CN110940645B - 一种用于镉离子检测的便携式荧光传感平台及检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于镉离子检测的便携式荧光传感平台及检测方法。该平台以PDMS加工的微流控芯片为溶液腔，两侧的紫外LED激发溶液腔中的溶液，所产生的荧光被智能手机摄像头采集，最后确定荧光强度。检测方法为乙二胺四乙酸(EDTA)刻蚀的CdTe/CdS核壳量子点(QDs)的方法。通过添加EDTA蚀刻CdTe/CdS QDs的表面以产生特定的Cd2+识别位点，导致荧光猝灭；当加入Cd2+之后，Cd2+可以特异性识别这些刻蚀位点，导致荧光恢复。而荧光的恢复效率直接取决于添加的Cd2+的浓度，因此荧光强度也就反映了Cd2+的浓度，荧光强度可通过本发明的便携式平台检测。本发明具有检测迅速、检出限低等优点。
Description
技术领域
本发明涉及镉离子检测领域，尤其涉及一种用于镉离子检测的便携式荧光传感平台及检测方法。
背景技术
镉离子(Cd2+)是一种毒性较强的重金属离子，它容易在人体多种器官中富集，对人体的健康产生了直接的影响。目前传统的镉离子分析技术如原子吸收光谱、电感耦合等离子体质谱和电化学方法等具有体积大、成本高、操作复杂、耗时的局限性，使得其在现场检测的实际应用中受到限制。最近，许多研究人员使用智能手机作为各种分析方法的检测元件，因为它不仅具有便携、低成本的优点，而且具有数据存储、数据处理和数据共享能力。因此智能手机可与镉离子检测方法相结合构成新型的便携式镉离子荧光检测装置。目前为止尚未有结合智能手机的Cd2+现场测定的荧光传感平台及检测方法。因此迫切需要一种简单、快速、可靠和选择性高的便携式荧光传感平台和检测方法用于痕量Cd2+的现场检测。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种用于镉离子检测的便携式荧光传感平台及检测方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种用于镉离子检测的便携式荧光传感平台，该平台包括：平台机壳、智能手机、智能手机卡槽、智能手机摄像头、微距镜头、光学滤光片、微流控芯片、第一不锈钢管、第二不锈钢管、第一紫外LED、第二紫外LED、供电电路板、Micro-USB充电口、开关、注射泵、注射器、废液缸和微流控芯片卡槽；
所述便携式荧光传感平台具有供电电路板，供电电路板上具有Micro-USB充电口；平台机壳底部固定有微流控芯片卡槽，用于放置微流控芯片，微流控芯片两侧安装第一紫外LED和第二紫外LED，并由供电电路板供电，通过平台机壳侧面的开关控制紫外LED的开与关；微流控芯片由载玻片和PDMS加工的腔体构成，腔体两端插入第一不锈钢管和第二不锈钢管，第一不锈钢管连接注射泵上的注射器控制液体的输入，第二不锈钢管连接废液缸控制液体输出；平台机壳的上方具有智能手机卡槽，智能手机水平放置于智能手机卡槽中；平台机壳顶部上开有圆孔，所述圆孔在微流控芯片的腔体的正上方，圆孔下方依次粘贴微距镜头和光学滤光片；智能手机摄像头在圆孔正上方，通过该圆孔可对微流控芯片的PDMS加工的腔体中的样品进行图像采集。
进一步地，所述供电电路板由锂电池供电，锂电池输出电压为3.8V，供电电路板的输出电压为3.5V，为两个紫外LED供电，紫外LED的激发波长为365nm。
进一步地，PDMS加工的腔体的体积为75μL。
进一步地，平台机壳顶部的圆孔直径为10mm，微距镜头和光学滤光片的直径为25mm。光学滤光片为500nm长波通，可以滤除紫外激发光。
进一步地，机壳顶部圆孔、微距镜头和光学滤光片的中心共轴。
进一步地，所述供电电路板上连接有绿色指示灯和红色指示灯，通过平台机壳上的开口裸露在外，当通过Micro-USB充电口给电池充电时，绿色指示灯亮，当电池充满电时红色指示灯亮。
