CN112540078B - 一种快速准确比色检测重金属离子的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种快速准确比色检测重金属离子的方法，属于分析检测技术领域。所述方法是将络合比色阵列传感与待测样品混合反应后进行吸收光谱扫描，得到待测液的光谱数据，对光谱数据进行线性判别LDA分析，将LDA图谱中未知样本数据点的位置与已知类型金属离子数据点进行比对，即可判定待测液中金属离子的类型组成和含量；所述络合比色阵列传感指的是由多种能与某种重金属离子发生显色反应的络合试剂组成的比色阵列传感器；所述重金属离子包括Hg2+、Cd2+、Pb2+和Cu2+中的一种或多种。本发明的方法对Pb2+，Hg2+，Cu2+和Cd2+四种离子可以实现同时且低浓度的检测，检测方法简单且准确，准确率达100％。

Description

一种快速准确比色检测重金属离子的方法
技术领域
本发明涉及一种快速准确比色检测重金属离子的方法，属于分析检测技术领域。
背景技术
重金属通常是指其比重大于5的金属物质，也可定义为密度大于4.5g/cm3的金属。符合 该定义的有金、银、铜等45种，其中一些例如锌、镁是人体所必须的元素，但从污染方面来 看，更多是指有显著毒性的铅、镉、汞等。近20年，我国工业发展迅速，越来越多的行业产 生重金属排放问题，如金属、冶炼、化工和印染等。近几年的IT行业新兴，长三角、珠三角地区某些企业大量印刷线路板产生的超标废水排放，污染近海海域。数种污染中，重金属污染由于含量低不容易被察觉，但由于会不断富集也会对人体造成很大的危害。重金属污染广 泛存在于自然界的水体、土壤中等，可随着生物链进入鱼类、农产品、食品加工制品等，随 着食物链进入人体，在体内积蓄。重金属不能被降解，只会与不同的物质反应转化成不同的 形态，其中游离态的金属离子毒性危害最大，某些重金属会使人体内的蛋白质酶结构改变导 致其失活，也可在人类肝脏等器官中聚集，积累到一定浓度会引起中毒。所以重金属污染即 使浓度很低、剂量很小，长期处在污染环境中产生的后果也是十分严重的，尤其是食物链渠 道的富集，所以对于食品中的重金属含量的检测防控十分必要。
目前重金属检测方法主要可以分为精密仪器检测和快速检测两种大类，其中借助精密仪 器检测可以准确得知样品中的重金属含量，具有灵敏性好、准确度高等优点，十分适合于痕 量检测，但也需要昂贵的仪器、复杂的前处理和专业的技术人员。快速检测方法是近年来备 受关注，它们可以实现对重金属离子的快速现场检测，具有快速、操作简单和样品前处理不 复杂等优点，但是无法达到精密仪器检测的灵敏和准确，大多时候是实现定性半定量。关于 两类检测方法介绍如下：
电感耦合等离子体质谱法(ICPMS)，该方法是利用ICP离子源，质谱将离子源产生的 离子按照质荷比不同分开，理论上该技术几乎可以分析地球上所有的元素(Li-U)，具有激 发能力强、灵敏度高、检出限低、线性范围宽、基体效应和自吸收现象小等优点。
原子发射光谱(AES)，利用物质在热激发或者光激发的条件下，某元素的原子或者离 子发射特征光谱，与标准图谱比较以判别物质的元素组成。一次检验可以将物质中所有可检 测元素全部检出，根据特征谱线判断特征物质。该方法可检测元素有七十余种，具有灵敏度 高、选择性好、分析速度快等优点，多用于定性分析。
