CN111189821B - 一种负载金纳米粒子的铜离子比色检测试纸 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种负载金纳米粒子的铜离子比色检测试纸，属于分析化学技术领域。所述试纸上负载金纳米粒子；所述试纸为T形试纸；所述试纸上负载金纳米粒子是指在经PVP溶液润湿后的试纸的检测区域滴加AuNPs溶液。本发明将试纸与金纳米粒子比色检测Cu2+的方法相结合，实现Cu2+的快速检测，20min即可完成检测；构建了一种快速、简单和便携性好的比色检测Cu2+的试纸；可直接通过肉眼识别颜色变化实现Cu2+的定性和半定量检测，肉眼可识别出最低检测限的浓度为50nmol/L。
Description
技术领域
本发明涉及一种负载金纳米粒子的铜离子比色检测试纸，属于分析化学技术领域。
背景技术
铜是人体必须的微量元素，广泛分布于生物组织中，当人体内铜的含量低于正常含量时，会影响人体内氧化还原反应速率、酶的转录等重要代谢过程；但当人体内铜含量过量，它可以促进生物体内过量的活性氧产生，导致细胞损伤或者诱导细胞凋亡，短期来说引发胃肠道紊乱，长期下来会损伤肝脏和肾脏。此外，铜也是环境中常见的重金属污染物之一。因此，建立高效灵敏、操作简便的铜离子检测方法至关重要。目前应用于铜离子检测的方法主要有原子光谱吸收法、共振散射光谱法、电感耦合等离子体质谱法等。
近年来，金纳米(AuNPs)由于其独特的光学和电学特性，被广泛应用于检测方法的建立。AuNPs具有较强的表面等离子体共振吸收能力和较高的消光系数。由于分散的AuNPs和聚集的AuNPs表面等离子体共振吸收的差异，AuNPs溶液由红色变成紫色。基于AuNPs的诱导聚集建立的比色检测方法被广泛应用于检测核酸，蛋白，重金属等。
试纸是以纸为基底的分析装置，将实验检测过程集中到一张微小的纸片上。试纸以其成本低，便携性高，易于制造和使用等优点，被广泛应用于医疗诊断、环境监测、食品质量检测等方面。在试纸检测方法中，最常用的检测方法是比色法，可以通过肉眼识别、拍照记录等来比较反应后的颜色变化和强度，实现的定性或定量分析。由于试纸检测的便捷性，在试纸上实现金纳米粒子比色传感，具有广泛的应用前景。
发明内容
本发明的主要目的在于将基于金纳米粒子比色检测铜离子的方法与试纸相结合，构建出一种能简单快速的比色检测Cu2+的试纸。本发明基于如下铜离子比色传感检测原理：L-半胱氨酸可以与AuNPs表面通过Au-S键相连接，导致AuNPs聚集。当铜离子存在时，可以催化O2氧化L-半胱氨酸生成二硫化胱氨酸，减少游离的巯基，从而阻止由L-半胱氨酸所诱导的AuNPs聚集。在滤纸上，通过采用特殊的结构和试纸的处理，将在试纸上实现比色传感。该发明可以用于湖水中Cu2+的快速检测。
本发明的第一个目的是提供一种比色检测试纸，所述试纸上负载金纳米粒子；所述试纸形状为T形；所述试纸上负载金纳米粒子是指在经PVP溶液润湿后的试纸的检测区域滴加AuNPs溶液。
本发明的第二个目的是提供一种比色检测试纸的制备方法，所述方法包括以下步骤：
(1)试纸的预处理：将滤纸切割成T形，将切割好的试纸进行洗涤、干燥，获得待用的试纸；
(2)比色检测试纸的制备：在待用的试纸上滴加PVP溶液将试纸润湿，在试纸的检测区域滴加AuNPs，干燥即可得到负载金纳米粒子的比色检测试纸。
在本发明的一种实施方式中，所述T形试纸的头部为样品溶液滴加区域，中间身部为滴加AuNPs溶液区域；中间身部的长度小于头部长度。
在本发明的一种实施方式中，所述T形中间身部为正方形，所述T形头部的长、宽比为(2-4)：1。
在本发明的一种实施方式中，所述T形头部的尺寸为(10-20)mm×5mm，T形中间身部尺寸为(5-9)mm×(5-9)mm。
在本发明的一种实施方式中，所述PVP溶液浓度为0.1％～2％(m/m)；PVP溶液滴加量为5-15μL。
在本发明的一种实施方式中，AuNPs溶液的浓度为0.6～4.8nmol/L，AuNPs溶液滴加量为2-5μL。
在本发明的一种实施方式中，所述AuNPs的粒径为13～40nm，优选地，粒径为17～23nm。
在本发明的一种实施方式中，所述方法具体包括以下步骤：
