CN110186902A - 一种检测汞离子的表面增强拉曼传感器 - Google Patents

一种检测汞离子的表面增强拉曼传感器 Download PDF

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Abstract

本发明属于重金属检测领域,具体涉及一种检测汞离子的表面增强拉曼传感器。本发明通过制备Au@Ag@Fe3O4@RGO磁性复合材料,在Au@Ag@Fe3O4@RGO磁性复合材料表面修饰TAMRA‑DNA‑SH探针构建一种检测汞离子的SERS传感器,加入汞离子后,DNA碱基序列中胸腺嘧啶(T)与汞离子作用,生成T‑Hg2+‑T结构,使得原本直链状态的DNA弯曲成为茎环结构,这种构象使得拉曼探针分子TAMRA与Au@Ag颗粒之间的间距缩短,产生较大的SERS增强效应,获得较强的拉曼信号,从而实现对汞离子的高灵敏度检测。

Description

一种检测汞离子的表面增强拉曼传感器
技术领域
本发明属于重金属检测领域,具体涉及一种检测汞离子的表面增强拉曼传感器。
背景技术
汞俗称水银,是唯一一种在正常状态下呈液态的金属。它的毒性很大,可以通过呼吸道进入体内,进而通过血液传播全身。汞的应用非常广泛,在工业中如化工以及电子行业中应用较广,日常生活中我们见到的汞一般是应用存在于温度计中。在西方,汞最早被用来提取白银,后来,汞被大量应用于提取金矿中的黄金。
随着经济的发展,重金属污染已经成为一个严重的环境问题,特别是汞离子等重金属污染物严重破坏了生态环境并危害着人类健康。美国环境保护署规定的饮用水中汞离子的最大残留量为10nM。目前,常用的汞离子检测方法有很多,如共振散射光谱分析仪,酶联免疫吸附试验,原子吸收光谱分析,荧光分析和比色法分析等。这些方法对汞离子的最低检测限可达nM水平。众所周知,汞离子会通过食物链进入人体消化系统,并在人体内富集,即使微量的汞离子也会严重危害人体健康。因此,对汞离子实现更高灵敏度的检测仍然具有重要意义。
近几年,随着纳米技术的发展,涌现出许多高灵敏检测方法,特别是表面增强拉曼光谱,检测灵敏度可达单分子检测水平。表面增强拉曼散射(Surface-enhanced Ramanscattering, SERS),是指当一些分子吸附在金(Au)、银(Ag)等贵金属粗糙表面时,分子的拉曼散射强度被放大的现象。它具有以下优点:(1)灵敏度高:SERS增强因子可达1014~1015,有利于实现对超低浓度甚至单分子水平的待测物水平分析检测。目前已报道的SERS传感器可以实现对fM级别的DNA的定量分析检测。(2)特异性强:每种分子都有与之匹配的特征拉曼光谱,即便是具有相同分子组成的同分异构体,在拉曼光谱中也能找到两者的区别。(3)多元分析:拉曼光谱的半宽峰通常很窄,约20nm,远低于荧光光谱的半峰宽(100~200nm),有利于实现多元分析检测。(4)检测条件相对简单:检测几乎不受外界环境的干扰且待测物不需要进行复杂的预处理。
磁性纳米颗粒是一类纳米级尺寸的磁性材料,在外部恒定磁场的作用下能够发生定向位移和富集。磁性纳米颗粒经过修饰之后与待检测物实现特异性结合,在外部磁场作用下可以对低浓度的待检测物进行富集检测进而获得更灵敏的检测结果。因而,已经被广泛用于分离提纯以及生物检测方面。本发明通过在Au@Ag@Fe3O4@RGO磁性复合材料表面修饰TAMRA-DNA-SH探针构建一种检测汞离子的表面增强拉曼传感器,实现对汞离子的高灵敏度检测。
发明内容
为了克服上述缺点,本发明制备一种检测汞离子的表面增强拉曼传感器。本发明首先制备Au@ Ag纳米颗粒,再将TAMRA-DNA-SH探针通过金-硫键或者银-硫键修饰到Au@Ag颗粒表面,得到检测汞离子的表面增强拉曼传感器,该传感器能够高选择性的与Hg2+发生反应。