一种基于便携式荧光传感平台的镉离子荧光检测的方法，该方法包括以下步骤：
(1)镉离子检测溶液的配制：将4740μl 10mM pH＝8.5的Tris-HCl缓冲溶液，660μl的100μM EDTA和600μl 4μM的CdTe/CdS量子点QDs依次添加到10mL试管中，并将溶液混合均匀；将试管密封，并放置在黑色避光处于室温条件下反应10分钟得到EDTA-CdTe/CdS QDs混合溶液；
(2)Cd2+加标溶液配制：通过引入不同浓度水平的Cd2+制备所有样品，获取掺加不同浓度水平的Cd2+的加标样品；并用10mM pH＝8.5的Tris-HCl缓冲液调节加标样品溶液pH＝8.5；
(3)确定检测镉离子的最佳标定曲线：取500μl步骤(1)中准备好的EDTA-CdTe/CdSQDs溶液加入不同浓度水平等体积的Cd2+加标溶液中，并将上述溶液充分混合，黑色避光反应20分钟；将反应好的最终溶液依次抽取到一次性注射器中，并打开平台机壳侧面的开关；将一次性注射器放到注射泵上，一次性注射器通过接头连接到便携式荧光传感平台的注射口，便携式荧光传感平台的出口连接到废液缸中；通过智能手机对每个样品进行图像采集，采集完所有图像后，对每一幅采集的图像进行处理，样品图像的采集及处理过程包括以下子步骤：
(3.1)打开智能手机的摄像头，设置为专业拍照模式，设置手机摄像参数；
(3.2)启动注射泵，设置注射泵参数，当溶液注射进入便携式荧光传感平台的微流控芯片的腔体时，在上述摄像参数下使用智能手机进行图像采集，对于每个样品以一定的时间间隔连续采集n张照片。每个样品的图像采集完成之后。使用装有空气的注射器进行清洗；
(3.3)采集完所有样品的图像后，对每一幅采集的图像进行处理；具体为选取每张照片中腔体部分m*m个像素点的中心区域，选取RGB通道的G通道进行分析，对m*m个像素点的G值取均值得到荧光强度值Ig；基于上述处理过程，每个样品采集得到的n张图像经过分析，得到n个荧光强度Ig值，将n个荧光光强度Ig值取平均，得到
值；将各个样品分析得到的
值减去对照组Tris-HCl缓冲液对应的Ig-tris值之后得到值I，即
将未加入Cd2 +的EDTA-CdTe/CdS QDs溶液作为空白组通过计算得到的值记为I0；再以比值I/I0作为指标，绘出镉离子浓度与比值I/I0的曲线。然后，根据最小二乘法拟合曲线算法，拟合出镉离子浓度与比值I/I0的线性关系，得到镉离子浓度的最佳标定曲线；
(4)检测未知浓度水溶液中的镉离子浓度：将未知浓度的待测样品溶液用10mM pH＝8.5的Tris-HCl缓冲液调节溶液pH＝8.5后加入到EDTA-CdTe/CdS QDs溶液中，重复步骤(1)-步骤(3)，得到该待测样品溶液对应的荧光强度比值I/I0，带入步骤(3)得到的检测镉离子浓度的最佳标定曲线，计算出待测样品溶液的镉离子浓度。
本发明的有益效果是：本发明实现了镉离子浓度的现场快速监测，具有检测迅速、检出限低、操作简便和成本低廉等优点。本发明较现有的镉离子浓度检测方法上，克服现有方法无法现场快速便携监测的缺点。根据以上优点，本发明的装置及方法可广泛用于环境监测、食品安全及重金属检测等相关领域。
附图说明
图1是本发明用于镉离子检测的便携式荧光传感平台整体结构图；
图2是本发明微流控芯片模块局部结构图；
图3是本发明EDTA浓度与CdTe/CdS量子点荧光比率的变化图；
图4是本发明确定的镉离子的最佳标定曲线的结果图；
图5是本发明方法的流程图；
图中，1.平台机壳、2.智能手机、3.智能手机卡槽、4.智能手机摄像头、5.微距镜头、6.光学滤光片、7.微流控芯片、8.PDMS、9.腔体、10.载玻片、11.第一不锈钢管、12.第二不锈钢管、13.第一紫外LED、14.第二紫外LED、15.供电电路板、16.锂电池、17.Micro-USB充电口、18.绿色指示灯、19.红色指示灯、20.开关、21.注射泵、22.注射器、23.废液缸、24.微流控芯片卡槽。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述，但并不是限制本发明。