(1)使用激光雕刻机切割Whatman 1号定性滤纸，将切好的滤纸在超纯水中浸泡后，再在无水乙醇中浸泡，在烘箱中烘干；
(2)滴加PVP溶液将试纸润湿，在试纸的检测区域滴加AuNPs，室温下放置至完全干燥；所述PVP溶液的浓度(m/m)为0.1％～2％，AuNPs的粒径为17～23nm，AuNPs分散液的浓度为0.6～4.8nmol/L。
本发明的第三个目的是提供一种上述比色检测试纸在检测金属离子方面的应用。
本发明的第四个目的是提供一种快速检测铜离子的方法，所述方法是采用上述比色检测试纸进行检测，将待测溶液滴加到试纸的样品溶液滴加区域，反应15-20min，通过肉眼直接识别颜色变化完成检测。
在本发明的一种实施方式中，所述方法可用于湖水样品中Cu2+的检测。
本发明的有益效果：
(1)本发明将试纸与金纳米粒子比色检测Cu2+的方法相结合，实现Cu2+的快速检测，20min即可完成检测；构建了一种快速、简单和便携性好的比色检测Cu2+的试纸。
(2)本发明可直接通过肉眼识别颜色变化实现Cu2+的定性和半定量检测，肉眼可识别出最低检测限的浓度为50nmol/L。
附图说明
图1是试纸的设计图案；
图2是基于金纳米粒子比色检测铜离子的原理图；
图3为不同润湿液处理得到的试纸；
图4为不同试纸形状对检测结果的影响；
图5为不同粒径的AuNPs对检测结果的影响；
图6为样品的检测结果。
具体实施方式
以下对本发明的优选实施例进行说明，应当理解实施例是为了更好地解释本发明，不用于限制本发明。
实施例1：一种负载金纳米粒子的铜离子比色检测试纸
一种负载金纳米粒子的铜离子比色检测的试纸，包括如下步骤：
(1)T形试纸的制备
首先用软件CorelDRAW制作出图形(如图1所示)，然后用激光雕刻机按照图形切割Whatman 1号定性滤纸。将切割好的纸片在超纯水中浸泡12h，再在无水乙醇中浸泡1h后捞出，于37℃烘箱中烘干，获得待用的试纸。
(2)金纳米粒子的制备
将45mL超纯水和5mL HAuCl4(4g/L)溶液加入到锥形瓶中，于磁力搅拌器上搅拌至沸腾，然后将5mL的柠檬酸钠溶液(38.8mM)一次性快速的加入锥形瓶中，继续加热搅拌，观察溶液颜色变为酒红色后，继续加热10min，室温冷却，加入2ml 1％的吐温80，于4℃储藏备用。
(3)负载金纳米粒子的铜离子比色检测的试纸的制备
滴加10μL PVP溶液将试纸润湿，在试纸的检测区域滴加3μL AuNPs，室温下放置至完全干燥得到负载金纳米粒子的铜离子比色检测的试纸，其中，PVP(Mw 10000)溶液的浓度(m/m)为1％，AuNPs的粒径为20nm，AuNPs分散液的浓度为2.4nmol/L。
实施例2：滤纸的预处理的优化
参照实施例1的方法制备试纸，区别仅在于，分别采用超纯水和1％PEG(Mw2000)溶液润湿试纸。具体操作：取洗涤后干燥的试纸，取10μL溶液润湿试纸后再在试纸的检测区域滴加3μL AuNPs(2.4nmol/L)溶液，润湿液分别为超纯水和1％PEG(Mw2000)溶液和1％PVP(Mw 10000)溶液，然后室温下放置至完全干燥；所述洗涤分别为水洗涤以及水和醇洗涤，润湿结果见图3。
由图3可知，只用水洗后的滤纸，滴加的AuNPs容易在滤纸上聚集，醇洗后可降低AuNPs的聚集；将试纸润湿，可降低滤纸的毛细管运输作用，使AuNPs可以在试纸上均匀分布。但是，采用水或PEG润湿，AuNPs易扩散到加样区域；而采用PVP溶液润湿纸片后，AuNPs可较均匀地分布在检测区域。
实施例3：试纸条形状的选择
参照实施例1的方法制备试纸，区别仅在于，改变步骤(1)中试纸条形状。具体操作：切割不同形状的试纸，水洗和醇洗后干燥，滴加1％PVP溶液润湿试纸后，滴加3μL AuNPs(2.4nmol/L)，室温下放置至干燥。滴加15μL Tris-HCl(50mmol/L，pH 7.4)缓冲溶液，观察滴加溶液对检测区域AuNPs的影响，结果见图4。
根据图4可知，使用正方形纸片进行检测时，加入缓冲液可导致沉积在检测区域的AuNPs向边缘流动，形成一个“圆环”，显色结果不均匀。使用T形的试纸，其划分为检测区和加样区，缓冲液在加样区流动时，其扩散流向检测区域较缓慢，对沉积在检测区域的AuNPs扰动较小。其它各种常见形状，也存在加样液扰动明显的问题。
