CN111257511B - 用于铅离子检测的智能微囊、便携式可视化铅离子检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于铅离子检测的智能微囊，该智能微囊呈球状，由囊壁和囊壁内的智能纳米凝胶溶液组成，所述囊壁为具有弹性的交联高分子凝胶网络，Pb²⁺和水分子能经过渗透扩散跨囊壁传输进入智能微囊的内部，智能纳米凝胶能特异性地识别Pb²⁺并实现等温溶胀。以该智能凝胶微囊为基础，本发明还提供了便携式可视化铅离子检测装置以及铅离子简捷检测方法。本发明有效简化了铅离子的检测操作，降低了铅离子检测难度和成本，实现了痕量铅离子的简捷可视化定量检测。

Description

用于铅离子检测的智能微囊、便携式可视化铅离子检测装置 及检测方法

技术领域

本发明属于离子检测领域，涉及用于铅离子检测的智能微囊及其制备方法，便携式可视化铅离子检测装置，以及铅离子简捷检测方法。

背景技术

铅离子(Pb²⁺)是一种有毒的重金属离子，水体中的铅离子含量超标时会严重危害自然环境和人体健康，如美国Flint市曾出现的铅中毒引起的水危机事件。人体摄入过量铅离子会造成一系列生理、生化指标的变化，影响人体系统器官的正常功能，甚至是致癌。因此，有效检测铅离子对保护环境和人类健康具有重要意义。

在检测铅离子时，关键的问题是如何便捷地将铅离子浓度的信号转换并放大为更直观的检测信号。传统的铅离子检测方法，如原子吸收光谱法、电感耦合等离子质谱法、原子荧光光谱法和溶出伏安法等，由于存在着样品前处理复杂、检测仪器精密昂贵以及检测时需要专业操作人员等问题而受到了一定的限制。

基于离子识别的智能材料能够对离子进行识别并做出相应的响应，进而将检测到的离子浓度信号转化为流量信号、电信号以及光信号等。其中，冠醚因分子中具有大环空腔结构，能特异性识别铅离子，并作为主体分子，通过离子-偶极作用与铅离子形成具有一定稳定性的“主-客体”配合物，为铅离子检测提供了新的思路。

目前，基于N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM)与冠醚构建的智能材料(PNB)的铅离子检测系统，有凝胶光栅和微悬臂梁等光学检测系统、智能微阀流量检测系统以及可视化检测装置等，由于不能同时满足高效、便携式简捷检测铅离子而在实际应用场景中受到了较大的限制。基于智能微阀的流量检测系统，如智能开关膜和微芯片，其主要检测原理是通过把智能材料识别铅离子后发生的分子链伸缩变化或体积变化转换为溶液流量变化。智能开关膜是通过在膜上接枝PNB高分子或者将PNB微球涂覆在商业膜或无纺布上等方式使之功能化，通过PNB识别铅离子前后膜孔大小的改变而将铅离子浓度的变化转换为跨膜通量的变化。微芯片系统是将智能微凝胶固定在微通道中，从而把微凝胶识别响应铅离子后的体积溶胀转换为流量变化，实时在线检测微量Pb²⁺。基于智能微阀的流量检测方法能在一定浓度范围内实现铅离子的检测，但是检测时需流量传感器来转换传送铅离子浓度信号，需要配备流量检测系统，检测过程复杂且不经济，无法实现铅离子的便携简捷检测。凝胶光栅系统是利用智能微凝胶构建的周期性光栅结构，检测时是将凝胶光栅响应铅离子后的体积变化转换为光栅衍射效率的变化，目前利用该方法能够检测到10^-9mol/L的铅离子，且该方法对于铅离子检测具有较高的灵敏度和选择性，但凝胶光栅制作难度较大，检测时需要配备较高要求的光学测试平台，无法实现便携简捷检测。可视化检测铅离子系统通过将凝胶识别响应铅离子后的体积变化引起的西(PE)膜形变转换为染色液体的指示液柱长的变化来定量检测铅离子，该检测方法虽然简单，但其受PE膜弹性灵敏度以及指示液通道尺寸的限制，只能检测到10^-3mol/L的铅离子，灵敏度有待提高。综上，基于智能材料开发简捷检测痕量浓度Pb²⁺的方法目前仍具有很大的挑战，因此，基于智能凝胶材料开发可实现痕量浓度Pb²⁺的便携式检测装置及便捷检测方法具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有铅离子检测技术存在的不足，提供用于铅离子检测的智能微囊及其制备方法，并以该智能微囊为基础，提供便携式可视化铅离子检测装置以及铅离子简捷检测方法，以简化铅离子的检测操作，降低铅离子检测难度和成本，实现痕量铅离子的简捷可视化定量检测。

本发明的主要技术构思是：基于本发明提供的智能微囊在特异性识别Pb²⁺后会诱导渗透压增大导致智能微囊溶胀的特性，设计了一种含有该智能微囊且带有刻度的便携式可视化铅离子检测装置，将智能微囊特异性识别响应Pb²⁺后的体积变化转换并放大为智能微囊的体积变化，从而建立智能微囊的溶胀行为与Pb²⁺浓度的对应关系，得到Pb²⁺的定量检测模型，实现了痕量浓度Pb²⁺的简捷可视化定量检测。

为实现上述发明目的，本发明提供的技术方案如下：

一种用于铅离子检测的智能微囊，该智能微囊呈球状，由囊壁和囊壁内的智能纳米凝胶溶液组成，所述囊壁为具有弹性的交联高分子凝胶网络，Pb²⁺和水分子能经过渗透扩散跨囊壁传输进入智能微囊的内部，智能纳米凝胶能特异性地识别Pb²⁺并实现等温溶胀，该智能微囊的直径为毫米级。

上述用于铅离子检测的智能微囊的技术方案中，所述智能纳米凝胶优选为聚(N-异丙基丙烯酰胺-共聚-苯并-18-冠-6-丙烯酰胺)纳米凝胶球或者聚(N-异丙基丙烯酰胺-共聚-丙烯酸-接枝-氨基苯并-18-冠-6-醚)纳米凝胶球。

进一步地，所述聚(N-异丙基丙烯酰胺-共聚-苯并-18-冠-6-丙烯酰胺)纳米凝胶球是在以2,2’-偶氮二异丁基脒二盐酸盐为引发剂、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺为交联剂、纯水为溶剂的条件下，将苯并-18-冠-6-丙烯酰胺与N-异丙基丙烯酰胺在加热条件下经热引发自由基沉淀聚合反应制备得到的；制备时单体苯并-18-冠-6-丙烯酰胺占总单体苯并-18-冠-6-丙烯酰胺与N-异丙基丙烯酰胺的总摩尔质量的8％～30％；

所述聚(N-异丙基丙烯酰胺-共聚-丙烯酸-接枝-氨基苯并-18-冠-6-醚)纳米凝胶球是先以过硫酸铵或过硫酸钾为引发剂、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺为交联剂、纯水为溶剂，将N-异丙基丙烯酰胺与丙烯酸在加热条件下经沉淀聚合反应制备得到聚(N-异丙基丙烯酰胺-共聚-丙烯酸)凝胶球，并通过添加表面活性剂调节该凝胶球的尺寸，然后将调整尺寸后的凝胶球与4-氨基苯并-18-冠-6进行1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐缩合反应制备得到的；制备时单体丙烯酸占总单体N-异丙基丙烯酰胺与丙烯酸的总摩尔质量含量范围为15％～30％，聚(N-异丙基丙烯酰胺-共聚-丙烯酸)凝胶球与4-氨基苯并-18-冠-6的摩尔比为(1.3～5.6):1。