原子吸收光谱(AAS)，原子吸收光谱分析是基于样品气态中元素的基态原子对其共振 辐射的吸收强度进行分析，该吸收强度在一定范围内与蒸汽相中元素的基态原子浓度成正比。 该方法的特点是灵敏度高、检出限低且分析速度快，应用范围较广，可直接用于测定食品、 大气飘尘、矿质、土壤和水源中的七十多种金属含量。但原子吸收光谱法不能同时进行多元 素的分析，也不能对难熔金属进行分析。
原子荧光光谱法(AFS)是介于原子发射光谱和原子吸收光谱之间的一种方法，其原理 是样品的蒸汽状态的元素基态原子吸收特定频率的辐射而被激发至高能态，而后发射出范围 宽，灵敏度高检出限低，这使该方法在食品、环境科学、冶金、农业等领域都有广泛的应用， 但是该方法能测定的元素种类较少，通常只用来测汞、铅、砷、镉、锑、锌、铋、硒、锡、 碲、锗。
紫外可见分光光度法(UV-Vis)，该方法通常需要将样品与所检测的目标元素显色络合 剂进行络合，发生分子震动能级跃迁和电子能级跃迁，伴有相应的颜色反应。在特定波长下 对其进行检测，通常在一定的范围内吸光强度与元素的浓度成正比。该方法仪器操作较为简 单，准确度较高，但是前处理通常会比较麻烦，干扰较多。
电化学方法，电化学中目前检测重金属应用较好的是阳极溶出伏安法，该方法是在一定 电位下，待测金属离子部分还原成金属溶于电极上，然后对电极施加反向电压，使电极上的 金属氧化成金属离子，此时产生的电流成为氧化电流，峰电流通常与待测物的浓度成正比。 阳极溶出伏安法样品消耗量小、灵敏度较高，且可以对待测的物质进行定量分析，但是重现 性较差，要对反应条件进行严格控制，减小检测的误差。
酶抑制检测技术，利用重金属与某些酶的活性中心结合会使其失活的特性，酶活力下降， 从而引起相关联的显色、电导率等可被监测到的性质变化，据此判断样品中的重金属的存在。 目前最常用于重金属检测的酶是脲酶。该方法快速简单，尤其适合水样中的重金属的检测。 但是对于干扰较多的食品等样品，抗干扰性较差；并且酶的种类限制了可检测的重金属的种 类，特异性较差，酶类本身的不稳定也限制了其发展。
免疫分析检测技术，利用重金属与抗原螯合后与抗体的免疫竞争结合，借助荧光或显色 对样品中时候含有重金属及其含量进行判断。该方法灵敏度高特异性强，检出限较低。但是 重金属离子本身不适合作为抗原刺激生物体产生抗体，需要对其进行络合，另外检测中所需 要的单克隆抗体制备难度较大，操作较为复杂。
发明内容
我们提出了络合比色阵列传感(coordination colorimetric sensor array,CCSA)用于水样中多 种重金属离子的检测。CCSA的设计是基于多个配体都可以与某种离子反应显色，通过选择 不同的配体，加入合适的掩蔽剂，组成可对多种离子产生不同指纹图谱的阵列。CCSA检测 重金属离子具有快速、方便、便宜、灵敏的特点。反应后，肉眼可以观察到颜色的变化，对 光谱数据进行线性判别分析(LDA)，可以对离子进行快速判别。该方法已成功用于水样中Hg2+、 Cd2+、Pb2+和Cu2+的检测。
重金属离子与络合试剂通过配位作用结合，从而使溶液颜色改变引起紫外吸收光谱吸收 信号的改变。对于阵列传感器来说，其本质是一个模式识别的过程，不同的离子溶液对应不 同的模式。利用机器学习算法进行模式识别分析，能够实现对多种重金属离子及其混合溶液 的多种模式的区别检测。阵列与重金属离子反应后光谱数据量大识别困难，因此首先对数据 进行因子提取，对变量进行浓缩。因子分析的最终目标是减少变量个数，以便在进一步的分 析中以较少的因子代替原有变量参与建模。在确定主要因子个数后，对其进行判别分析，从 判别准则来说采用贝叶斯判别方法，以贝叶斯判别函数的形式以及判别得分给出各类别归类 的可能性。
