CN109946255B - 一种砷离子检测方法 - Google Patents

Abstract

一种砷离子检测方法，包括：S1，将特异性配体修饰的纳米金属颗粒溶液与量子点溶液混合；S2，向混合液加入待检测样品；S3，检测步骤S2后混合液的荧光光谱或特异性配体修饰的纳米金属颗粒的紫外可见光吸收光谱；S4，根据荧光光谱的荧光强度或紫外可见光吸收光谱的吸收强度，得到砷离子的浓度。一种砷离子检测方法，包括：S101，向特异性配体修饰的纳米金属颗粒溶液中加入待检测样品，测得特异性配体修饰的纳米金属颗粒的紫外可见光吸收光谱；S102，向混合液加入量子点溶液后，检测混合液的荧光光谱；S103，根据紫外可见光吸收光谱的吸收强度或荧光光谱的荧光强度，得到砷离子的浓度。该方法能够提高检测的灵敏度，降低检测限。

Description

一种砷离子检测方法

技术领域

本发明涉及分析化学技术领域，尤其涉及一种砷离子检测方法。

背景技术

砷是一种有毒且分布广泛的元素，而相比于五价砷，三价砷的毒性更大，长期接触饮用水中的砷可能导致皮肤、肺、膀胱和肾脏的患癌风险增加，且这类毒素难以从体内排出。

剧毒重金属砷的常规检测方法主要基于大型仪器和实验室检测。主要检测方法包括原子吸收光谱法、原子发射光谱法、电感耦合等离子体质谱法以及电化学分析法等。这些传统的检测方法可实现高灵敏高准确性检测，但存在仪器昂贵，操作成本高，样品预处理过程复杂等缺点。比色法是一种常用的光化学分析检测方法，检测信号反映的是化学反应产生的颜色变化，由于其简单，快速和低成本的优点，在化学和生物分析中极具吸引力。当前比色法主要与纳米颗粒相结合实现高灵敏度检测，但仍存在检测下限偏高的缺点，很难达到痕量检测的要求。

发明内容

(一)要解决的技术问题

针对于现有的技术问题，本发明提出一种砷离子检测方法，基于荧光内滤效应，采用具有高消光系数的纳米金属颗粒和量子点组成的吸收体-发光体对，对重金属离子检测，用于至少部分解决上述技术问题。

(二)技术方案

本发明一方面提供一种砷离子检测方法，包括：S1，将特异性配体修饰的纳米金属颗粒溶液与量子点溶液混合，特异性配体修饰的纳米金属颗粒吸收量子点的激发光和发射的荧光；S2，向混合液加入待检测样品，降低特异性配体修饰的纳米金属颗粒对荧光的吸收；S3，检测步骤S2后混合液的荧光光谱或特异性配体修饰的纳米金属颗粒的紫外可见光吸收光谱；S4，根据荧光光谱的荧光强度或紫外可见光吸收光谱的吸收强度，得到砷离子的浓度。

可选地，混合的量子点的荧光光谱与特异性配体修饰的纳米金属颗粒的吸收光谱具有重叠区域。

可选地，特异性配体为识别三价砷离子的特异性配体。

可选地，特异性配体为葡萄糖、聚乙二醇、二硫苏糖醇、柠檬酸、核酸适体、氨基酸、蛋白质中的至少一种。

可选地，在上述步骤S4中，砷离子的浓度通过下式计算：

或

其中，ω为砷离子浓度，k为线性比例系数，A为紫外可见光吸收光谱的吸收强度，A₀为特异性配体修饰的纳米金属颗粒未与待检测样品反应前，其紫外可见光吸收光谱的吸收强度，F为荧光光谱的荧光强度，F₀为特异性配体修饰的纳米金属颗粒未与待检测样品反应前荧光光谱的光强。

可选地，纳米金属颗粒的尺寸为0.1-1000nm。

本发明另一方面提供一种砷离子检测方法，包括：S101，向特异性配体修饰的纳米金属颗粒溶液中加入待检测样品，测得特异性配体修饰的纳米金属颗粒的紫外可见光吸收光谱；S102，向混合液加入量子点溶液后，检测混合液的荧光光谱；S103，根据紫外可见光吸收光谱的吸收强度或荧光光谱的荧光强度，得到砷离子的浓度。

