CN111879745A - 一种基于廉价染料阵列用于水中多种重金属离子检测的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于廉价荧光染料阵列同时检测水中多种重金属离子的高灵敏度检测方法。所述方法步骤为：在基底表面制备具有超宽带隙的(2+1)维的光子晶体异质结，带隙宽度覆盖280nm‑700nm；前述制备的(2+1)维光子晶体异质结进行亲水处理，构造超亲水表面；利用激光烧结技术在前述制备的光子晶体片表面制备阵列图案；将荧光染料溶液滴加在阵列点上晾干，得到荧光传感阵列芯片；检测时，在芯片上滴加含待测金属离子的水溶液，晾干后在紫外光下拍照，经图像软件RGB差减处理后，得到特异性“指纹”图谱，比对后，即可得知待测金属离子种类。本发明方法成本低，灵敏度高，并能实现高通量检测。

Description

一种基于廉价染料阵列用于水中多种重金属离子检测的方法
技术领域
本发明属于环境监测技术领域，具体涉及一种基于廉价荧光染料阵列同时检测水中多种重金属离子的高灵敏度检测方法。
背景技术
重金属废水是对环境污染最严重和对人类危害最大的工业废水之一。发展简单、快速、低成本的重金属离子检测技术对生命、环境、医学以及工农业生产等都具有重要的意义。除常规仪器检测外，荧光传感器具有可视、快捷、灵敏度高和选择性好等优点，它依靠荧光信号为检测手段，如荧光的增强、猝灭、发射波长的移动，来实现对目标物质进行检测。金属离子荧光传感器常用的荧光物质有荧光探针等。但是常见的特异性荧光探针合成和提纯过程复杂繁琐，对合成条件和操作技术要求严格，合成周期长，成本高昂。此外，一种特异性探针只能检测一种金属离子，很难实现对水中多种金属离子的同时检测。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用廉价荧光染料阵列实现水样中多种重金属离子高灵敏度检测的方法。
为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
一种水中多种重金属离子检测的方法，所述方法包括以下步骤：
(1)在基底表面制备具有超宽带隙的(2+1)维的光子晶体异质结，带隙宽度覆盖280 nm-700nm；
(2)对步骤(1)中制备的(2+1)维光子晶体异质结进行亲水处理，构造超亲水表面；
(3)利用激光烧结技术在步骤(2)制备的光子晶体片表面制备阵列图案；
(4)将荧光染料溶液滴加在阵列点上晾干，得到荧光传感阵列芯片；
(5)检测时，在芯片上滴加含待测金属离子的水溶液，晾干后在紫外光下拍照，经图像软件RGB差减处理后，得到特异性“指纹”图谱，比对后，即可得知待测金属离子种类。
上述技术方案中，进一步地，所述步骤(3)为：以二氧化碳激光器在光子晶体芯表面灼烧均匀分布的阵列，所述二氧化碳激光器的激光直写速度为100-1000mm/s，激光功率为 3-30W。
上述技术方案中，进一步地，所述步骤(1)的基底为载玻片。
上述技术方案中，进一步地，所述步骤(1)为：层层组装法制备得到光子晶体多异质结构，组装基元为聚合物小球，所述聚合物小球尺寸为100-300nm，所述聚合物小球材料为聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸酯、聚(苯乙烯-丙烯酸)、聚(苯乙烯-丙烯酸丁酯-丙烯酸)、聚(苯乙烯-丙烯酸乙酯-丙烯酸)、聚(苯乙烯-甲基丙烯酸酯-丙烯酸)、聚(丙烯酰胺-2-丙烯酰胺基 -2-甲基丙磺酸-苯乙烯-丙烯酸)；基于所述聚合物小球的尺寸和材料，得到的多异质结光子带隙宽度覆盖280-700nm。
上述技术方案中，进一步地，所述步骤(2)亲水处理为氧等离子体清洗。
上述技术方案中，进一步地，所述荧光物质为罗丹明B、核黄素、钙黄绿素、香豆素、荧光素、罗丹明B酰肼、8-羟基喹啉。