上述用于铅离子检测的智能微囊的技术方案中，囊壁内的智能纳米凝胶溶液中，智能纳米凝胶的浓度与智能微囊对Pb²⁺的响应性有关，为了实现本发明方法对浓度低于10^-6mol/L的Pb²⁺的检测，通常，囊壁内的智能纳米凝胶溶液中，智能纳米凝胶的浓度范围为1～50mg/mL，为了进一步提高智能微囊对Pb²⁺的响应性，囊壁内的智能纳米凝胶溶液中，智能纳米凝胶的浓度范围优选为5～30mg/mL。

上述用于铅离子检测的智能微囊的技术方案中，该智能微囊在室温下的去离子水中的直径优选为3～5mm，智能微囊的囊壁厚度与智能微囊的稳定性、Pb²⁺和水分子的跨囊壁传输阻力有关，优选地，智能微囊的囊壁厚度为智能微囊在室温下的去离子水中的直径的0.5％～5％。

上述用于铅离子检测的智能微囊的技术方案中，所述具有弹性的交联高分子凝胶网络是指在交联剂存在下发生溶胶-凝胶转化形成的反应产物，也可以是光引发剂存在的条件下通过光照引发光聚合高分子发生聚合反应形成的聚合的反应产物。常见的交联高分子包括海藻酸钙、交联壳聚糖、聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA)和N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM)等。

本发明还提供了上述用于铅离子检测的智能微囊的制备方法，该方法包括以下步骤：

1)配制分散相、连续相和交联相流体

配制分散相流体：将智能纳米凝胶与黏度调节剂均匀分散于水中形成分散相流体，分散相流体中智能纳米凝胶的浓度为1～50mg/mL，黏度调节剂的浓度为2～20mg/mL；

配制连续相流体：将在交联后能形成高分子凝胶网络的物质和水溶性表面活性剂均匀分散于水中形成连续相流体，连续相流体中，在交联后能形成高分子凝胶网络的物质的浓度为2～30mg/mL，水溶性表面活性剂的浓度为2～50mg/mL；

配制交联相流体：将水溶性交联剂溶解于水中形成交联相流体，交联相流体中，水溶性交联剂的浓度为10～300mg/mL；

2)制备智能微囊

将分散相流体和连续相流体分别用注射泵注入微流体共挤出装置的不同进液口，在微流体共挤出装置的出口端形成单分散的水包水液滴，该水包水液滴在重力及表面张力的共同作用下垂直滴入位于微流体共挤出装置出口端下方的盛有交联相流体的收集容器中，水包水液滴的壳层在交联相流体中与交联剂反应形成囊壁，在重力、浮力以及界面张力的共同作用下转变为球形的智能微囊；

该步骤中，控制分散相流体的体积流率为5～150mL/h，连续相流体的体积流率为1～100mL/h；

3)洗涤

分离出步骤2)制备的智能微囊，用水洗涤去除智能微囊外表面的游离交联剂，将洗涤后的智能微囊分散于水中保存。

上述用于铅离子检测的智能微囊的制备方法的技术方案中，所述粘度调节剂为水溶性黏度调节剂，黏度调节剂的种类和添加量根据实际应用场合和需求进行确定，黏度调节剂可以是羧甲基纤维素钠(CMC)、甲基纤维素、果胶以及海藻酸钠等。

上述用于铅离子检测的智能微囊的制备方法的技术方案中，交联相流体中的水溶性交联剂的种类根据连续相流体中在交联后能形成高分子凝胶网络的物质的具体种类进行确定，例如，在交联后能形成高分子凝胶网络的物质采用海藻酸钠时，对应的交联剂可以是含有二价或多价阳离子的盐，例如水溶性钙盐等。交联相流体中的水溶性交联剂的浓度，根据实际应用需求进行确定，只要确保智能微囊的囊壁具有一定弹性和强度并且可以允许Pb²⁺和水分子通过即可。

上述用于铅离子检测的智能微囊的制备方法的技术方案中，所述在交联后能形成高分子凝胶网络的物质包括海藻酸钠、壳聚糖等，水溶性表面活性剂包括Pluronic F-127、十二烷基磺酸钠(SDS)以及十二烷基硫酸钠等。

上述用于铅离子检测的智能微囊的制备方法的技术方案中，为了确保制备得到的智能微囊的形貌均一、单分散性和球形度良好，步骤2)中微流体共挤出装置的出口端与位于其下方的交联相流体的液面之间的距离应控制在合适的范围，若该距离过大，可能造成水包水液滴在进入交联相流体之前出现破裂，若该距离过小，可能造成交联后形成的智能微囊的球形度有限，在水包水液滴下落的过程中，水包水液滴在重力及表面张力的共同作用下会逐渐球形化，步骤2)最好是在接近水包水液滴球形的位置处放置盛有交联相流体的收集容器。

上述用于铅离子检测的智能微囊的制备方法的技术方案中，所述微流体共挤出装置包括注射管和剪切管，与注射泵配合使用，注射管由玻璃毛细管制作，其尾部被加工成圆锥形，剪切管由玻璃毛细管制作，将注射管嵌入剪切管中并将其固定于载玻片上，注射管的入口伸出剪切管的入口，注射管的出口不超过剪切管的出口，剪切管的出口端位于载玻片的边缘之外，注射管与剪切管同轴设置，用注射器平头针密封注射管的入口以及剪切管的入口处与注射管外壁之间的间隙，即构建得到微流体共挤出装置。在构建微流体共挤出装置时，对注射管和剪切管的横断面形状没有特殊要求，注射管和剪切管的横断面形状可以是圆形、正方形、长方形、三角形等形状。

一种可行的微流体共挤出装置包括注射管和剪切管，与注射泵配合使用；注射管由方形玻璃毛细管制作，其尾部被加工成圆锥形，剪切管为圆柱形玻璃毛细管制作，将注射管嵌入剪切管中并将其固定于载玻片上，方形注射管的入口伸出圆柱形的剪切管的入口，方形注射管的出口位于圆柱形剪切管的内部，圆柱形剪切管的出口端位于载玻片的边缘之外，注射管与剪切管同轴设置，用注射器平头针密封注射管的入口以及剪切管的入口处与注射管外壁之间的间隙。在使用时，整个微流体共挤出装置处于垂直于水平面的状态，即注射管和剪切管均处于垂直于水平面的状态，注射管和剪切管的正下方放置盛有交联相流体的收集容器。

上述用于铅离子检测的智能微囊的制备方法的技术方案中，通过调整微流体共挤出装置的剪切管的内径，分散相与连续相流体的体积流率之比，分散相和连续相流体的组成及浓度，交联相流体中交联剂的浓度以及水包水液滴的滴落高度等参数，可精确调控智能微囊的尺寸。

上述用于铅离子检测的智能微囊的制备方法的技术方案中，分散相流体中智能纳米凝胶的浓度优选为5～30mg/mL。

在上述用于铅离子检测的智能微囊的基础上，本发明还提供了一种便携式可视化铅离子检测装置，该装置包括测试管，上述用于铅离子检测的智能微囊，以及用于控制所述测试管内部温度的控温结构，测试管的两端封闭、测试管的管体上设有进出口和用于测量长度刻度线，测试管由透明材质制作，所述智能微囊置于测试管内，所述控温结构位于测试管外部；