可选地，量子点的荧光光谱与特异性配体修饰的纳米金属颗粒的吸收光谱具有重叠区域。

可选地，特异性配体为识别三价砷离子的特异性配体。

可选地，在上述步骤S103中，砷离子的浓度通过下式包括：

或

其中，ω为砷离子浓度，k为线性比例系数，A为紫外可见光吸收光谱的吸收强度，A₀为特异性配体修饰的纳米金属颗粒未与待检测样品反应前，其紫外可见光吸收光谱的吸收强度，F为荧光光谱的荧光强度，F₀为特异性配体修饰的纳米金属颗粒未与待检测样品反应前荧光光谱的光强。

(三)有益效果

本发明提出一种砷离子检测方法，有益效果为：

该方法操作简单快速，成本低廉，最低检出限相较于以往基于纳米金的比色法检测有显著下降。

纳米金属颗粒在紫外-可见区域内具有很宽的吸收范围且具有高的消光系数，可以作为荧光吸收/猝灭剂，显著地降低体系的背景荧光；CdSe/ZnS等量子点具有量子产率高，发射光谱窄而对称和吸收光谱宽而连续等特点，能够提高检测的灵敏度，降低检测限。

附图说明

图1示意性示出了本发明实施例1砷离子检测方法流程图。

图2示意性示出了本发明实施例基于荧光内滤效应检测砷离子的传感机制示意图。

图3示意性示出了本发明实施例2砷离子检测方法流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

与传统的荧光共振能量转移技术相比，基于荧光内滤效应的传感器不需要考虑吸收体与荧光体之间的特定距离要求，而是利用吸收体与荧光体之间的内滤效应，将吸收体的吸光度变化转化为荧光体荧光指数的变化，可以相对提高灵敏度、降低检测限。基于荧光内滤效应的荧光传感器具有高灵活性和简单性，且无需吸收体与荧光体之间的连接，适合检测水相中的重金属离子。而量子点由于其独特的光学特性，如高荧光量子产率、激发光谱宽且连续和发射光谱窄而对称等特点，是一种理想的荧光剂；而纳米金属颗粒具有极高的消光系数，可以作为理想的荧光吸收/猝灭剂。基于荧光内滤效应，采用具有高消光系数的纳米金属颗粒和量子点组成的吸收体-发光体对，可以实现高灵敏、双通道的重金属荧光和比色检测。

基于此，本发明将量子点和纳米金属颗粒相结合，提出一种基于荧光内滤效应实现的砷离子(重点是三价砷离子)检测，与传统的比色法相比，可以提高灵敏度、降低检测限；与一般的荧光法相比，双通道的检测方式有利于避免特定背景干扰(如荧光计的背景噪声干扰)，且荧光体无需考虑选择性和功能化。目前，利用石墨烯等量子点和纳米金属颗粒基于荧光内滤效应实现对三价砷离子的检测还未见报道，下面以检测三价砷离子浓度(As(III))为例，列举几个优选的实施例。

实施例1

本实施例提出一种砷离子检测方法，该方法是基于荧光内滤效应进行检测的，如图1所示，方法包括：

S1，将特异性配体修饰的纳米金属颗粒溶液与量子点溶液混合，特异性配体修饰的纳米金属颗粒吸收量子点的激发光和发射的荧光。

在上述步骤S1中，特异性配体修饰的纳米金属颗粒溶液与量子点溶液混合后，构成荧光内滤效应传感器，其中特异性配体修饰的纳米金属颗粒作为荧光吸收体，量子点作为荧光发射体。由于利用特异性配体修饰的纳米金属颗粒可以引起量子点的荧光猝灭，因此，在将特异性配体修饰的纳米金属颗粒溶液与量子点溶液混合时，特异性配体修饰的纳米金属颗粒会吸收量子点发射的荧光，即荧光内滤效应。

其中，混合的量子点的荧光光谱与特异性配体修饰的纳米金属颗粒的吸收光谱具有重叠区域，重叠区域越大，检测效果越好。如果没有重叠区域，将不会产生荧光内滤效应，无法实现检测。其中，在检测三价砷离子浓度时，选择的特异性配体需满足识别三价砷离子的条件，例如葡萄糖、聚乙二醇、柠檬酸、二硫苏糖醇、核酸适体氨基酸、蛋白质，可以是其中单一一种，也可以是其中某些组合。