本发明的第一个目的是提供一种快速检测重金属离子的方法，所述方法是将络合比色阵 列传感与待测样品混合后进行扫描，得到待测液的光谱数据，对光谱数据进行线性判别LDA 分析，将LDA图谱中未知样本数据点的位置与已知类型金属离子数据点进行比对，即可判定 待测液中金属离子的类型和含量；所述络合比色阵列传感指的是由多种能与某种重金属离子 发生显色反应的络合试剂组成的比色阵列传感器；所述重金属离子包括Hg2 +、Cd2+、Pb2+和 Cu2+中的一种或多种。LDA(线性判别分析)算法是一种监督性的降维算法，将数据降维处 理，以投影后类内方差最小，类间方差最大为目的来选择投影方向进行降维。
在本发明的一种实施方式中，所述指示剂包括浴铜灵(BCP)、二甲酚橙(XO)、二苯氨 基脲(DPC)、硫代米氏酮(TMK)、镉试剂(Cadion)和维多利亚蓝B(VBB)中的两种或 多种。
在本发明的一种实施方式中，所述浴铜灵(BCP)的浓度为0.1-1.0mM。
在本发明的一种实施方式中，当采用浴铜灵(BCP)作为指示剂时，还需加入盐酸羟胺， 浓度为1-50mM。
在本发明的一种实施方式中，所述二甲酚橙(XO)的浓度为50-100μM。
在本发明的一种实施方式中，采用二甲酚橙(XO)作为指示剂时，控制体系pH在4.5-6 之间。
在本发明的一种实施方式中，采用二甲酚橙(XO)作为指示剂时，可加入邻菲罗啉作为 掩蔽剂，以屏蔽Fe3+干扰；所述邻菲罗啉浓度为2-10mM。
在本发明的一种实施方式中，所述二苯氨基脲(DPC)的浓度为0.3-1.0mM。
在本发明的一种实施方式中，所述硫代米氏酮(TMK)的浓度为0.2-0.8μM。
在本发明的一种实施方式中，所述镉试剂(Cadion)的浓度为10-50μM。
在本发明的一种实施方式中，采用镉试剂(Cadion)作为指示剂时，还可加入增敏剂；所 述增敏剂包括TritonX-100，所述增敏剂的添加量为0.5％。
在本发明的一种实施方式中，所述维多利亚蓝B(VBB)体系是由维多利亚蓝B、KI和抗坏血酸组成，其中，维多利亚蓝B浓度为50-100μM，KI的浓度为0-200mM，抗坏血酸的 浓度为0-1.6mM。
在本发明的一种实施方式中，所述已知类型金属离子的LDA图谱是将络合比色阵列传感 与不同浓度的已知类型重金属离子混合后进行扫描，得到待测液的光谱数据，对光谱数据进 行线性判别LDA分析获得的。
在本发明的一种实施方式中，所述重金属离子浓度为0.05-20μM。
本发明的第二个目的是提供一种上述方法在土壤、废水、湖水和自来水中污染物检测方 面的应用。
本发明的第三个目的是提供一种用于检测重金属离子的络合比色阵列传感，所述络合比 色阵列传感指的是由多种能与某种重金属离子发生显色反应的络合试剂组成的比色阵列传感 器；所述络合试剂选自浴铜灵、二甲酚橙、二苯氨基脲、硫代米氏酮、镉试剂和维多利亚蓝 B体系中的两种或多种。
在本发明的一种实施方式中，所述重金属离子包括Hg2+、Cd2+、Pb2+和Cu2+中的一种或 多种。
在本发明的一种实施方式中，所述浴铜灵(BCP)的浓度为0.1-1.0mM。
在本发明的一种实施方式中，当采用浴铜灵(BCP)作为指示剂时，还需加入盐酸羟胺， 浓度为1-50mM。