测试管的内径或测试管的内切圆的直径d应满足D＜d＜2D，测试管的长度l应满足l＞nD，D为当智能微囊内的智能纳米凝胶特异性地识别Pb²⁺并达到溶胀平衡后的直径，n为测试管内智能微囊的数量。D特别是指在智能微囊的最佳响应温度，即指使得智能凝胶微囊在特异性识别Pb²⁺后具有最大体积溶胀程度的温度条件下特异性地识别Pb²⁺并达到溶胀平衡后的直径。

上述便携式可视化铅离子检测装置的技术方案中，所述测试管的横断面的形状可以是三角形，圆形，圆外切四边形(例如，正方形、菱形等)等，为了降低制作难度和成本，测试管的横断面形状优选为圆形。

上述便携式可视化铅离子检测装置的技术方案中，用于测量长度的刻度线的精度精确到0.5～1mm，用于测量长度的刻度线沿着测试管的轴线方向设置在测试管的管体上。为了实现智能微囊在特异性络合Pb²⁺前后的尺寸变化(主要是智能微囊在特异性络合Pb²⁺前后，智能微囊在测试内整齐排列成一条直线时智能微囊的总长度的变化)的测量，最好是采用1颗以上的智能微囊，为了便于准确测量智能微囊总长度的变化情况，更优选的方案是采用5颗以上的智能微囊。

上述便携式可视化铅离子检测装置的技术方案中，用于控制所述测试管内部温度的控温结构可以是在测试管外增加夹套结构并在夹套结构上设置循环水进出口，与恒温水浴配合使用来控制测试管内部的温度，也可以是一层光致发热的包裹层，在光源配合的条件下通过光热转换实现测试管内部温度的控制，当然也可以采用其它任意可实现精确控温的方式来实现测试管内部温度的控制。

本发明还提供了一种铅离子简捷检测方法，该方法在上述便携式可视化铅离子检测装置的基础上进行检测，包括以下步骤：

1)确定Pb²⁺浓度的换算关系式

①向便携式可视化铅离子检测装置的测试管中加入纯水，然后加入智能微囊，读取智能微囊整齐排列成一条直线时，智能微囊的总长度；

②依次用一系列Pb²⁺浓度已知的Pb²⁺溶液替换步骤1)①中的纯水，当智能微囊达到溶胀平衡后，读取在各Pb²⁺浓度的溶液中智能微囊整齐排列成一条直线时智能微囊的总长度；

③计算步骤1)②在各浓度的Pb²⁺溶液中，当智能微囊达到溶胀平衡后智能微囊整齐排列成一条直线时智能微囊的总长度相对于步骤1)①中智能微囊整齐排列成一条直线时智能微囊的总长度的变化率R_L，得到一系列变化率R_L的值，以变化率R_L为横坐标、以Pb²⁺浓度为纵坐标，确定Pb²⁺浓度与变化率R_L的换算关系式；

2)测量并计算待测样品中的Pb²⁺浓度

①向便携式可视化铅离子检测装置的测试管中加入纯水，然后加入智能微囊，读取智能微囊整齐排列成一条直线时，智能微囊的总长度；

②用Pb²⁺浓度未知的待测样品替换步骤2)①中的纯水，当智能微囊达到溶胀平衡后，读取智能微囊整齐排列成一条直线时智能微囊的总长度；

③计算步骤2)②中，当智能微囊达到溶胀平衡后智能微囊整齐排列成一条直线时智能微囊的总长度相对于步骤2)①中智能微囊整齐排列成一条直线时智能微囊的总长度的变化率R_L，根据Pb²⁺浓度与变化率R_L的换算关系式计算待测样品中Pb²⁺的浓度；

步骤1)～2)中，向测试管中加入的智能微囊的组成、直径相同及数量相同，向测试管中加入的纯水、Pb²⁺浓度已知的Pb²⁺溶液以及待测样品的体积相等，控制步骤1)①、1)②步骤2)①、2)②中测试管内的温度相等，在测试管处于水平状态的条件下读取智能微囊整齐排列成一条直线时智能微囊的总长度。

上述铅离子简捷检测方法的技术方案中，控制步骤1)①、1)②步骤2)①、2)②中测试管内的温度为智能微囊的最佳响应温度，所述最佳响应温度是指使得智能凝胶微囊在特异性识别Pb²⁺后具有最大体积溶胀程度的温度。

上述铅离子简捷检测方法的技术方案中，步骤1)①、1)②步骤2)①、2)②中，智能微囊因在测试过程中可能会因为测试管竖直或以较大角度倾斜放置，而出现智能微囊相互挤压导致智能微囊破裂的情况，因此，最好是保持测试管处于水平的状态下进行整个测试操作。

本发明的发明人在实验过程中发现，智能微囊在测试管的水或溶液氛围中，在测试管处于水平状态的条件下，智能微囊一般会自发地一个贴着一个地整齐排列成一条直线，当偶尔出现智能微囊未一个贴着一个整齐排列成一条直线的情况下，通常只需要稍微倾斜测试管并放平，即可让微囊一个贴着一个地整齐排列成一条直线，此时即可读取智能微囊整齐排列成一条直线时智能微囊的总长度。

上述铅离子简捷检测方法的技术方案中，读取的智能微囊整齐排列成一条直线时智能微囊的总长度，是指各智能微囊整齐排列成一条直线时，对位于两端的两颗智能微囊的外边缘作垂直于水平面的切线，两根切线之间的距离即为智能微囊整齐排列成一条直线时智能微囊的总长度。

与现有技术相比，本发明提供的技术方案产生了以下有益的技术效果：

1.本发明通过对现有刺激响应功能材料的存在形式进行改进，提供了用于铅离子检测的智能微囊，该智能微囊通过具有弹性的交联高分子凝胶网络组成的囊壁，将刺激响应功能材料独立封装在囊壁内，Pb²⁺和水分子能经过渗透扩散跨囊壁传输进入智能微囊的内部，智能纳米凝胶能特异性地识别Pb²⁺并实现等温溶胀，使得智能微囊可用于铅离子检测领域，为铅离子检测领域提供了新形式的智能凝胶材料。

2.本发明还提供了利用共挤出微流控技术制备上述便携式智能微囊的方法，通过微流体共挤出装置连续制备单分散的水包水液滴，利用交联剂与水包水液滴的壳层中的在交联后能形成高分子凝胶网络的物质之间发生交联反应将将刺激响应功能材料独立封装在智能微囊的囊壁内，实现了用于铅离子检测的智能微囊的简捷和连续制备。

3.本发明提供的用于铅离子检测的智能微囊的制备方法结合了微流控技术的优势，产生的水包水液滴大小十分均一，从而使得制备的智能微囊的形貌十分均一，球形度良好，通过改变各相流体的流速及微流体共挤出装置的注射管和剪切管的管径等条件，能可控地制备不同尺寸的智能微囊。

4.基于本发明提供的智能微囊在特异性识别Pb²⁺后会诱导渗透压增大导致智能微囊溶胀的特性，本发明还提供了一种含有该智能微囊且带有刻度的便携式可视化铅离子检测装置，将智能微囊特异性识别响应Pb²⁺后的体积变化转换并放大为智能微囊的体积变化，从而建立智能微囊的溶胀行为与Pb²⁺浓度的对应关系，得到Pb²⁺定量检测模型，实现了痕量浓度Pb²⁺的简捷可视化定量检测。该检测装置的结构简单，制作难度非常低，因而生产成本低廉，相对于现有基于智能凝胶检测铅离子的装置而言，本发明在成本上具有明显的优势。