其中，纳米金属颗粒尺寸为0.1-1000nm，优选5～60nm，采用纳米金、纳米银及其任意组合，或其它纳米金属颗粒。

S2，向混合液加入待检测样品，降低特异性配体修饰的纳米金属颗粒对荧光的吸收。

在上述步骤S2中，向混合液加入待检测样品之前，将混合液用PBS缓冲液或Tris-Hcl缓冲液稀释。由于待检测样品中包含有三价砷离子，会使得诱导特异性配体修饰的纳米金属颗粒聚集，从而使得特异性配体修饰的纳米金属颗粒的吸光度(吸收量子点的激发光和发射荧光)减弱，荧光内滤效应的减弱，而量子点由于荧光内滤效应的减弱，其荧光发射强度恢复，其传感机制如图2所示。

S3，检测步骤S2后混合液的荧光光谱或特异性配体修饰的纳米金属颗粒的紫外可见光吸收光谱。

在检测三价砷离子浓度时，三价砷离子浓度与荧光发射强度和特异性配体修饰的纳米金属颗粒吸光度变化之间存在量化关系，同时，为了实现荧光和比色双通道的三价砷离子检测，测得加入待测样品后的混合液的荧光光谱(荧光检测)或特异性配体修饰的纳米金属颗粒的紫外可见光吸收光谱(比色检测)，以计算三价砷离子浓度。

S4，根据荧光光谱的荧光强度或紫外可见光吸收光谱的吸收强度，得到砷离子的浓度。

具体地，三价砷离子的浓度通过下式计算：

或

其中，ω为砷离子浓度，k为线性比例系数，A为待检测物加入后新的紫外可见光谱吸收峰的吸收强度，A₀为特异性配体修饰的纳米金属颗粒未与待检测样品反应前，其紫外可见光吸收光谱的吸收强度，F为荧光光谱的荧光强度，F₀为特异性配体修饰的纳米金属颗粒未与待检测样品反应前荧光光谱的光强。A与A₀为不同波长处的吸收强度。

实施例2

与实施例1不同的是本实施例中采用的量子点为包含重金属离子的量子点，因为实际检测的需求不同，采用的量子点不同。当量子点不同时，检测过程中加入的先后顺序会影响检测结果，具体方法如图3所示，包括：

S101，向特异性配体修饰的纳米金属颗粒溶液中加入待检测样品，测得特异性配体修饰的纳米金属颗粒的紫外可见光吸收光谱。

在上述操作S101中，加入含有砷离子的待检测样品后，特异性配体修饰的纳米金属颗粒被砷离子诱导聚集。同实施例1中所述，混合的量子点的荧光光谱与特异性配体修饰的纳米金属颗粒的吸收光谱具有重叠区域，重叠区域越大，检测效果越好。如果没有重叠区域，将不会产生荧光内滤效应，无法实现检测。

其中，在检测三价砷离子浓度时，选择的特异性配体需满足识别三价砷离子的条件，例如葡萄糖、聚乙二醇、柠檬酸、二硫苏糖醇、核酸适体、氨基酸、蛋白质，可以是其中单一一种，也可以是其中某些组合。

其中，纳米金属颗粒的尺寸为0.1-1000nm，优选5～60nm，采用纳米金、纳米银及其任意组合，或其它纳米金属颗粒。

S102，向混合液加入量子点溶液后，检测混合液的荧光光谱。

S103，根据紫外可见光吸收光谱的吸收强度或荧光光谱的荧光强度，得到砷离子的浓度。

具体地，三价砷离子的浓度通过下式计算：

或

其中，ω为砷离子浓度，k为线性比例系数，A为待检测物加入后新的紫外可见光谱吸收峰的吸收强度，A₀为特异性配体修饰的纳米金属颗粒未与待检测样品反应前，其紫外可见光吸收光谱的吸收强度，F为荧光光谱的荧光强度，F₀为特异性配体修饰的纳米金属颗粒未与待检测样品反应前荧光光谱的光强，A与A₀为不同波长处的吸收强度。

在上述实施例1及实施例2中，采用的量子点为CdTe量子点、CdS量子点、CdSe/ZnS量子点、碳量子点、石墨烯量子点等，或其任意组合。

实施例3

针对实施例1及实施例2中的特异性配体修饰的纳米金属颗粒溶液与量子点溶液混合后构成荧光内滤效应传感器，本实施例以二硫苏糖醇修饰的纳米金颗粒为例，介绍荧光内滤效应传感器的选择优化过程。

