为10^-3M，冷凝回流的工艺条件为80℃冷凝回流6h。

优选的，步骤(2)中：十六烷基三甲基溴化铵水溶液的浓度为0.1M，氯金酸水溶液的浓度为0.01M，NaBH₄溶液的浓度为0.01M，搅拌时间为3min，静置时间为2h。

优选的，步骤(3)中：十六烷基三甲基溴化铵水溶液的浓度为0.1M，氯金酸水溶液的浓度为0.01M，AgNO₃的浓度为0.01M，盐酸的浓度为1M。

优选的，步骤(3)中：还原剂为抗坏血酸，浓度为0.1M。

优选的，步骤(3)中：十六烷基三甲基溴化铵水溶液、氯金酸水溶液、硝酸银溶液、盐酸、还原剂和金纳米种子溶液的体积比为10mL:0.5mL:0.1mL:0.2mL:80μL:12μL。

优选的，步骤(3)中：离心的工艺条件为8000rpm离心5min。

优选的，步骤(4)中：冷凝回流的工艺条件为95℃下冷凝回流1h。

优选的，步骤(5)中：席夫碱金属络合物稀释20倍，荧光分光光度计的激发波长为350mm。

优选的，步骤(6)中：席夫碱金属络合物稀释40倍，测量前用乙醇溶液将紫外分光光度计调零。

优选的，步骤(7)中：拉曼光谱仪的激发波长为785nm，积分时间为5s。

金纳米棒修饰还原石墨烯可作为表面增强拉曼基底材料。石墨烯是一种新型的二维碳纳米材料，其碳原子之间的杂化方式为sp²杂化。石墨烯具有较高的表面积和较强的导电性，它的高孔结构有利于吸附Cu²⁺和Zn²⁺。此外，石墨烯可以钝化金纳米棒表面，保证SERS衬底的化学稳定性。因此，石墨烯在电学、光学、生物传感方面也具有广阔的应用前景。

席夫碱与席夫碱金属络合物对拉曼信号有不同的响应，因此，SERS技术可以实现葡萄酒中Cu²⁺、Zn²⁺的现场快速检测，且其具有分析速度快、检测灵敏度高和选择性好等特点，可进一步应用于环境等方面的分析检测。

席夫碱是指由含有活泼羰基和氨基的两类物质通过缩水形成的含亚氨基或烷亚氨基的一类有机化合物，它在一定条件下可以与大部分金属元素形成稳定性不一的金属配合物。将席夫碱作为探针，与葡萄酒中的金属离子络合，形成席夫碱金属络合物。此络合物与L-半胱氨酸相连形成酰胺键，同时引入巯基，巯基与金纳米棒形成金硫键。至此，席夫碱金属络合物完成了与金纳米棒的连接。随着金属离子浓度的增加，紫外、荧光、SERS会产生规律性变化，据此进行定性定量检测。SERS是指某些金属的粗糙表面吸附有分子时，其拉曼散射信号强度会显著增加的现象，金纳米棒表面粗糙，表面分子吸附数量增多，在实验中起到了增强拉曼散射信号的作用。在各种检测技术中，荧光检测技术具有高灵敏度且易于制造，但是对金属离子的选择性较低，因此不适用于现场检测；紫外可见吸收光谱法具有简单、快速、灵敏度高的优点，但是特异性差和抗干扰弱，不适用于复杂样品中微量元素的分析；SERS可以提供分析物的指纹特征，将微弱的拉曼信号提高10⁴-10⁶倍，但是只有对SERS底物具有较强亲和力的目标分析物才能产生较强的拉曼信号，而且，SERS基底不稳定所以不适合定量分析。考虑到这些分析技术的独特优点和缺点，建立一个多传感方法，使它们可以同时提供一种以上的输出信号，不仅可以拓展分析方法的应用范围，还可以提高检测结果准确度和可靠性，降低分析结果的假阳性或假阴性。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、通过荧光分光光度法，可以实现对葡萄酒中Cu²⁺、Zn²⁺的区分，二者有一个明显的峰位置的不同，而且稳定性高，可以消除其他物质的干扰，实现葡萄酒中Cu²⁺、Zn²⁺的同时检测；

2、本发明采用SERS、紫外和荧光三传感可以消除其他物质的干扰，提高葡萄酒分析检测结果的灵敏度、准确度和可靠性，该法具有操作简便、样品用量少、应用范围广泛、快速高效和便于携带等特点，满足了食品中痕量组分的分析检测需求；

3、通过SERS、紫外和荧光三传感，更加准确，且不需要标记和分离纯化，可实现对葡萄酒中Cu²⁺、Zn²⁺的现场快速定性和定量检测，Cu²⁺、Zn²⁺的检测限分别为1×10^-10M。