5.基于本发明提供的便携式可视化铅离子检测装置，本发明还提供了一种铅离子简捷检测方法，该方法基于Pb²⁺和水分子能经过渗透扩散跨囊壁传输进入智能微囊的内部，智能纳米凝胶能特异性地识别Pb²⁺并实现等温溶胀的特性，建立了Pb²⁺浓度与将智能纳米凝胶在特异性识别铅离子前后智能微囊的尺寸的变化率的换算关系，根据该换算关系，通过测量智能纳米凝胶在特异性识别铅离子前后智能微囊的尺寸的变化率数据即可计算得到待测样品中铅离子的浓度，从而实现了痕量浓度铅离子的简捷可视化定量检测。与现有基于智能凝胶的铅离子检测方法相比，本发明有效简化了铅离子的检测操作，降低了铅离子检测难度和成本，并且能实现对10^-9mol/L浓度水平的铅离子的检测。

附图说明

图1是本发明所述用于铅离子检测的智能微囊的制备原理和装置结构示意图，其中的(a)图分别为微流体共挤出装置的结构示意图及各相流体在该装置中的流动路径示意图，I.F.代表分散相流体，O.F.代表连续相流体，(b)图是位于(a)图上方的虚线框处的放大图，(c)图是(b)图中小虚线框处的放大图，(d)图是位于(a)图下方的虚线框处的放大图，(e)图是盛有交联相流体的收集容器以及水包水液滴滴入交联相流体中的示意图，(f)图是(e)图中虚线框处的放大图，A-A是(a)图中A-A断面的视图，B-B是(a)图中B-B断面的视图。

图2是便携式智能微囊简捷检测铅离子的原理示意图。

图3是实施例1制备的PNA和PNB-2纳米凝胶的红外光谱图。

图4是实施例1制备的PNA纳米凝胶球的扫描电镜照片。

图5是实施例1制备的PNB-2智能纳米凝胶的扫描电镜照片。

图6是实施例1制备的PNB-2智能纳米凝胶的温度及铅离子识别响应特性曲线图。

图7是实施例1中智能微囊的囊壁厚度随分散相流体体积流率的变化关系曲线((a)图)以及智能微囊的光学图片和粒径分布图((b)图)，(a)图中δ代表智能微囊的囊壁厚度，Q_i/Q₀代表分散相流体与连续相流体的体积流率之比。

图8是本发明所述便携式可视化铅离子检测装置的结构示意图，图8中，1—测试管、2—进出口、3—刻度线、4—圆柱形玻璃管、5—循环水出口、6—循环水进口。

图9是实施例7得到的Pb²⁺浓度-温度-变化率R_L关系曲线图。

图10是实施例8中智能微囊对不同种类的金属离子的选择识别响应性能的测试结果。

图11是含不同质量浓度PNB-2纳米凝胶的智能微囊对铅离子的识别响应特性图。

图12是实施例10中智能微囊在不同浓度铅离子溶液中达到溶胀平衡时的光学图片。

图13是实施例10检测不同浓度铅离子溶液时的特性曲线图，其中(a)图为检测不同浓度铅离子时，当智能微囊达到溶胀平衡后智能微囊整齐排列成一条直线时智能微囊的总长度随时间的变化曲线，(b)图为检测不同浓度铅离子时变化率R_L随时间的变化曲线，(c)图为Pb²⁺浓度与变化率R_L的换算关系曲线。

具体实施方式

以下通过实施例并结合附图对本发明提供的用于铅离子检测的智能微囊及其制备方法，便携式可视化铅离子检测装置，以及铅离子简捷检测方法作进一步说明。有必要指出，以下实施例只用于对本发明作进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员根据上述发明内容，对本发明做出一些非本质的改进和调整进行具体实施，仍属于本发明的保护范围。

以下实施例中采用的微流体共挤出装置的结构示意图如图1的(a)图所示，包括注射管和剪切管，与注射泵配合使用。注射管由方形玻璃毛细管制作，其尾部被加工成圆锥形，方形玻璃毛细管横截面的内腔尺寸为1.0×1.0mm、外轮廓尺寸为1.5×1.5mm。剪切管为圆柱形玻璃毛细管制作，圆柱形玻璃毛细管的内径为2.0mm、外径为2.4mm。将注射管嵌入剪切管中并将其固定于载玻片上，方形注射管的入口伸出圆柱形的剪切管的入口，方形注射管的出口位于圆柱形剪切管的内部(方形注射管的出口位于圆柱形剪切管的出口端部往上1.0mm的位置)，圆柱形剪切管的出口端位于载玻片的边缘之外(圆柱形剪切管的出口端伸出载玻片边缘1.0cm)，注射管嵌入剪切管同轴设置，用注射器平头针和胶水密封注射管的入口形成分散相流体入口，用注射器平头针和胶水密封剪切管的入口处与注射管外壁之间的间隙，形成连续相流体入口。在使用时，整个微流体共挤出装置垂直于水平面的状态，即注射管和剪切管均处于垂直于水平面的状态，注射管和剪切管的正下方放置盛有交联相流体的收集容器。

下述各实施例中采用的各种试剂，例如海藻酸钠、硝酸钙、水溶性表面活性剂十二烷基磺酸钠(SDS)、黏度调节剂为羧甲基纤维素钠(CMC)、交联剂N,N’-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)，引发剂过硫酸铵(APS)和2,2’-偶氮二异丁基脒二盐酸盐(V50)，N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM)等均可从商业途径获得。配制含Pb²⁺、Ba²⁺、Sr²⁺、K⁺以及Na⁺的溶液所采用的盐均为这些离子对应的硝酸盐。

实施例1

本实施例中，制备用于铅离子检测的智能微囊，步骤如下：

(1)合成能特异性地识别Pb²⁺的智能纳米凝胶

1)采用一步法合成聚(N-异丙基丙烯酰胺-共聚-苯并-18-冠-6-丙烯酰胺)(PNB-1)纳米凝胶球，步骤如下：

①溶解、通氮气、加还原剂：将梭形搅拌子置于单颈圆底烧瓶中，加入2g 4-硝基苯并-18-冠-6-醚(NB18C6)和170mL异丙醇，盖上玻璃塞，用密封条密封瓶口，在50℃超声溶解至溶液透明；将所得溶液转移至43℃恒温水浴中，加入0.40g Pd/C催化剂，通氮气30min以去除溶液中的溶解氧并置换瓶中的空气；然后用恒压漏斗向其中滴加20mL还原剂水合联氨，控制滴加速度为4～6秒/滴；

②回流反应并减压抽滤：步骤①滴加完毕后，将恒压漏斗置换为蛇形冷凝管，接入循环水，在70℃的水浴下回流反应2.5h，将所得溶液取出倒入烧杯中，趁热过滤除去Pd/C催化剂，得到透明滤液；

③减压蒸馏、分液水洗、除水：将滤液倒入圆底烧瓶中，在50℃、0.085MPa(真空度)下减压蒸馏除去异丙醇；然后向烧瓶中加入80mL二氯甲烷，摇动1min，倒入分液漏斗中，摇匀，静置分层，分液，用烧杯收集漏斗下端的液体，将残留的上层油相液体倒入废液瓶中，加入等体积的二次纯水于分液漏斗中，缓慢倒入接收的液体，摇匀，静置分层，分液，水洗五次；向收集到的水洗后的下层液体中加入无水硫酸钠，搅拌至溶液澄清透明，减压抽滤除去结合了水的无水硫酸钠，得到含二氯甲烷的4-氨基苯并-18-冠-6-醚(AmB18C6)；