(1)合成直径为13nm的纳米金

所用器皿均用王水提前浸泡一夜，再用去离子水洗净，反复超声多次，然后烘干备用。具体步骤是：取浓度为1mM氯金酸水溶液100mL，在剧烈搅拌下加热至沸腾，并迅速加入10mL浓度为38.8mM的柠檬酸三钠水溶液，溶液的颜色逐渐开始由淡黄色变为黑紫色再变为酒红色，混合液继续煮沸30分钟，之后关掉加热功能，继续搅拌直到溶液冷却至室温，于4℃保存。

(2)紫外-可见吸收光谱测定As(III)对二硫苏糖醇修饰的纳米金的影响

首先向二硫苏糖醇修饰的纳米金(分5组，每组配体分子溶液的浓度分别为0.1，0.3，0.5，0.9，1.2mM)中依次加入一系列不同浓度的As(III)(浓度为0.05，0.1，0.3，0.5，0.9，1.2，1.8，2.4μM)，观察吸收峰变化，选择最优的配体分子溶液浓度和孵育时间。

(3)荧光光谱测定二硫苏糖醇修饰的纳米金对石墨烯量子点的影响

首先向9个试管中加入一系列不同量的二硫苏糖醇修饰的纳米金(0，100，200，300，400，500，600，700，800μL)，并用去离子水定容至1mL，最后加入0.2mg/mL的石墨烯量子点0.5mL，在25℃下静置10分钟，测量荧光光谱。

(4)检测条件优化及绘制标准曲线

针对二硫苏糖醇修饰的纳米金和石墨烯量子点浓度、PH值、反应时间、反应温度作进一步优化；向二硫苏糖醇修饰的纳米金和石墨烯量子点混合溶液加入一系列不同浓度的As(III)(浓度为0.05，0.1，0.3，0.5，0.9，1.2，1.8，2.4μM)，孵化一段时间后分别绘制As(III)关于荧光光谱和紫外可见吸收光谱的标准曲线。

(5)干扰实验

加入K(I)，Cu(II)，Mn(II)，Zn(II)，Mg(II)，Na(I)，Hg(II)，Fe(II)，Ca(II)，Ni(II)，Pb(II)，Cd(II)，Cr(III)，Al(III)，As(V)等其他重金属离子和它们的混合溶液进行干扰实验。

(6)实际水样测试

进行湖泊和自来水中As(III)的实际测试和回收率实验。

实施例4

针对实施例1及实施例2中的特异性配体修饰的纳米金属颗粒溶液与量子点溶液混合后构成荧光内滤效应传感器，本实施例以柠檬酸修饰的纳米金颗粒为例，介绍荧光内滤效应传感器的选择优化过程。

(1)合成直径为13nm的纳米金

所用器皿均用王水提前浸泡一夜，再用去离子水洗净，反复超声多次，然后烘干备用。具体步骤是：取浓度为1mM氯金酸水溶液100mL，在剧烈搅拌下加热至沸腾，并迅速加入10mL浓度为38.8mM的柠檬酸三钠水溶液，溶液的颜色逐渐开始由淡黄色变为黑紫色再变为酒红色，混合液继续煮沸30分钟，之后关掉加热功能，继续搅拌直到溶液冷却至室温，于4℃保存。

(2)紫外-可见吸收光谱测定As(III)对柠檬酸修饰的纳米金的影响

柠檬酸钠还原法制备的纳米金溶液在经过离心纯化后，再用截留分子量为500-1000D的透析袋在连续搅拌下进行透析，透析溶剂为水。向柠檬酸修饰的纳米金中依次加入一系列不同浓度的三价砷As(III)(浓度为0.05，0.1，0.3，0.5，0.9，1.2，1.8，2.4μM)，进行紫外-可见吸收光谱测试。

(3)荧光光谱测定柠檬酸修饰的纳米金对CdSe/ZnS量子点的影响

首先向9个试管中加入一系列不同量的柠檬酸修饰的纳米金(0，100，200，300，400，500，600，700，800μL)，并用去离子水定容至1mL，最后加入2μM的CdSe/ZnS量子点0.5ml，在25℃下静置10分钟，测量荧光光谱。

(4)检测条件优化及绘制标准曲线

针对柠檬酸修饰的纳米金和CdSe/ZnS量子点浓度、PH值、反应时间、反应温度作进一步优化；向柠檬酸修饰的纳米金和CdSe/ZnS量子点混合溶液加入一系列不同浓度的As(III)(浓度为0.05，0.1，0.3，0.5，0.9，1.2，1.8，2.4μM)，孵化一段时间后分别绘制As(III)关于荧光光谱和紫外可见吸收光谱的标准曲线。