首先,Au@Ag@Fe3O4@RGO磁性复合材料,其制备方法如下:
取1-10 mL 5mmol/L新配置的柠檬酸钠溶液,与1mL的1mmol/L氯金酸溶液混合均匀,在70℃条件下搅拌10分钟,得到纳米金颗粒,再加入1-10 mL 5mmol/L新配置的柠檬酸钠溶液,搅拌均匀后,加入2 mL1mmol/L硝酸银溶液,边加热边搅拌,20分钟后,停止反应。自然冷却后,得到Au@Ag的溶液,置于4℃保存备用。
将一定量的FeCl3·6H2O 加入到装有50mL聚乙二醇(PEG)的圆底烧瓶中,进行超声分散,待固体完全溶解后,向该圆底烧瓶中依次加入0.1g氧化石墨稀和0.1g醋酸钠,超声分散均匀,静置过夜。将烧瓶中的溶液进行过滤,用二次水对过滤所得产物洗涤3次,室温条件下真空干燥。得到磁性材料Fe3O4@RGO。将Fe3O4@RGO加入到所制备的Au@Ag的溶液中,室温条件下磁力搅拌4h均匀后,将所得溶液进行过滤,用二次水对过滤所得产物洗涤3次,真空干燥得到Au@Ag@Fe3O4@RGO磁性复合材料。
其次,构建一种检测汞离子的表面增强拉曼传感器,其方法如下:
将10μL 5-10μM单链 DNA 探针 TAMRA-DNA-SH 加入到 100μL PBS溶液中(10 mmol/L,pH = 7.0),超声混合均匀,得到混合溶液。将Au@Ag@ Fe3O4@RGO磁性复合材料加入到所述混合溶液中,放置于恒温震荡仪,25℃条件下反应过夜。将单链DNA探针通过共价键 Au-S和Ag-S连接到Au@Ag@Fe3O4@RGO磁性复合材料上,得到一种检测汞离子的SERS传感器。
单链 DNA 探针 TAMRA-DNA-SH序列为
TAMRA -5’-TTCTTTCTTCCCCTTGTTTGTT-3’-SH。
再次,将一种检测汞离子的表面增强拉曼传感器检测汞离子,其方法如下:
将汞离子的标准溶液进行梯度稀释,得到浓度分别为10-13M,10-12M,10-11M,10-10M,10- 9M,10-8M,10-7M,10-6M,10-5M,10-4M,10-3M,10-2M,10-1M和1M的汞离子溶液。取1 μL SERS传感器与不同浓度的汞离子溶液混合,室温下孵育10min,用外加磁场对磁性颗粒进行收集,使用拉曼光谱仪进行信号采集,得到SERS谱图,每个样品平行测定3次。
本发明的有益结果在于:
(1) 本发明所制备的表面增强拉曼传感器能够对水环境中的汞离子实现快速、高灵敏、特异性检测,检测限为7×10-14M。
(2) 本发明所制备的表面增强拉曼传感器检测结果稳定,不同批次制备的拉曼传感器,对汞离子的检测的误差也相对很小。
(3) 本发明所制备的表面增强拉曼传感器对于汞离子的检测,不需要复杂的前处理步骤,操作简单。
附图说明
图1为本发明所制备的一种检测汞离子的表面增强拉曼传感器检测原理示意图。
图2为本发明所制备的一种检测汞离子的表面增强拉曼传感器检测汞离子的标准曲线。
图3为本发明所制备的一种检测汞离子的表面增强拉曼传感器选择性结果示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例,都属于本发明保护的范围。
实施例1
制备Au@Ag@Fe3O4@RGO磁性复合材料,其方法如下:
取2 mL 5mmol/L 新配置的柠檬酸钠溶液,与1mL的 1mmol/L 氯金酸溶液混合均匀,在70℃条件下搅拌10分钟,得到纳米金颗粒,再加入3 mL 5mmol/L新配置的柠檬酸钠溶液,搅拌均匀后,加入2 mL1mmol/L硝酸银溶液,边加热边搅拌,20分钟后,停止反应。自然冷却后,得到Au@Ag的溶液,置于4℃保存备用。