附图说明

图1是本发明实施例1的检测方法的流程图。

图2是标准Cu²⁺溶液浓度变化的荧光图谱；

图3是标准Zn²⁺溶液浓度变化的荧光图谱；

图4是Cu²⁺的特征峰对比图，红色标注即为特征峰(695nm)；

图5是Zn²⁺的特征峰对比图，红色标注即为特征峰(675nm)；

图6是标准Cu²⁺溶液浓度变化的紫外吸收光谱；

图7是标准Zn²⁺溶液浓度变化的紫外吸收光谱；

图8是席夫碱探针的SERS图谱，红色标准为特征峰(1620.2cm^-1，C＝N)；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

检测葡萄酒中的Cu²⁺、Zn²⁺：图1示意性地给出了本发明实施例的葡萄酒的流程图，检测方法包括以下步骤：

(1)通过席夫碱反应制备席夫碱金属离子探针：

利用冷凝回流装置，用乙醇作溶剂，将原料羟基苯甲酸和1,1’-联萘-2,2’-二胺稀释，稀释至浓度为10^-3M，采用冷凝回流法，在80℃下冷凝回流6h，即得到席夫碱溶液；

(2)由晶种法制备金纳米棒：

a.制备金纳米种子溶液：

室温条件下(25-28℃)，配制9.75mL 0.1mol/L十六烷基三甲基溴化铵水溶液，均匀搅拌至透明，滴加0.25mL 0.01mol/L氯金酸水溶液，待其在溶液中均匀分散后，快速加入0.6mL新鲜配制的0.01mol/L硼氢化钠溶液(冰水浴)，溶液由浅黄色变成棕黄色，均匀搅拌3min，室温静置2h后备用，此时金浓度0.25mmol。

b.制备和纯化金纳米棒溶液：

室温条件下，配制10mL 0.1mol/L的十六烷基三甲基溴化铵水溶液，再加入0.5mL0.01mol/L氯金酸水溶液，混合均匀后再加入0.1mL 0.01mol/L硝酸银，0.2mL1mol/L盐酸，充分搅拌，加入80μL 0.1mol/L抗坏血酸，溶液由深黄色变为无色，加入12μL已制备好的金纳米种子溶液，均匀搅拌3分钟，室温静置6h，制备好的金纳米棒溶液通过8000rpm离心5min，洗涤三次，除去多余的十六烷基三甲基溴化铵。

(3)冷凝回流法进行络合反应：

本实验葡萄酒来源于网上购买，利用冷凝回流装置，取酒样与席夫碱探针各5mL，采用冷凝回流法，在在95℃下冷凝回流1h，即得到席夫碱与葡萄酒中金属的络合物。

(4)荧光、紫外、SERS三传感检测葡萄酒中Cu²⁺、Zn²⁺：

a.将席夫碱酒样络合物稀释20倍，放入石英比色皿中，使用荧光分光光度计测量，设置激发波长为350nm，得到包含络合了Cu²⁺和Zn²⁺的席夫碱金属络合物的荧光光谱图(图2和图3)，根据Cu²⁺、Zn²⁺的发射波长的不同(Cu²⁺络合物的荧光发射波长为695nm，Zn²⁺络合物的荧光发射波长为675nm)可将Cu²⁺和Zn²⁺分别检测出来(图4和图5)。

同时，在激发波长为350nm的条件下，Cu²⁺和Zn²⁺随着浓度增加，荧光强度呈现递增趋势，可对照席夫碱金属离子浓度的荧光标准图谱，得出待测酒样中的Cu²⁺和Zn²⁺浓度，完成Cu²⁺和Zn²⁺的分别定量检测。

b.将席夫碱酒样络合物稀释40倍，放入石英比色皿中，使用紫外分光光度计测量，测量前用13％乙醇溶液调零，由于，Cu²⁺络合物随着Cu²⁺浓度增加，在370nm处，紫外吸收强度呈现递减趋势，而在425nm处，紫外吸收强度呈现递增趋势(图6)；Zn²⁺络合物随着Zn²⁺浓度增加，在350nm处，紫外吸收强度呈现递减趋势，而在425nm处，紫外吸收强度呈现递增趋势(图7)。因此，对照席夫碱金属离子浓度的紫外标准图谱，得出待测酒样中的Cu²⁺和Zn²⁺浓度，完成Cu²⁺和Zn²⁺的分别定量检测。