实施例4：金纳米粒子的粒径优化
参照实施例1的方法制备试纸，区别仅在于，选取不同粒径大小的AuNPs进行检测，具体操作：将T型试纸水洗和醇洗后干燥，滴加1％PVP溶液润湿试纸，分别滴加3μL不同粒径大小的AuNPs，AuNPs的粒径范围为13～40nm，室温下放置至完全干燥。用Tris-HCl(50mmol/L，pH 7.4)缓冲溶液配置一定浓度的Cu2+溶液和L-半胱氨酸溶液，再从试纸的加样区域分别滴加15μL L-半胱氨酸溶液和L-半胱氨酸和Cu2+的混合溶液，L-半胱氨酸的浓度为20μmol/L，Cu2+的浓度为500nmol/L，室温下反应20min，结果见图5。通过肉眼直接识别颜色变化完成定性检测。结果显示，在上述试纸及预处理条件下，20nmAuNPs对铜离子的显色更均匀。这是因为上述试纸预处理条件更合适20nmAuNPs的显色。
实施例5：试纸条的检测灵敏度
检测实施例1制备得到的试纸的灵敏度：配置一系列不同浓度的Cu2+标准溶液，浓度范围为0～1μM。将Cu2+标准溶液与40μM的L-半胱氨酸溶液按照体积比1:1的比例混合。再从实施例1制备的试纸右加样区域滴加15μL上述混合溶液，室温下反应20min，检测结果见图6。通过肉眼直接识别颜色变化完成定性检测，肉眼可识别出最低Cu2+的浓度是50nmol/L，即检测限。
实施例6：应用试纸检测湖水中的Cu2+
样品预处理：收集实验室蠡湖湖水进行添加回收实验，在湖水样品中添加不同浓度的Cu2+；用0.22μm的微孔膜过滤两遍即得到用于检测的加标湖水。将处理好的水样取15μL滴加到实施例1制备得到的试纸的右加样区域，反应20min进行检测，检测结果见图6。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。
Claims (13)
1.一种能快速检测Cu2+的比色检测试纸，其特征在于，所述试纸上负载金纳米粒子；所述试纸为T形试纸；所述试纸上负载金纳米粒子是指在经PVP溶液润湿后的试纸的检测区域滴加AuNPs溶液；所述T形试纸的头部为样品溶液滴加区域，中间身部为滴加AuNPs溶液区域；中间身部的长度小于头部长度。
2.根据权利要求1所述的比色检测试纸，其特征在于，所述T形中间身部为正方形，所述T形头部的长、宽比为（2-4）：1。
3.根据权利要求1所述的比色检测试纸，其特征在于，所述PVP溶液浓度为0.1%~2%。
4.根据权利要求1所述的比色检测试纸，其特征在于， AuNPs溶液的浓度为0.6~4.8nmol/L。
5.根据权利要求4所述的比色检测试纸，其特征在于，所述AuNPs的粒径为13~40nm。
6.一种权利要求1-5任一所述的比色检测试纸在检测金属离子方面的应用。
7.一种快速检测铜离子的方法，所述方法是采用权利要求1-5任一所述的比色检测试纸进行检测，将待测溶液滴加到试纸的样品溶液滴加区域，反应15-20min，通过肉眼直接识别颜色变化完成检测。
8.权利要求7所述的方法在检测湖水样品中Cu2+的应用。
9.权利要求1所述的比色检测试纸的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
（1）试纸的预处理：将滤纸切割成T形，将切割好的试纸进行洗涤、干燥，获得待用的试纸；
（2）比色检测试纸的制备：在待用的试纸上滴加PVP溶液将试纸润湿，在试纸的检测区域滴加AuNPs 溶液，干燥即可得到负载金纳米粒子的比色检测试纸。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述T形中间身部为正方形，所述T形头部的长、宽比为（2-4）：1。
11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述PVP溶液浓度为0.1%~2%。
12.根据权利要求9所述的方法，其特征在于， AuNPs溶液的浓度为0.6~4.8 nmol/L。
13.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述AuNPs的粒径为13~40nm。
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