将 0.5g FeCl3·6H2O 加入到装有50mL聚乙二醇(PEG)的圆底烧瓶中,进行超声分散,待固体完全溶解后,向该圆底烧瓶中依次加入0.1g氧化石墨稀和0.1g醋酸钠,超声分散均匀,静置过夜。将烧瓶中的溶液进行过滤,用二次水对过滤所得产物洗涤3次,室温条件下真空干燥。得到磁性材料Fe3O4@RGO。将Fe3O4@RGO加入到所制备的Au@Ag的溶液中,室温条件下磁力搅拌4h均匀后,将所得溶液进行过滤,用二次水对过滤所得产物洗涤3次,真空干燥得到Au@Ag@Fe3O4@RGO磁性复合材料。
实施例2
构建一种检测汞离子的表面增强拉曼传感器,其方法如下:
将10μM单链 DNA 探针 TAMRA-DNA-SH 加入到 100μL PBS溶液中(10 mmol/L,pH =7.0),超声混合均匀,得到混合溶液。将Au@Ag@Fe3O4@RGO磁性复合材料加入到所述混合溶液中,放置于恒温震荡仪,25℃条件下反应过夜。将单链DNA 探针通过共价键 Au-S 和Ag-S连接到Au@Ag@Fe3O4@RGO磁性复合材料上,得到一种检测汞离子的SERS传感器。
单链 DNA 探针 TAMRA-DNA-SH序列为
TAMRA -5’ -TTCTTTCTTCCCCTTGTTTGTT-3’-SH。
实施例3
将一种检测汞离子的表面增强拉曼传感器用于检测汞离子,检测方法为:将汞离子的标准溶液进行梯度稀释,得到浓度分别为10-13M,10-12M,10-11M,10-10M,10-9M,10-8M,10-7M,10-6M,10-5M,10-4M,10-3M,10-2M,10-1M和1M的汞离子溶液。取1μL所述传感器与不同浓度的汞离子溶液混合,室温下孵育10min,用外加磁场对磁性颗粒进行收集,使用拉曼光谱仪进行信号采集,得到SERS谱图,每个样品平行测定3次。
检测原理如图1所示:先在Au@Ag@Fe3O4@RGO磁性复合材料表面上修饰能够特异性检测汞离子的单链 DNA(TAMRA-DNA-SH)结构,此单链 DNA 的两端分别修饰了巯基(SH)和TAMRA拉曼探针分子,通过生成 Au-S和Ag-S共价键连接在Au@Ag@ Fe3O4@RGO表面上。在没有汞离子存在的情况下,DNA呈现直链状态,TAMRA拉曼探针分子和Au@Ag表面的距离相对较远,因此其 SERS 增强效应较小,检测得到的拉曼信号较弱。然而,在加入汞离子后,DNA 碱基序列中胸腺嘧啶(T)将与汞离子作用,生成T-Hg2+-T结构,使得原本直链状态的DNA弯曲成为茎环结构,这种构象使得 TAMRA与Au@Ag颗粒之间的间距缩短,产生较大的SERS增强效应,获得较强的拉曼信号。
当汞离子的浓度在10-13M~10-8M范围内,拉曼强度与汞离子的浓度成良好的线性关系,如图2所示,线性方程为:Y= 850LogC +11762.9(R2=0.996)。其中,Y代表检测不同浓度汞离子时,拉曼光谱在1651cm-1处的强度值;C代表汞离子的浓度;该传感器的检出限为7×10-14M。另外,将不同批次制备的拉曼传感器置于汞离子溶液(10-10M)中进行5次平行测定,2.9%的较低标准差说明所发明的拉曼传感器具有良好的重现性。
实施例4
特异性检测
为了验证该传感器对汞离子检测的特异性,本发明选取了其它几种干扰金属离子进行了对照实验,选用的干扰离子包括 Cu2+、Co2+、Cd2+、Ca2+、Zn2+、Ni2+、Mn2+、Mg2+、Fe2+和Ba2+
只有加入的溶液是汞离子溶液时,拉曼仪器才能检测到明显的拉曼信号。其它离子加入时,拉曼仪器都不能检测到明显的拉曼信号。从而证明了这种以Au@Ag@Fe3O4@RGO为基底的SERS传感器对汞离子具有高度特异性。图3是检测得到的拉曼信号强度的柱状图(其中,A-K分别为Cu2+、Co2+、Cd2+、Ca2+、Zn2+、Ni2+、Mn2+、Mg2+、Fe2+、Ba2+和Hg2+),可以发现,在检测干扰离子溶液时,检测到的拉曼信号强度在100左右。而在检测汞离子溶液时,检测到的拉曼信号强度在4500左右,证明了传感器只对汞离子有特异性响应。