在本发明的一种实施方式中，所述二甲酚橙(XO)的浓度为50-100μM。
在本发明的一种实施方式中，采用二甲酚橙(XO)作为指示剂时，控制体系pH在4.5-6 之间。
在本发明的一种实施方式中，采用二甲酚橙(XO)作为指示剂时，可加入邻菲罗啉作为 掩蔽剂，以屏蔽Fe3+干扰；所述邻菲罗啉浓度为2-10mM。
在本发明的一种实施方式中，所述二苯氨基脲(DPC)的浓度为0.3-1.0mM。
在本发明的一种实施方式中，所述硫代米氏酮(TMK)的浓度为0.2-0.8μM。
在本发明的一种实施方式中，所述镉试剂(Cadion)的浓度为10-50μM。
在本发明的一种实施方式中，采用镉试剂(Cadion)作为指示剂时，还可加入增敏剂；所 述增敏剂包括TritonX-100，所述增敏剂的添加量为0.5％。
在本发明的一种实施方式中，所述维多利亚蓝B(VBB)体系是由维多利亚蓝B、KI和抗坏血酸组成，其中，维多利亚蓝B浓度为50-100μM，KI的浓度为0-200mM，抗坏血酸的 浓度为0-1.6mM。
本发明的第四个目的是提供一种上述络合比色阵列传感在检测土壤、废水、湖水和自来 水中重金属离子方面的应用。
本发明的有益效果：
本发明的方法对Pb2+，Hg2+，Cu2+和Cd2+四种离子可以实现同时且低浓度的检测，检测 方法简单且准确，准确率达100％，检测的线性范围在3-20μM,1-20μM,0.5-50μM,0.05-1.2 μM，对应吸光度与其浓度呈线性正比关系，相关系数分别为0.9974,0.9965,0.9971,0.9960， 检出限分别为0.68μM,0.20μM,0.45μM,0.035μM。
附图说明
图1：基于传感阵的实物图(A)和LDA标准分数图模型(B)；
图2：随着Pb2+(A),Hg2+(B),Cu2+(C),Cd2+(D)四种离子浓度的增加信号强度 的变化趋势；内插图：一定范围内离子浓度与吸光度的的线性关系；
图3：十种离子(Na+,K+,NO3 -,Cl-,SO4 2-,NO2-,1mM,Fe3+,Zn2+,Mg2+,Ca+,Pb2+,Cu2+,Hg2+,Cd2+,20μM)在阵列中反应实物图；
图4：十种离子与螯合剂与(A)BCP,(B)TMK,(C)DPC,(D)XO,(E)cadion,(F)VBB反应后在检测特征峰处响应值；
图5：双试剂检测重金属离子LDA标准分数图；
图6：(A)分别基于单个络合试剂建模示意光谱图和(B)LDA标准分数图模型；
图7：罗丹明及其与20μM Pb2+反应后光谱图。
图8：双环己酮草酰二腙及其与20μM Hg2+反应后光谱图。
图9：镉试剂及其与20μM Cd2+反应后光谱图。
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。
材料：
对硝基苯重氮氨基偶氮苯(镉试剂)、二苯碳酰二肼、二甲酚橙、浴铜灵、硫代米蚩酮、 维多利亚兰B、硝酸镉、硝酸汞、硝酸铜、氯化铅、硝酸铬、硝酸镁、硝酸钙、硝酸镁、硝 酸锌、硝酸铁、硝酸镁、硝酸钠等均为分析纯，购于麦克林生化科技有限公司(上海)；氢氧 化钾、冰乙酸、乙酸钠、氢氧化钠、柠檬酸铵、氟化钠、酒石酸钾钠、硫脲、无水乙醇等试 剂均为分析纯，购于国药集团化学试剂有限公司(上海)。
实施例1：一种快速检测重金属离子的方法