如图1和2所示，本发明提供了一种用于镉离子检测的便携式荧光传感平台，用于对荧光强度的便携式检测，该平台包括：平台机壳1、智能手机2、智能手机卡槽3、智能手机摄像头4、微距镜头5、光学滤光片6、微流控芯片7、PDMS8、腔体9、载玻片10、第一不锈钢管11和第二不锈钢管12、第一紫外LED13和第二紫外LED14、供电电路板15、锂电池16、Micro-USB充电口17、绿色指示灯18、红色指示灯19、开关20、注射泵21、注射器22、废液缸23和微流控芯片卡槽24；其中，供电电路板15固定在机壳1底部左侧，其上的Micro-USB充电口17通过机壳上的开口裸露在外，供电电路板15上连接两个指示灯：绿色指示灯18和红色指示灯19，通过机壳上的开口裸露在外，当通过Micro-USB充电口17给锂电池16充电时，绿色指示灯18亮，当电池充满电时红色指示灯19亮；机壳1底部右侧固定有微流控芯片卡槽24，微流控芯片7通过卡槽24放置，微流控芯片7两侧放置有两个紫外LED13和14，紫外LED的激发波长为365nm，由供电电路板15供电，供电电压为3.5V，并可以通过机壳1侧面的开关20控制开与关；微流控芯片7由载玻片10和PDMS8加工的腔体9构成，腔体的体积约为75μL，且PDMS8是良好的透光性材料；腔体9两端插入两根不锈钢管11和12，第一不锈钢管11连接注射泵21上的注射器22控制液体的输入，第二不锈钢管12连接废液缸23控制液体输出；机壳1的上方具有智能手机卡槽3，智能手机2水平放置与智能手机卡槽3中；机壳顶部上开有圆孔，所述圆孔在微流控芯片7的腔体9的正上方，圆孔下方依次粘贴微距镜头5和光学滤光片6，其中圆孔直径为10mm，微距镜头5和光学滤光片6的直径为25mm，而且机壳顶部圆孔、微距镜头5和光学滤光片6的中心共轴。微距镜头5可以有效缩短手机的成像距离，减小仪器尺寸。光学滤光片6为500nm长波通，可以滤除紫外激发光；智能手机摄像头4在圆孔正上方，通过该圆孔可对微流控芯片的腔体9中的样品进行图像采集。
如图5所示，一种基于智能手机的镉离子荧光检测的方法，该方法包括以下步骤：
(1)镉离子检测溶液的配制：将4740μl 10mM pH＝8.5的Tris-HCl(三羟甲基氨基甲烷-盐酸盐)缓冲溶液，660μl的100μM EDTA和600μl 4μM的CdTe/CdS量子点(QDs)依次添加到10mL试管中，并将溶液混合均匀。将试管密封，并放置在黑色避光处于室温条件下反应10分钟得到EDTA-CdTe/CdS QDs混合溶液；
(2)Cd2+加标溶液配制：通过引入不同浓度水平的Cd2+制备所有样品，获取掺加不同浓度水平的Cd2+的加标样品；并用10mM pH＝8.5的Tris-HCl缓冲液调节溶液pH＝8.5；
(3)确定检测镉离子的最佳标定曲线：取500μl上述准备好的EDTA-CdTe/CdS QDs溶液加入等体积的Cd2+加标溶液中，并将上述溶液充分混合，黑色避光反应20分钟。将反应好的最终溶液依次抽取到一次性注射器中，并打开机壳侧面的开关。将抽取了最终溶液的一次性注射器放到注射泵上，一次性注射器通过接头连接到便携式仪器的注射口，便携式仪器的出口连接到废液缸中。通过智能手机对每个样品进行图像采集，采集完所有图像后，对每一幅采集的图像进行处理。采集及处理过程包括以下子步骤：
(3.1)打开智能手机的摄像头，设置为专业拍照模式，手机摄像参数设置为：感光度ISO＝400，曝光时间S＝1.0s；
(3.2)启动注射泵，注射泵的注射速度参数设置为1000μL/min，当溶液注射进入便携式仪器的检测腔时，在上述摄像参数下使用智能手机进行图像采集，对于每个样品连续采集5张照片。每个样品之间需要使用装有空气的注射器进行清洗；