④氨基保护及酰化反应：将含二氯甲烷的AmB18C6转移至圆底烧瓶中，加入1.6mL三乙胺，在3℃冰浴下通氮气30min；通氮气结束后，控制水浴温度为3℃，用恒压漏斗加入酰化剂(0.9mL丙烯酰氯+20mL二氯甲烷)，滴加速度控制在8～12秒/滴，滴加完毕后，密封，在冰浴下反应4.0h后转移至25℃水浴中继续反应16h；

⑤减压抽滤、水洗、减压蒸馏、干燥：将步骤④所得反应液倒入烧杯中，减压抽滤除去反应生成的盐；将抽滤所得滤液水洗分液五次，用无水硫酸钠除水，并通过减压抽滤除去无水硫酸钠；然后在45℃、0.02MPa(真空度)下用旋转蒸发仪减压蒸馏除去二氯甲烷，然后在室温真空干燥24h，得到4-氨基苯并-18-冠-6-丙烯酰胺(B18C6Am)；

⑥合成PNB-1纳米凝胶球：称取0.2gNIPAM、0.1350g B18C6Am、0.0185g MBA加入圆底烧瓶中，加入60mL二次纯水，在室温下搅拌溶解，通氮气30min，加入用1mL二次纯水溶解好的0.0069g引发剂V50，在70℃沉淀聚合反应4h，然后用高速离心机，在15000rpm、10℃、20min/次的条件下离心五次，得到PNB-1纳米凝胶球。

2)采用两步法合成聚(N-异丙基丙烯酰胺-共聚-丙烯酸-接枝-氨基苯并-18-冠-6-醚)(PNB-2)纳米凝胶球，步骤如下：

①合成聚(N-异丙基丙烯酰胺-聚-丙烯酸)(PNA)纳米凝胶球

称取2.7158g NIPAM、0.1203g MBA、0.0091g SDS加入圆底烧瓶中，加入0.4118mL丙烯酸(TCI试剂)和300mL二次纯水，在常温下搅拌溶解后通氮气30min；将所得溶液转移至65℃恒温水浴中，继续通氮气，10min后，用注射器注入由1mL二次纯水溶解的引发剂过硫酸铵(APS，0.0685g)，将温度升至70℃后，停止通入氮气，密封，沉淀聚合反应4h；将圆底烧瓶立即取出并置于冰水浴中10min，终止反应，得到含PNA纳米凝胶球的溶液；将含PNA纳米凝胶球的溶液转移至透析袋中，透析7天，每天至少换3次水，透析完成后，得到PNA纳米凝胶球溶液，将其储存于4℃冰箱中备用。

②合成PNB-2纳米凝胶球

在一步法合成B18C6Am的过程中，将减压抽滤得到含二氯甲烷的AmB18C6减压蒸馏除去二氯甲烷，得到AmB18C6，立即向其中加120mL步骤①透析得到的PNA纳米凝胶球溶液，在3℃冰浴下搅拌溶解，通氮气30min；然后用恒压漏斗向其中滴加由1.6g EDC和80mL二次纯水配成的溶液，滴加完成后，在5℃条件下反应36h；反应结束后，用二次纯水透析7天，得到PNB-2纳米凝胶球溶液。

利用傅里叶变换红外光谱仪对PNA、PNB-2纳米凝胶球进行红外表征，结果如图3所示。利用扫描电子显微镜对PNA和PNB-2纳米凝胶球进行形貌表征，结果如图4～5所示，由图4～5可知，PNA和PNB-2纳米凝胶具有良好的单分散性和球形度。

利用动态光散射测试PNB-2纳米凝胶球在20～65℃温度范围内对Pb²⁺的温度识别响应特性，每间隔2℃取一个温度测试点，Pb²⁺浓度分别为0、5×10^-4、5×10^-3mol L^-1，结果如图6所示。由图6可知，在同一温度下，PNB-2纳米凝胶球的水合直径随着铅离子浓度增大而增大，表明PNB-2纳米凝胶对Pb²⁺具有识别作用，且PNB-2在识别Pb²⁺后，与Pb²⁺络合形成了带正电的B18C6Am/Pb²⁺复合物，复合物基团之间因静电作用相互排斥，从而形成一定的空间使得水分子拥有更多的机会进入该带电的络合物体系，表现出PNB-2的亲水性增大，最终呈现出PNB-2的体积相转变温度(VPTT)向高温迁移，即PNB-2纳米凝胶球对浓度为5×10^-3mol L^-1的铅离子的响应性优于浓度为5×10^-4mol L^-1的铅离子。同时，对于同一浓度下的铅离子溶液，随着温度的升高，PNB-2纳米凝胶球的水合直径均呈现逐渐减小且最后稳定在特定的值的状态。其主要原因是：随着温度升高，PNB-2纳米凝胶球的热力学稳定状态被破坏，为了达到新的热力学稳定态，PNB-2凝胶球会通过改变自身的形态以达到新的平衡。这主要表现为PNB-2的亲水基团与水分子之间的氢键作用形成的溶剂化层因温度升高而被破坏，使得PNB-2的亲水性随着温度升高而减小，最终呈现出PNB-2凝胶球的水合直径随温度升高而减小的趋势。并且，随温度的升高，PNB-2在不同浓度铅离子溶液中的直径相对于其在水中的直径的变化率均出现先增大后减小的趋势，且最大溶胀率均出现在38℃。在浓度为5×10^-4和5×10^-3mol L^-1的铅离子溶液中，PNB-2凝胶球的直径最大溶胀率分别为1.58和1.88。

2)配制分散相、连续相和交联相流体

配制分散相流体：将PNB-2纳米凝胶球与黏度调节剂CMC均匀分散于水中形成分散相流体，分散相流体中，黏度调节剂CMC的浓度为7.5mg/mL，PNB-2纳米凝胶球的质量浓度为10mg/mL。

配制连续相流体：将海藻酸钠和水溶性表面活性剂SDS加入水中搅拌溶解形成连续相流体，连续相流体中，海藻酸钠的浓度为20mg/mL，SDS的浓度为20mg/mL。

配制交联相流体：将硝酸钙加入水中形成交联相流体，交联相流体中硝酸钙的浓度为150mg/mL。

3)制备智能微囊

将分散相流体和连续相流体分别用注射泵注入微流体共挤出装置的注射管和剪切管中，在微流体共挤出装置的出口端形成单分散的水包水液滴，该水包水液滴在重力及表面张力的共同作用下垂直滴入位于微流体共挤出装置出口端下方的盛有交联相流体的收集容器中，水包水液滴的壳层的海藻酸钠在交联相流体中与钙离子发生交联反应海藻酸钙囊壁，在重力、浮力以及界面张力的共同作用下转变为球形的智能微囊；

该步骤中，考察了在连续相流体的体积流率保持在10mL/h不变的情况下，当采用不同分散相流体的体积流率时，形成的智能微囊在形貌和囊壁厚度上的差异，具体考察了当分散相流体的体积流率在5～300mL/h范围内变化时的情况；该步骤中，流体剪切形成的水包水液滴从距离交联相流体液面6cm的位置滴落至交联相流体中。