Claims (4)

1. Au@Ag@Fe3O4@RGO磁性复合材料,其特征在于,其制备方法如下:
取1-10 mL 5mmol/L新配置的柠檬酸钠溶液,与1mL的1mmol/L氯金酸溶液混合均匀,在70℃条件下搅拌10分钟,得到纳米金颗粒,再加入1-10 mL 5mmol/L新配置的柠檬酸钠溶液,搅拌均匀后,加入2 mL1mmol/L硝酸银溶液,边加热边搅拌,20分钟后,停止反应;
自然冷却后,得到Au@Ag的溶液,置于4℃保存备用;
将一定量的FeCl3·6H2O加入到装有50mL聚乙二醇(PEG)的圆底烧瓶中,进行超声分散,待固体完全溶解后,向该圆底烧瓶中依次加入0.1g氧化石墨稀和0.1g醋酸钠,超声分散均匀,静置过夜;
将烧瓶中的溶液进行过滤,用二次水对过滤所得产物洗涤3次,室温条件下真空干燥,得到磁性材料Fe3O4@RGO;将Fe3O4@RGO加入到所制备的Au@Ag的溶液中,室温条件下磁力搅拌4h均匀后,将所得溶液进行过滤,用二次水对过滤所得产物洗涤3次,真空干燥得到Au@Ag@Fe3O4@RGO磁性复合材料。
2.构建一种检测汞离子的表面增强拉曼传感器,其特征在于,其方法如下:
将10μL 5-10μM单链 DNA探针TAMRA-DNA-SH加入到 100μL PBS溶液中(10 mmol/L,pH=7.0),超声混合均匀,得到混合溶液;将Au@Ag@Fe3O4@RGO磁性复合材料加入到所述混合溶液中,放置于恒温震荡仪,25℃条件下反应过夜;将单链DNA 探针通过共价键 Au-S和Ag-S连接到Au@Ag@Fe3O4@RGO磁性复合材料上,得到一种检测汞离子的SERS传感器;
所述单链 DNA 探针 TAMRA-DNA-SH序列为
TAMRA-5’-TTCTTTCTTCCCCTTGTTTGTT-3’-SH。
3.一种检测汞离子的表面增强拉曼传感器检测汞离子的方法,其特征在于,其方法如下:
将汞离子的标准溶液进行梯度稀释,得到浓度分别为10-13M,10-12M,10-11M,10-10M,10- 9M,10-8M,10-7M,10-6M,10-5M,10-4M,10-3M,10-2M,10-1M和1M的汞离子溶液;
取1 μL 所述传感器与不同浓度的汞离子溶液混合,室温下孵育10min,用外加磁场对磁性颗粒进行收集,使用拉曼光谱仪进行信号采集,得到SERS谱图,每个样品平行测定3次。
4.一种检测汞离子的表面增强拉曼传感器是用于检测汞离子的。
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