(3.3)采集完所有样品的图像后，对每一幅采集的图像进行处理；具体为选取每张照片中腔体部分m*m个像素点的中心区域，选取RGB通道的G通道进行分析，对m*m个像素点的G值取均值得到荧光强度值Ig；
基于上述处理过程，每个样品采集得到的5张图像经过分析，都会得到5个荧光强度Ig值，将5个荧光光强度Ig值取平均，得到
值。将各个样品分析得到的
值减去对照组Tris-HCl缓冲液对应的Ig-tris值之后得到值I，即
将空白组通过计算得到的值记为I0；再以比值I/I0作为指标，绘出镉离子浓度与比值I/I0的曲线。然后，根据最小二乘法拟合曲线算法，拟合出镉离子浓度与比值I/I0的线性关系，得到镉离子浓度的最佳标定曲线；
(4)检测未知浓度水溶液中的镉离子浓度：将未知浓度的待测样品溶液用10mM pH＝8.5的Tris-HCl缓冲液调节溶液pH＝8.5后，加入到EDTA-CdTe/CdS QDs溶液中，重复步骤(1)-步骤(3)，得到该待测样品溶液对应的荧光强度比值I/I0，带入步骤(3)得到的检测镉离子浓度的最佳标定曲线，计算出待测样品溶液的镉离子浓度。
图3是本发明EDTA浓度与CdTe/CdS量子点荧光比率的变化图，从图中可以看出，加入的EDTA引起CdTe/CdS QDs荧光的显著猝灭，使其处于关闭状态。随着EDTA浓度的增加，CdTe/CdS量子点的荧光强度比值逐渐减小。这是由于EDTA的化学蚀刻，导致CdTe/CdS QDs表面缺陷的产生以及周围Cd-硫醇络合物的缺失，而当加入镉离子之后荧光又可以恢复。因此可以利用这种方法检测镉离子的浓度。图4为本发明确定的镉离子的最佳标定曲线的结果图，从图中可以看出基于本发明便携式荧光检测平台的镉离子检测方法对镉离子浓度响应具有良好的线性相关性。最佳标定曲线公式为I/I0＝0.0129CCd 2++1.26，I/I0为荧光强度比值，CCd 2+为待测样品镉离子浓度。实验结果证明本发明方法能够准确检测待测样品中的镉离子浓度。
本技术领域的人员根据本发明所提供的文字描述、附图以及权利要求书能够很容易在不脱离权力要求书所限定的本发明的思想和范围条件下，可以做出多种变化和改动。凡是依据本发明的技术思想和实质对上述实施例进行的任何修改、等同变化，均属于本发明的权利要求所限定的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于便携式荧光传感平台的镉离子荧光检测的方法，其特征在于，该方法通过便携式荧光传感平台实现，该平台包括：平台机壳、智能手机、智能手机卡槽、智能手机摄像头、微距镜头、光学滤光片、微流控芯片、第一不锈钢管、第二不锈钢管、第一紫外LED、第二紫外LED、供电电路板、Micro-USB充电口、开关、注射泵、注射器、废液缸和微流控芯片卡槽；
所述便携式荧光传感平台具有供电电路板，供电电路板上具有Micro-USB充电口；平台机壳底部固定有微流控芯片卡槽，用于放置微流控芯片，微流控芯片两侧安装第一紫外LED和第二紫外LED，并由供电电路板供电，通过平台机壳侧面的开关控制紫外LED的开与关；微流控芯片由载玻片和PDMS加工的腔体构成，腔体两端插入第一不锈钢管和第二不锈钢管，第一不锈钢管连接注射泵上的注射器控制液体的输入，第二不锈钢管连接废液缸控制液体输出；平台机壳的上方具有智能手机卡槽，智能手机水平放置于智能手机卡槽中；平台机壳顶部上开有圆孔，所述圆孔在微流控芯片的腔体的正上方，圆孔下方依次粘贴微距镜头和光学滤光片；智能手机摄像头在圆孔正上方，通过该圆孔可对微流控芯片的PDMS加工的腔体中的样品进行图像采集；
镉离子荧光检测方法包括以下步骤：