4)洗涤

利用筛网过滤分离出步骤3)制备的智能微囊，并采用二次纯水反复洗涤去除智能微囊外表面的游离钙离子，将洗涤后的智能微囊分散于水中保存。

当连续相流体的体积流率为10mL/h，在5～300mL/h范围内逐渐增大分散相流体的体积流率时，得到了智能微囊的囊壁厚度随分散相流体体积流率的变化关系曲线，如图7(a)图所示，当分散相流体体积流率大于200mL/h时，囊壁厚度趋于不变。在分散相流体的流率为60mL/h、连续相流体的体积流率为10mL/h的条件下制备的智能微囊的光学图片和智能微囊在室温下的去离子水中的粒径分布图如图7的(b)图所示，由图7的(b)图可知，在该条件下制备的智能微囊的在室温条件下的去离子水中的直径约为3.75mm，直径的变异系数CV约为2.44％，智能微囊的囊壁厚度约为95μm，智能微囊呈规整的球形，形貌均一，单分散性良好。

实施例2

本实施例中，制备智能凝胶微囊，操作与实施例1基本相同，不同之处仅在于分散相流体中，PNB-2纳米凝胶球的质量浓度为5mg/mL，控制分散相流体的流率为60mL/h、连续相流体的体积流率为10mL/h。

实施例3

本实施例中，制备智能凝胶微囊，操作与实施例2基本相同，不同之处仅在于分散相流体中，PNB-2纳米凝胶球的质量浓度为16mg/mL。

实施例4

本实施例中，制备智能凝胶微囊，操作与实施例2基本相同，不同之处仅在于分散相流体中，PNB-2纳米凝胶球的质量浓度为20mg/mL。

实施例5

本实施例中，制备智能凝胶微囊，操作与实施例2基本相同，不同之处仅在于分散相流体中，PNB-2纳米凝胶球的质量浓度为26mg/mL。

实施例6

本实施例中，提供便携式可视化铅离子检测装置的结构。

便携式可视化铅离子检测装置的结构示意图如图8所示，该装置包括测试管1，实施例1～5中任一实施例制备的智能微囊，以及用于控制所述测试管内部温度的控温结构。

所述测试管1为石英玻璃材质的圆管，测试管的两端封闭、测试管的管体上设有一个垂直于测试管轴线的进出口2并且进出口伸出位于测试管外部的圆柱形玻璃管外面，测试管的管体上设有以测量管的一端端部为起点的、沿着测试管的轴线方向设置于测试管的管体上的用于测量长度的刻度线3，刻度线的精度精确到1mm。所述用于控制所述测试管内部温度的控温结构是位于测试管外部的圆柱形玻璃管4，该圆柱形玻璃管的两端封闭，一端设有循环水进口6、另一端设有循环水出口5，圆柱形玻璃管与测试管同轴线设置，该圆柱形玻璃管与测试管的外壁一起形成夹套结构，与恒温水浴配合使用向夹套结构中通入循环水可控制测试管内部的温度。所述智能微囊置于测试管内，智能微囊在进行铅离子浓度检测时从进出口放入测试内，智能微囊的数量至少为10颗。

测试管的内径d＝7mm，测试管的长度l＝12cm，设置于测试管体上的进出口2的直径为5mm，圆柱形玻璃管的内径为3cm，圆柱形玻璃管的长度为20cm。

实施例7

本实施例中，研究实施例1在分散相流体的流率为60mL/h、连续相流体的体积流率为10mL/h的条件下制备的智能微囊对不同浓度铅离子的识别响应性能。

①向实施例6所述便携式可视化铅离子检测装置的测试管中加入一定体积温度为室温的二次纯水，然后加入15颗智能微囊，读取在纯水中智能微囊整齐排列成一条直线时智能微囊的总长度；

②依次用Pb²⁺浓度为10^-9、10^-8、10^-7、10^-6mol/L的Pb²⁺溶液替换步骤①中的二次纯水，将测试管内的温度从23～50℃逐渐升温，每间隔4℃设置一个温度测试点，当智能微囊在每个温度测试点达溶胀平衡时，读取在各Pb²⁺浓度的溶液中智能微囊整齐排列成一条直线时智能微囊的总长度；

步骤①②中向测试中加入的二次纯水以及Pb²⁺溶液的体积相等，在测试管处于水平状态的条件下进行测试并读取智能微囊整齐排列成一条直线时智能微囊的总长度。

③计算步骤②在各温度测试点下各浓度的Pb²⁺溶液中智能微囊整齐排列成一条直线时智能微囊的总长度相对于步骤①中智能微囊整齐排列成一条直线时智能微囊的总长度的变化率R_L，得到一系列变化率R_L的值，以测试温度为横坐标、以变化率R_L的值绘制Pb²⁺浓度-温度-变化率R_L关系曲线图，如图9所示。

由图9可知，对于同一浓度的Pb²⁺溶液，随着温度的升高，智能微囊整齐排列成一条直线时，相对于步骤①中智能微囊整齐排列成一条直线时智能微囊的总长度的变化率R_L呈现先增大后减小的趋势，且在温度为38℃时达到最大值；在同一温度下，智能微囊在不同浓度铅离子溶液中的变化率R_L大小顺序为：10^-9mol/L<10^-8mol/L<10^-7mol/L<10^-6mol/L，说明该智能微囊对于铅离子具有识别响应特性，且最佳响应温度为38℃。

实施例8

本实施例中，研究实施例1在分散相流体的流率为60mL/h、连续相流体的体积流率为10mL/h的条件下制备的智能微囊对不同种类的金属离子的选择识别响应性能。

①向实施例6所述便携式可视化铅离子检测装置的测试管中加入二次纯水，然后加入15颗智能微囊，控制测试管内的温度为最佳响应温度38℃，读取智能微囊整齐排列成一条直线时，智能微囊的总长度。共设置5个实验组。

②分别用浓度为10^-9mol/L的Pb²⁺、Ba²⁺、Sr²⁺、K⁺、Na⁺溶液替换步骤①中各实验组的二次纯水，控制测试管内的温度为最佳响应温度38℃，当智能微囊达到溶胀平衡后，读取在各溶液中智能微囊整齐排列成一条直线时智能微囊的总长度。

步骤①②中向测试中加入的二次纯水以及各种溶液的体积相等，在测试管处于水平状态的条件下进行测试并读取智能微囊整齐排列成一条直线时智能微囊的总长度。

③计算步骤②在各种溶液中，当智能微囊达到溶胀平衡后智能微囊整齐排列成一条直线时智能微囊的总长度相对于步骤①中智能微囊整齐排列成一条直线时智能微囊的总长度的变化率R_L，结果如图10所示。

由图10可知，该智能微囊在Pb²⁺溶液中的变化率R_L最大，且变化率R_L的大小变化为：Pb²⁺>Ba²⁺>Sr²⁺>K⁺>Na⁺，与冠醚对这些离子的络合常数大小相对应，表明该智能微囊对铅离子具有较好的选择性。

实施例9

本实施例中，研究实施例1在分散相流体的流率为60mL/h、连续相流体的体积流率为10mL/h的条件下制备的智能微囊对铅离子的识别响应性能。

①向实施例6所述便携式可视化铅离子检测装置的测试管中加入二次纯水，然后加入15颗智能微囊，控制测试管内的温度为最佳响应温度38℃，读取智能微囊整齐排列成一条直线时，智能微囊的总长度。