c.实验葡萄酒来源于网上购买，先将席夫碱金属探针与待测酒样络合，然后将席夫碱酒样络合物与L-半胱氨酸连接，再与金纳米棒相连，再加入少量的NaCl溶液，将连接好的液体滴加在硅片的表面上，采用便携式拉曼光谱仪进行拉曼信号的检测，激发波长为785nm，积分时间为5s，根据不同浓度金属离子与拉曼信号强度的关系绘制标准曲线，对照待测样品拉曼信号强度可得葡萄酒中金属离子(Cu²⁺和Zn²⁺)的含量，葡萄酒中金属离子的常用分析检测方法是原子吸收光谱法(GB/T150382006)，所用葡萄酒同时采用原子吸收光谱法进行分析检测，检测结果如表1所示。从表1可见，本发明的分析结果与原子吸收光谱法的结果匹配度较好，表明本方法具有较好的检测准确度，有望作为一种快速检测方法用于葡萄酒中金属离子的快速分析检测。

表1

对比例1

检测饮用水中Cu²⁺和Zn²⁺，检测方法具体步骤如下：

(1)通过席夫碱反应制备席夫碱金属离子探针：

利用冷凝回流装置，用乙醇作溶剂，将原料羟基苯甲酸和1,1’-联萘-2,2’-二胺稀释，稀释至浓度为10^-3M，采用冷凝回流法，在80℃下冷凝回流6h，即得到席夫碱溶液；

(2)由晶种法制备金纳米棒：

a.制备金纳米种子溶液：

室温条件下(25-28℃)，配制9.75mL 0.1mol/L十六烷基三甲基溴化铵水溶液，均匀搅拌至透明，滴加0.25mL 0.01mol/L氯金酸水溶液，待其在溶液中均匀分散后，快速加入0.6mL新鲜配制的0.01mol/L硼氢化钠溶液(冰水浴)，溶液由浅黄色变成棕黄色，均匀搅拌3min，室温静置2h后备用。此时金浓度0.25mmol。

b.制备和纯化金纳米棒溶液：

室温条件下，配制10mL 0.1mol/L的十六烷基三甲基溴化铵水溶液，再加入0.5mL0.01mol/L氯金酸水溶液，混合均匀后再加入0.1mL 0.01mol/L硝酸银，0.2mL1mol/L盐酸，充分搅拌，加入80μL 0.1mol/L抗坏血酸，溶液由深黄色变为无色，加入12μL已制备好的金种子溶液，均匀搅拌3分钟，室温静置6h。制备好的金纳米棒溶液通过8000rpm离心5min，洗涤三次，除去多余的十六烷基三甲基溴化铵。

(3)冷凝回流法进行络合反应：

利用冷凝回流装置，用乙醇作溶剂溶解醋酸铜、醋酸锌，调整金属离子的浓度，采用冷凝回流法，在在95℃下冷凝回流1h，即得到席夫碱金属络合物。

(4)荧光、紫外、SERS三传感检测饮用水中的Cu²⁺、Zn²⁺：

a.将席夫碱金属络合物稀释20倍，放入石英比色皿中，使用荧光分光光度计测量，设置激发波长为350nm，分别测定络合Cu²⁺(图3)和Zn²⁺(图4)的荧光光谱图，从图中可见，Cu^{2 +}络合物的荧光发射波长为695nm，Zn²⁺络合物的荧光发射波长为675nm，且荧光强度随金属离子浓度增加而增强。因此，可利用本法实现Cu²⁺和Zn²⁺的分别检测。

将Cu²⁺和Zn²⁺的储备溶液依次稀释获得浓度为10^-9～10^-2M的标准溶液，使用荧光分光光度计测量，设置激发波长为350nm，测定不同浓度Cu²⁺(图1)和Zn²⁺(图2)的荧光光谱，从图中可见，随着金属离子浓度增加，荧光强度呈现递减趋势，因此，可利用本法实现Cu²⁺和Zn²⁺的分别定量检测。

b.将席夫碱金属络合物稀释40倍，放入石英比色皿中，使用紫外分光光度计测量，测量前用乙醇溶液调零，将Cu²⁺和Zn²⁺的储备溶液依次稀释获得浓度为10^-9～10^-2的标准溶液，使用紫外分光光度计测量，测定不同浓度Cu²⁺(图5)和Zn²⁺(图6)的紫外光谱，从图中可见，Cu²⁺络合物随着Cu²⁺浓度增加，在370nm处，紫外吸收强度呈现递减趋势，而在425nm处，紫外吸收强度呈现递增趋势；Zn²⁺络合物随着Zn²⁺浓度增加，在350nm处，紫外吸收强度呈现递减趋势，而在425nm处，紫外吸收强度呈现递增趋势。因此，可利用本法实现Cu²⁺和Zn²⁺的分别定量检测。