本发明方法采用阵列传感检测，能直接用廉价易得的荧光染料实现对金属离子的识别。通过在小型芯片基底上组合多种具有识别能力的染料分子，形成传感阵列，利用其与被测物的不同的颜色反应产生类似“指纹”的阵列图案，实现快速的高通量检测，识别范围更广，检出限更低，灵敏度更高。选作芯片固态基底的(2+1)维光子晶体具有可覆盖整个可见波段的超宽光子带隙，可同时增强不同染料的荧光信号，实现对多染料荧光信号的同时放大。这样仅需一种基底就能同时增强所选用的各荧光染料的荧光强度，提高检测的灵敏度和准确性。
本发明的有益效果：
本发明结合光子晶体调制荧光增强的优点和高通量式阵列传感检测范围广、检出限低、灵敏度高的优点，为生化检测领域进行即时、灵敏、便捷的重金属离子检测提供了一种可行性方法。
本发明方法成本低。本发明方法所用的荧光物质都是常见廉价易得的荧光药品，将他们的淬灭与增强效应进行阵列组合，就能达到数种昂贵的荧光探针分子具有的识别效果，无需复杂的化学合成及提纯等后处理操作。光子晶体的制备原料廉价易得，制备流程简单，其荧光增强特性实现了固态基底的良好检测效果。
本发明方法灵敏度高。每个阵列点检测所需样品液量仅在4微升左右，即使金属离子浓度不足1mM，检测结果利用计算机进行RGB颜色识别，能通过收集到的大量数据在短时间内快速得到检测结果，且肉眼可见。RGB差减后得到的“指纹”图谱更将微小差别有效放大，灵敏度非常高。
本发明方法实现了高通量检测。采用阵列组合模式，可通过阵列化设计，得到多组阵列，如7×10，7×50每片芯片能在同一时刻检测10/50组水样，短时处理大量样品，实现高通量检测。
附图说明
图1本发明方法荧光传感阵列芯片制备过程示意图；
图2实物荧光照片与RGB指纹图谱之间的转换；
图3 7×10阵列芯片得到的9重金属离子指纹图谱的标准卡片及数据分析处理结果；
图4不同浓度Hg2+的识别结果。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不以任何方式限制本发明。
实施例1
一种用于检测水中多种金属离子的廉价荧光传感阵列芯片的制备方法，具体步骤如下：
(1)玻璃衬底的准备：将帆船牌载玻片用玻璃刀裁成边长为2.5cm的正方形玻璃片。用去离子水洗净，分别在无水乙醇和去离子水中交替超声至少3次，最后经去离子水中超声后，放入适量食人鱼洗液(浓硫酸：30％过氧化氢＝7:3)中，浸泡24小时以上。取出后用去离子水冲洗干净，并用氮气吹干，得到表面亲水的玻璃衬底。
(2)在衬底表面旋涂一层聚苯乙烯薄膜，使表面疏水。
(3)利用水/气界面自组装结合甲苯溶剂蒸气退火得到高质量胶体晶体单层，后经多次层层叠加在玻璃衬底表面制备出32层的聚苯乙烯光子晶体层(自上而下：8层176nmPS球膜、8层200nmPS球膜、8层226nmPS球膜、8层240nmPS球膜)。
(4)将光子晶体片表面进行氧等离子体清洗，得到超亲水表面。
(5)使用二氧化碳激光器(激光直写速度600mm/s，激光功率12W)在光子晶体片表面烧蚀出均匀分布的7个圆环(半径2.5mm)。
(6)分别将适宜浓度的7种荧光染料或探针溶液滴加到对应的阵列环内，并晾干芯片；
所述浓度具体为：罗丹明B2.5×10-5M、荧光素5×10-4M、核黄素10-4M、钙黄绿素10-4M和香豆素5×10-5M、罗丹明酰肼10-4M、8-羟基喹啉5×10-3M。
(7)检测时，在芯片上每个点滴加4微升(分两次滴加)含有待测金属离子的水溶液。晾干后，保证环境黑暗，在固定的紫外光源(365nm的紫外灯)下用手机或相机拍摄荧光阵列的图片。
(8)经Photoshop等图像软件进行RGB值识别后，对阵列点的RGB值进行差减处理，得到的变化值转化为指纹图谱的RGB值，从而得到最终的特异性“指纹”图谱。对照芯片金属离子的标准指纹图谱，可以判断样品中含有的金属离子种类。
结果如图2所示。本传感阵列可识别9种金属离子。
实施例2
本发明方法也适用于做高通量检测：