②用浓度为10^-9mol/L的Pb²⁺溶液替换步骤①中的二次纯水，控制测试管内的温度为最佳响应温度38℃，当智能微囊达到溶胀平衡后，读取在Pb²⁺溶液中智能微囊整齐排列成一条直线时智能微囊的总长度；

步骤①②中向测试中加入的二次纯水以及Pb²⁺溶液的体积相等，在测试管处于水平状态的条件下进行测试并读取智能微囊整齐排列成一条直线时智能微囊的总长度。

③计算步骤②在Pb²⁺溶液中，当智能微囊达到溶胀平衡后智能微囊整齐排列成一条直线时智能微囊的总长度相对于步骤①中智能微囊整齐排列成一条直线时智能微囊的总长度的变化率R_L。

依次用15颗实施例3～5制备的智能凝胶微囊完全替代测试中的实施例1制备的凝胶微囊，重复前述步骤①～③的操作，得到一系列R_L的值。

图11是含不同质量浓度PNB-2纳米凝胶的智能微囊对10^-9mol/L铅离子溶液的识别响应特性图，由图11可知，随着智能微囊内PNB-2的质量浓度的增大，智能微囊在Pb²⁺溶液中智能微囊整齐排列成一条直线时智能微囊的总长度逐渐增加，变化率R_L也呈现出随之增大的趋势，表明在智能微囊中包裹高浓度的PNB-2有利于增强对铅离子的识别响应溶胀特性。

实施例10

本实施例中，研究实施例1在分散相流体的流率为60mL/h、连续相流体的体积流率为10mL/h的条件下制备的智能微囊在不同时刻对不同浓度铅离子的识别响应性能，并确定Pb²⁺浓度的换算关系式，步骤如下：

①向便携式可视化铅离子检测装置的测试管中加入二次纯水，然后加入15颗智能微囊，控制测试管内的温度为最佳响应温度38℃，读取智能微囊整齐排列成一条直线时，智能微囊的总长度。

②依次用Pb²⁺浓度分别为10^-9mol/L、10^-8mol/L、10^-7mol/L以及10^-6mol/L的Pb²⁺溶液替换步骤①中的二次纯水，控制测试管内的温度为最佳响应温度38℃，当智能微囊达到溶胀平衡后，读取在各Pb²⁺浓度的溶液中智能微囊整齐排列成一条直线时智能微囊的总长度。

③计算步骤②在各浓度的Pb²⁺溶液中，当智能微囊达到溶胀平衡后智能微囊整齐排列成一条直线时智能微囊的总长度相对于步骤①中智能微囊整齐排列成一条直线时智能微囊的总长度的变化率R_L，得到一系列变化率R_L的值。

上述步骤①～③中，向测试管中加入的二次纯水、Pb²⁺溶液的体积相等，在测试管处于水平状态的条件下进行测试并读取智能微囊整齐排列成一条直线时智能微囊的总长度。

在步骤①②的测试过程中，每间隔10min读取一次智能微囊的总长度，以研究智能微囊在不同时刻下对不同浓度铅离子的识别响应性能。图12是智能微囊在二次纯水中及不同浓度铅离子溶液中达到溶胀平衡后的光学图片，智能微囊在二次纯水中整齐排列成一条直线时，智能微囊的总长度几乎相同，但当智能微囊在各铅离子溶液中整齐排列成一条直线时，智能微囊的总长度随着铅离子浓度的增大而增大。智能微囊在浓度为10^-9、10^-8、10^-7、10^-6mol/L的Pb²⁺溶液中达到溶胀平衡的时间分别为40min、50min、60min、60min。并且，在浓度为10^-9、10^-8、10^-7、10^-6mol/L的Pb²⁺溶液中达到溶胀平衡后，智能微囊的总长度的大小依次为：10^-9mol/L<10^-8mol/L<10^-7mol/L<10^-6mol/L，随着Pb²⁺浓度的增加，变化率R_L逐渐增大，如图13所示，其原因为：在Pb²⁺溶液中，因智能微囊囊壁内外的Pb²⁺浓度不同，从而产生渗透压，该渗透压成为Pb²⁺跨膜传输的推动力，囊壁内外的渗透压差大小取决于囊壁内外的Pb²⁺浓度差，Pb²⁺在浓度差驱动下囊壁外经渗透扩散跨膜传输快速通过囊膜从而进入智能微囊的内腔室，内腔室中的PNB-2纳米凝胶立即识别并捕获Pb²⁺，与其络合形成稳定的带正电的B18C6Am/Pb²⁺复合物，增加了PNB-2纳米凝胶网络中冠醚单元之间的静电斥力，进而引起PNB-2纳米凝胶网络的舒张，空间增大，产生Donnan势，导致PNB-2纳米凝胶网络与周围环境之间的渗透压增大，从而增强PNB-2纳米凝胶的亲水性，PNB-2纳米凝胶吸水溶胀产生体积相变。囊壁内外渗透压差增大，促使Pb²⁺溶液连续渗透扩散进入内腔室，导致智能微囊溶胀产生体积相变，直至达到Donnan平衡时，智能微囊达到溶胀平衡。

④以步骤③中所得变化率R_L为横坐标、以Pb²⁺浓度为纵坐标，确定Pb²⁺浓度与变化率R_L的换算关系式，结果为：[Pb²⁺]＝3×10^-21R_L ^10.12，其中[Pb²⁺]表示Pb²⁺的浓度，单位为mol/L，R_L表示变化率。

根据Pb²⁺浓度与变化率R_L的换算关系式，只要测量出在智能微囊在最佳响应温度条件下，当智能微囊在Pb²⁺未知的待测样品溶液中达到溶胀平衡后智能微囊整齐排列成一条直线时智能微囊的总长度相对于同样温度条件下智能微囊在纯水中整齐排列成一条直线时智能微囊的总长度的变化率R_L，便可计算得到待测样品中铅离子的浓度。

以下以Pb²⁺浓度为10^-9mol/L的Pb²⁺溶液作为待测样品，说明铅离子简捷检测方法。

1)与步骤①的操作相同。

2)用待测样品替换步骤1)中的二次纯水，控制测试管内的温度为最佳响应温度38℃，当智能微囊达到溶胀平衡后，读取智能微囊整齐排列成一条直线时智能微囊的总长度。

3)计算步骤2)在待测样品中，当智能微囊达到溶胀平衡后智能微囊整齐排列成一条直线时智能微囊的总长度相对于步骤1)中智能微囊整齐排列成一条直线时智能微囊的总长度的变化率R_L，根据Pb²⁺浓度与变化率R_L的换算关系式计算待测样品中Pb²⁺的浓度，结果为10^-9mol/L。

步骤1)～3)中，向测试管中加入的二次纯水、待测样品的体积相等，在测试管处于水平状态的条件下进行测试并读取智能微囊整齐排列成一条直线时智能微囊的总长度。

Claims (7)

1.一种用于铅离子检测的智能微囊，其特征在于，该智能微囊呈球状，由囊壁和囊壁内的智能纳米凝胶溶液组成，所述囊壁为具有弹性的交联高分子凝胶网络，Pb²⁺和水分子能经过渗透扩散跨囊壁传输进入智能微囊的内部，智能纳米凝胶能特异性地识别Pb²⁺并实现等温溶胀，该智能微囊的直径为毫米级；所述智能纳米凝胶为聚（N-异丙基丙烯酰胺-共聚-苯并-18-冠-6-丙烯酰胺）纳米凝胶球或者聚（N-异丙基丙烯酰胺-共聚-丙烯酸-接枝-氨基苯并-18-冠-6-醚）纳米凝胶球；