c.实验所用的水样取自市面上的不同品种桶装饮用水，先将席夫碱金属探针与待测饮用水络合，然后将席夫碱络合物与L-半胱氨酸连接，再与金纳米棒相连，再加入少量的NaCl溶液，将连接好的液体滴加在硅片的表面上，采用便携式拉曼光谱仪进行拉曼信号的检测，激发波长为785nm，积分时间为5s，获得样品的SERS图谱，与络合物标准品的SERS图谱对照从而实现饮用水中Cu²⁺和Zn²⁺定量检测(图8)。检测结果如表2所示，从表2可见，本法检测结果与原子吸收光谱法结果吻合，表明本发明方法可用于水样中Cu²⁺和Zn²⁺的分析检测。

表2

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种葡萄酒中金属离子的快速检测方法，其特征在于，具体步骤如下：

(1)冷凝回流法合成席夫碱探针：用乙醇作为溶剂，将羟基苯甲酸和1,1’-联萘-2,2’-二胺稀释，采用冷凝回流法，得到席夫碱探针；

(2)制备金纳米种子溶液：将十六烷基三甲基溴化铵和氯金酸水溶液混合均匀后，快速加入NaBH₄溶液，搅拌静置后得到金纳米种子溶液；

(3)制备金纳米棒：将十六烷基三甲基溴化铵水溶液与氯金酸水溶液混合后，加入AgNO₃和盐酸充分搅拌，加入还原剂待溶液变为无色，再加入步骤(2)制备得到的金纳米种子溶液，搅拌静置后，离心洗涤，得到金纳米棒；

(4)冷凝回流法进行络合反应：取葡萄酒样品与席夫碱探针，冷凝回流，得到席夫碱金属络合物；

(5)荧光法检测葡萄酒中的Cu²⁺和Zn²⁺：将席夫碱金属络合物稀释后，使用荧光分光光度计测量，获得荧光光谱，对照席夫碱金属离子浓度的荧光标准图谱，得出待测酒样中的Cu²⁺和Zn²⁺浓度，完成定量检测；

(6)紫外法检测葡萄酒中的Cu²⁺和Zn²⁺：将席夫碱金属络合物稀释后，使用紫外分光光度计测量，获得紫外图谱，对照席夫碱金属离子浓度的紫外标准图谱，得出待测酒样中的Cu²⁺和Zn²⁺浓度，完成定量检测；

(7)表面增强拉曼散射检测葡萄酒中的Cu²⁺和Zn²⁺：将席夫碱金属络合物与L-半胱氨酸连接，再与步骤(3)中制备得到的金纳米棒相连，加入氯化钠溶液，采用拉曼光谱仪进行检测，获得样品的拉曼图谱，与标准品的图谱对照从而实现定性定量检测。

2.根据权利要求1所述的一种葡萄酒中金属离子的快速检测方法，其特征在于，步骤(1)中：稀释后的浓度为10^-3M，冷凝回流的工艺条件为80℃冷凝回流6h。

3.根据权利要求1所述的一种葡萄酒中金属离子的快速检测方法，其特征在于，步骤(2)中：十六烷基三甲基溴化铵水溶液的浓度为0.1M，氯金酸水溶液的浓度为0.01M，NaBH₄溶液的浓度为0.01M，搅拌时间为3min，静置时间为2h。

4.根据权利要求1所述的一种葡萄酒中金属离子的快速检测方法，其特征在于，步骤(3)中：十六烷基三甲基溴化铵水溶液的浓度为0.1M，氯金酸水溶液的浓度为0.01M，AgNO₃的浓度为0.01M，盐酸的浓度为1M。

5.根据权利要求1所述的一种葡萄酒中金属离子的快速检测方法，其特征在于，步骤(3)中：还原剂为抗坏血酸，浓度为0.1M。

6.根据权利要求1所述的一种葡萄酒中金属离子的快速检测方法，其特征在于，步骤(4)中：冷凝回流的工艺条件为95℃下冷凝回流1h。

7.根据权利要求1所述的一种葡萄酒中金属离子的快速检测方法，其特征在于，步骤(5)中：席夫碱金属络合物稀释20倍，荧光分光光度计的激发波长为350mm。

8.根据权利要求1所述的一种葡萄酒中金属离子的快速检测方法，其特征在于，步骤(6)中：席夫碱金属络合物稀释40倍，测量前用乙醇溶液将紫外分光光度计调零。

9.根据权利要求1所述的一种葡萄酒中金属离子的快速检测方法，其特征在于，步骤(7)中：拉曼光谱仪的激发波长为785nm，积分时间为5s。