(1)玻璃片面积为6cm×8cm，经实施例1中步骤(1)、(2)表面处理后，利用上述方法步骤(3)在其表面制备(2+1)维光子晶体异质结，带隙覆盖280-700nm；
(2)将光子晶体片表面进行氧等离子体清洗，得到超亲水表面。
(3)利用二氧化碳激光器(激光直写速度600mm/s，激光功率12W)在光子晶体片表面烧蚀出均匀分布的7×10个圆环点阵；
(4)按实施例1中步骤(6)，在7×10个圆环点阵上，分别滴加7种荧光物质，得到7×10 的荧光传感阵列；
(5)检测时，可分别将10组含有金属离子的水样，每个4μL依次滴加到7×10的荧光传感阵列，待水溶液晾干后，保证环境黑暗，在固定的紫外光源(365nm的紫外灯)下用手机或相机拍摄荧光阵列的图片；
(6)经Photoshop等图像软件进行RGB值识别后，对阵列点的RGB值进行差减处理，得到的变化值转化为指纹图谱的RGB值，从而得到最终的特异性“指纹”图谱。对照芯片金属离子的标准指纹图谱，可以同时判断10组样品中分别含有的金属离子种类，从而实现高通量测量。检测结果如图3所示，说明识别的有效性。
实施例3
本发明的方法也适用于做高灵敏度检测：
基于光子晶体的荧光增强效应，可对检测信号进行放大，本荧光传感阵列可应用于高灵敏度检测。
将含有不同浓度的Hg2+水溶液，滴加到实施例1中的芯片上，晾干，拍照后可得到一系列不同的指纹图谱，最低可检测到的Hg2+水溶液的浓度为10-7M。结果如图4所示。
对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (6)

1.一种水中多种重金属离子检测的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)在基底表面制备具有超宽带隙的(2+1)维的光子晶体异质结，带隙宽度覆盖280nm-700nm；
(2)对步骤(1)中制备的(2+1)维光子晶体异质结进行亲水处理，构造超亲水表面；
(3)利用激光烧结技术在步骤(2)制备的光子晶体片表面制备阵列图案；
(4)将荧光染料溶液滴加在阵列点上晾干，得到荧光传感阵列芯片；
(5)检测时，在芯片上滴加含待测金属离子的水溶液，晾干后在紫外光下拍照，经图像软件RGB差减处理后，得到特异性“指纹”图谱，比对后，即可得知待测金属离子种类。
2.根据权利要求1所述的一种水中多种重金属离子检测的方法，其特征在于，所述步骤(3)为：以二氧化碳激光器在光子晶体芯表面灼烧均匀分布的阵列，所述二氧化碳激光器的激光直写速度为100-1000mm/s，激光功率为3-30W。
3.根据权利要求1所述的一种水中多种重金属离子检测的方法，其特征在于，所述步骤(1)的基底为载玻片。
4.根据权利要求1所述的一种水中多种重金属离子检测的方法，其特征在于，所述步骤(1)为：层层组装法制备得到光子晶体多异质结构，组装基元为聚合物小球，所述聚合物小球尺寸为100-300nm，所述聚合物小球材料为聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸酯、聚(苯乙烯-丙烯酸)、聚(苯乙烯-丙烯酸丁酯-丙烯酸)、聚(苯乙烯-丙烯酸乙酯-丙烯酸)、聚(苯乙烯-甲基丙烯酸酯-丙烯酸)、聚(丙烯酰胺-2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸-苯乙烯-丙烯酸)；基于所述聚合物小球的尺寸和材料，得到的多异质结光子带隙宽度覆盖280-700nm。
5.根据权利要求1所述的一种水中多种重金属离子检测的方法，其特征在于，所述步骤(2)亲水处理为氧等离子体清洗。
6.根据权利要求1所述的一种水中多种重金属离子检测的方法，其特征在于，所述荧光物质为罗丹明B、核黄素、钙黄绿素、香豆素、荧光素、罗丹明B酰肼、8-羟基喹啉。
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