所述聚（N-异丙基丙烯酰胺-共聚-苯并-18-冠-6-丙烯酰胺）纳米凝胶球是在以2,2’-偶氮二异丁基脒二盐酸盐为引发剂、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺为交联剂、纯水为溶剂的条件下，将苯并-18-冠-6-丙烯酰胺与N-异丙基丙烯酰胺在加热条件下经热引发自由基沉淀聚合反应制备得到的；制备时单体苯并-18-冠-6-丙烯酰胺占总单体苯并-18-冠-6-丙烯酰胺与N-异丙基丙烯酰胺的总摩尔质量的8%~30%；

所述聚（N-异丙基丙烯酰胺-共聚-丙烯酸-接枝-氨基苯并-18-冠-6-醚）纳米凝胶球是先以过硫酸铵或过硫酸钾为引发剂、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺为交联剂、纯水为溶剂，将N-异丙基丙烯酰胺与丙烯酸在加热条件下经沉淀聚合反应制备得到聚（N-异丙基丙烯酰胺-共聚-丙烯酸）凝胶球，并通过添加表面活性剂调节该凝胶球的尺寸，然后将调整尺寸后的凝胶球与4-氨基苯并-18-冠-6进行1-（3-二甲氨基丙基）-3-乙基碳二亚胺盐酸盐缩合反应制备得到的；制备时单体丙烯酸占总单体N-异丙基丙烯酰胺与丙烯酸的总摩尔质量含量范围为15%~30%，聚（N-异丙基丙烯酰胺-共聚-丙烯酸）凝胶球与4-氨基苯并-18-冠-6的摩尔比为（1.3~5.6）:1；

该智能微囊的制备方法包括以下步骤：

1）配制分散相、连续相和交联相流体

配制分散相流体：将智能纳米凝胶与黏度调节剂均匀分散于水中形成分散相流体，分散相流体中智能纳米凝胶的浓度为1~50 mg/mL，黏度调节剂的浓度为2~20 mg/mL；

配制连续相流体：将在交联后能形成高分子凝胶网络的物质和水溶性表面活性剂均匀分散于水中形成连续相流体，连续相流体中，在交联后能形成高分子凝胶网络的物质的浓度为2~30 mg/mL，水溶性表面活性剂的浓度为2~50 mg/mL；

配制交联相流体：将水溶性交联剂溶解于水中形成交联相流体，交联相流体中，水溶性交联剂的浓度为10~300 mg/mL；

2）制备智能微囊

将分散相流体和连续相流体分别用注射泵注入微流体共挤出装置的不同进液口，在微流体共挤出装置的出口端形成单分散的水包水液滴，该水包水液滴在重力及表面张力的共同作用下垂直滴入位于微流体共挤出装置出口端下方的盛有交联相流体的收集容器中，水包水液滴的壳层在交联相流体中与交联剂反应形成囊壁，在重力、浮力以及界面张力的共同作用下转变为球形的智能微囊；

该步骤中，控制分散相流体的体积流率为5~150 mL/h，连续相流体的体积流率为1~100mL/h；

3）洗涤

分离出步骤2）制备的智能微囊，用水洗涤去除智能微囊外表面的游离交联剂，将洗涤后的智能微囊分散于水中保存。

2.根据权利要求1所述用于铅离子检测的智能微囊，其特征在于，囊壁内的智能纳米凝胶溶液中，智能纳米凝胶的浓度为1~50 mg/mL。

3.根据权利要求1或2所述用于铅离子检测的智能微囊，其特征在于，该智能微囊在室温下的去离子水中的直径为3~5 mm，智能微囊的囊壁厚度为智能微囊在室温下的去离子水中的直径的0.5%~5%。

4.根据权利要求1或2所述用于铅离子检测的智能微囊，其特征在于，所述具有弹性的交联高分子凝胶网络是指在交联剂存在下发生溶胶-凝胶转化形成的反应产物。

5.一种便携式可视化铅离子检测装置，其特征在于，该装置包括测试管（1），权利要求1至4中任一权利要求所述用于铅离子检测的智能微囊，以及用于控制所述测试管内部温度的控温结构，测试管（1）的两端封闭、测试管的管体上设有进出口（2）和用于测量长度的刻度线（3），测试管由透明材质制作，所述智能微囊置于测试管（1）内，所述控温结构位于测试管外部；

测试管的内径或测试管的内切圆的直径（d）应满足D ＜ d ＜ 2D，测试管的长度（l）应满足l ＞ nD，D为当智能微囊内的智能纳米凝胶特异性地识别Pb²⁺并达到溶胀平衡后的直径，n为测试管内智能微囊的数量，n≥5。

6.一种铅离子简捷检测方法，其特征在于，该方法在权利要求5所述便携式可视化铅离子检测装置的基础上进行检测，包括以下步骤：

1）确定Pb²⁺浓度的换算关系式

①向便携式可视化铅离子检测装置的测试管中加入纯水，然后加入智能微囊，读取智能微囊整齐排列成一条直线时，智能微囊的总长度；

②依次用一系列Pb²⁺浓度已知的Pb²⁺溶液替换步骤1）①中的纯水，当智能微囊达到溶胀平衡后，读取在各Pb²⁺浓度的溶液中智能微囊整齐排列成一条直线时智能微囊的总长度；

③计算步骤1）②在各浓度的Pb²⁺溶液中，当智能微囊达到溶胀平衡后智能微囊整齐排列成一条直线时智能微囊的总长度相对于步骤1）①中智能微囊整齐排列成一条直线时智能微囊的总长度的变化率R _L，得到一系列变化率R _L的值，以变化率R _L为横坐标、以Pb²⁺浓度为纵坐标，确定Pb²⁺浓度与变化率R _L的换算关系式；

2）测量并计算待测样品中的Pb²⁺浓度

①向便携式可视化铅离子检测装置的测试管中加入纯水，然后加入智能微囊，读取智能微囊整齐排列成一条直线时，智能微囊的总长度；

②用Pb²⁺浓度未知的待测样品替换步骤2）①中的纯水，当智能微囊达到溶胀平衡后，读取智能微囊整齐排列成一条直线时智能微囊的总长度；

③计算步骤2）②中，当智能微囊达到溶胀平衡后智能微囊整齐排列成一条直线时智能微囊的总长度相对于步骤2）①中智能微囊整齐排列成一条直线时智能微囊的总长度的变化率R _L，根据Pb²⁺浓度与变化率R _L的换算关系式计算待测样品中Pb²⁺的浓度；

步骤1）~2）中，向测试管中加入的智能微囊的组成、直径相同及数量相同，向测试管中加入的纯水、Pb²⁺浓度已知的Pb²⁺溶液以及待测样品的体积相等，控制步骤1）①、1）②步骤2）①、2）②中测试管内的温度相等，在测试管处于水平状态的条件下读取智能微囊整齐排列成一条直线时智能微囊的总长度。

7.根据权利要求6所述铅离子简捷检测方法，其特征在于，控制步骤1）①、1）②步骤2）①、2）②中测试管内的温度为智能微囊的最佳响应温度，所述最佳响应温度是指使得智能凝胶微囊在特异性识别Pb²⁺后具有最大体积溶胀程度的温度。

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