(5)干扰实验

加入K(I)，Cu(II)，Mn(II)，Zn(II)，Mg(II)，Na(I)，Hg(II)，Fe(II)，Ca(II)，Ni(II)，Pb(II)，Cd(II)，Cr(III)，Al(III)，As(V)等其他重金属离子和它们的混合溶液进行干扰实验。

(6)实际水样测试

进行湖泊和自来水中As(III)的实际测试和回收率实验。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种砷离子检测方法，其特征在于，包括：

S1，将特异性配体修饰的纳米金属颗粒溶液与量子点溶液混合，所述特异性配体修饰的纳米金属颗粒吸收所述量子点激发光和发射的荧光，其中，所述特异性配体为识别三价砷离子的特异性配体，为葡萄糖、聚乙二醇、二硫苏糖醇、柠檬酸、核酸适体、氨基酸、蛋白质中的至少一种，所述纳米金属颗粒包括纳米金、纳米银及其任意组合，所述量子点包括CdTe量子点、CdS量子点、CdSe/ZnS量子点、碳量子点、石墨烯量子点，或其任意组合；

S2，向混合液加入待检测样品，降低所述特异性配体修饰的纳米金属颗粒对所述荧光的吸收；

S3，检测步骤S2后所述混合液的荧光光谱或所述特异性配体修饰的纳米金属颗粒的紫外可见光吸收光谱；

S4，根据所述荧光光谱的荧光强度或所述紫外可见光吸收光谱的吸收强度，得到所述砷离子的浓度。

2.根据权利要求1所述的砷离子检测方法，其特征在于，混合的量子点的荧光光谱与特异性配体修饰的纳米金属颗粒的吸收光谱具有重叠区域。

3.根据权利要求1所述的砷离子检测方法，其特征在于，在上述步骤S4中，所述砷离子的浓度通过下式计算：

或

其中，为砷离子浓度，k为线性比例系数，A为所述紫外可见光吸收光谱的吸收强度，A0为所述特异性配体修饰的纳米金属颗粒未与所述待检测样品反应前，其紫外可见光吸收光谱的吸收强度，F为所述荧光光谱的荧光强度，F0为所述特异性配体修饰的纳米金属颗粒未与所述待检测样品反应前荧光光谱的光强。

4.根据权利要求1-3任一项所述的砷离子检测方法，其特征在于，所述纳米金属颗粒的尺寸为0.1-1000nm。

5.一种砷离子检测方法，其特征在于，包括：

S101，向特异性配体修饰的纳米金属颗粒溶液中加入待检测样品，测得所述特异性配体修饰的纳米金属颗粒的紫外可见光吸收光谱，其中，所述特异性配体为识别三价砷离子的特异性配体，为葡萄糖、聚乙二醇、二硫苏糖醇、柠檬酸、核酸适体、氨基酸、蛋白质中的至少一种，所述纳米金属颗粒包括纳米金、纳米银及其任意组合；

S102，向混合液加入量子点溶液后，检测混合液的荧光光谱，其中，所述量子点包括CdTe量子点、CdS量子点、CdSe/ZnS量子点、碳量子点、石墨烯量子点，或其任意组合；

S103，根据所述紫外可见光吸收光谱的吸收强度或所述荧光光谱的荧光强度，得到所述砷离子的浓度。

6.根据权利要求5所述的砷离子检测方法，其特征在于，所述量子点的荧光光谱与所述特异性配体修饰的纳米金属颗粒的吸收光谱具有重叠区域。

7.根据权利要求5所述的砷离子检测方法，其特征在于，所述特异性配体为识别三价砷离子的特异性配体。

8.根据权利要求5所述的砷离子检测方法，其特征在于，在上述步骤S103中，所述砷离子的浓度通过下式包括：

或

其中，为砷离子浓度，k为线性比例系数，A为所述紫外可见光吸收光谱的吸收强度，A0为所述特异性配体修饰的纳米金属颗粒未与所述待检测样品反应前，其紫外可见光吸收光谱的吸收强度，F为所述荧光光谱的荧光强度，F0为所述特异性配体修饰的纳米金属颗粒未与所述待检测样品反应前荧光光谱的光强。

Images