（1）镉离子检测溶液的配制：将4740μl 10mM pH=8.5的Tris-HCl缓冲溶液，660μl的100µM EDTA和600μl 4µM的CdTe/CdS量子点QDs依次添加到10mL试管中，并将溶液混合均匀；将试管密封，并放置在黑色避光处于室温条件下反应10分钟得到EDTA-CdTe/CdS QDs混合溶液；
（2）Cd2+加标溶液配制：通过引入不同浓度水平的Cd2+制备所有样品，获取掺加不同浓度水平的Cd2+的加标样品；并用10mM pH=8.5的Tris-HCl缓冲液调节加标样品溶液pH=8.5；
（3）确定检测镉离子的最佳标定曲线：取500μl步骤（1）中准备好的EDTA-CdTe/CdS QDs溶液加入不同浓度水平等体积的 Cd2+加标溶液中，并将上述溶液充分混合，黑色避光反应20分钟；将反应好的最终溶液依次抽取到一次性注射器中，并打开平台机壳侧面的开关；将一次性注射器放到注射泵上，一次性注射器通过接头连接到便携式荧光传感平台的注射口，便携式荧光传感平台的出口连接到废液缸中；通过智能手机对每个样品进行图像采集，采集完所有图像后，对每一幅采集的图像进行处理，样品图像的采集及处理过程包括以下子步骤：
（3.1）打开智能手机的摄像头，设置为专业拍照模式，设置手机摄像参数；
（3.2）启动注射泵，设置注射泵参数，当溶液注射进入便携式荧光传感平台的微流控芯片的腔体时，在上述摄像参数下使用智能手机进行图像采集，对于每个样品以一定的时间间隔连续采集n张照片；每个样品的图像采集完成之后；使用装有空气的注射器进行清洗；
（3.3）采集完所有样品的图像后，对每一幅采集的图像进行处理；具体为选取每张照片
中腔体部分m*m个像素点的中心区域，选取RGB通道的G通道进行分析，对m*m个像素点的G值
取均值得到荧光强度值Ig；基于上述处理过程，每个样品采集得到的n张图像经过分析，得
到n个荧光强度Ig值，将n个荧光光强度Ig值取平均，得到
值；将各个样品分析得到的
值
减去对照组Tris-HCl缓冲液对应的Ig-tris值之后得到值I，即I=
-Ig-tris，将未加入Cd2+的
EDTA-CdTe/CdS QDs溶液作为空白组通过计算得到的值记为I0；再以比值I/I0作为指标，绘
出镉离子浓度与比值I/I0的曲线；然后，根据最小二乘法拟合曲线算法，拟合出镉离子浓度
与比值I/I0的线性关系，得到镉离子浓度的最佳标定曲线；
（4）检测未知浓度水溶液中的镉离子浓度：将未知浓度的待测样品溶液用10mM pH=8.5的Tris-HCl缓冲液调节溶液pH=8.5后加入到EDTA-CdTe/CdS QDs溶液中，重复步骤（1）-步骤（3），得到该待测样品溶液对应的荧光强度比值I/I0，带入步骤（3）得到的检测镉离子浓度的最佳标定曲线，计算出待测样品溶液的镉离子浓度。
2.根据权利要求1所述的一种基于便携式荧光传感平台的镉离子荧光检测的方法，其特征在于，所述供电电路板由锂电池供电，锂电池输出电压为3.8V，供电电路板的输出电压为3.5V，为两个紫外LED供电，紫外LED的激发波长为365nm。
3.根据权利要求1所述的一种基于便携式荧光传感平台的镉离子荧光检测的方法，其特征在于，PDMS加工的腔体的体积为75µL。
4.根据权利要求1所述的一种基于便携式荧光传感平台的镉离子荧光检测的方法，其特征在于，平台机壳顶部的圆孔直径为10mm，微距镜头和光学滤光片的直径为25mm；光学滤光片为500nm长波通，可以滤除紫外激发光。
5.根据权利要求1所述的一种基于便携式荧光传感平台的镉离子荧光检测的方法，其特征在于，机壳顶部圆孔、微距镜头和光学滤光片的中心共轴。
6.根据权利要求2所述的一种基于便携式荧光传感平台的镉离子荧光检测的方法，其特征在于，所述供电电路板上连接有绿色指示灯和红色指示灯，通过平台机壳上的开口裸露在外，当通过Micro-USB充电口给电池充电时，绿色指示灯亮，当电池充满电时红色指示灯亮。
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