一种快速检测金属离子的方法，所述方法是以浴铜灵(BCP)、二甲酚橙(XO)、二苯氨 基脲(DPC)、硫代米氏酮(TMK)、镉试剂(Cadion)和维多利亚蓝B(VBB)试剂六种络 合试剂组合成络合比色阵列传感，分别将待测样品加入到浴铜灵(BCP)、二甲酚橙(XO)、 二苯氨基脲(DPC)、硫代米氏酮(TMK)、镉试剂(Cadion)和维多利亚蓝B(VBB)试剂 中进行混合反应后进行扫描，得到待测液的光谱数据，对光谱数据进行线性判别LDA分析， 将LDA图谱中未知样本数据点的位置与已知类型金属离子数据点进行比对，即可判定待测液 中金属离子的类型组成和含量。具体地，
浴铜灵(BCP)体系：
将0.5mM BCP溶液，60mM的盐酸羟胺溶液和待测样品混合后，静置5分钟后观察其颜色变化，溶液从无色变为浅黄色。将混合溶液使用酶标仪进行扫描，获得不同浓度样品在特征吸收(最大吸收波长为475nm)处吸光度值。
硫代米氏酮(TMK)体系：
将50μMTMK溶液，待测样品混合后，静置5分钟后观察其颜色变化，溶液从黄绿色变为蓝绿色。将混合溶液使用酶标仪进行扫描，获得不同浓度样品在特征吸收(最大吸收波长为586nm和450nm)处吸光度值。
二苯氨基脲(DPC)体系：
将0.5mM DPC，与待测样品混合后，静置5分钟后观察其颜色变化，溶液从无色变为紫 色。将混合溶液使用酶标仪进行扫描，获得不同浓度样品在特征吸收(最大吸收波长为528nm) 处吸光度值。
二甲酚橙(XO)体系：
将50μM XO，5mM邻菲罗啉，HAC-NaAC缓冲溶液(pH 5.5)，待测样品混合后，静置 5分钟后观察其颜色变化，溶液从黄色变为浅红色。将混合溶液使用酶标仪进行扫描，获得不同浓度样品在特征吸收(最大吸收波长为574nm和435nm)处吸光度值。
镉试剂(cadion)体系：
将30μM镉试剂，2％的TritonX-100，与待测样品混合后，静置5分钟后观察其颜色变化， 溶液从紫色变为橙红色。将混合溶液使用酶标仪进行扫描，获得不同浓度样品在特征吸收(最 大吸收波长为586nm和450nm)处吸光度值。
维多利亚蓝B(VBB)体系：
将100mM KI、0.8mM抗坏血酸和70μM VBB与待测样品混合混合后，静置5分钟后观察其颜色变化，溶液从绿色变为蓝色。将混合溶液使用酶标仪进行扫描，获得不同浓度样品在特征吸收(最大吸收波长为453nm和663nm)处吸光度值。
其中，阵列鉴别离子的模型是按照上述条件，将1μM-100μM中数个离子浓度(1μM,5μM,10μM,20μM,50μM,100μM)的Hg2+、Cd2+、Pb2+和Cu2+的标准样品，每个浓度4个平行 重复，与上述阵列(六种螯合剂)进行反应，反应后的阵列由酶标仪扫描350-800nm区间光 谱，将光谱数据提交至LDA，此时数据建模时将六种螯合剂光谱变化共同指征某种离子的存 在，得到如图1所示的标准分数图。可以发现，四种离子完全区分开落在不同的区域，阵列 鉴别离子的模型建立成功。
为了验证模型检测未知样品的准确性，每种离子至少选择9个未知样品，反应后采集光 谱，光谱数据输入模型中预测其离子种类。如表1所示，其准确率为100％。
表1阵列检测重金属离子的准确度验证
Figure BDA0002810275560000071
Figure BDA0002810275560000081
络合阵列实现了对单个重金属离子的检测，接下来考察该络合阵列对多种重金属离子同 时存在时的检测性能。四种离子中若同时存在多种离子，共有十种可能的组合(Cd2+Cu2+,Cd2+ Hg2+,Hg2+Cu2+,Cd2+Pb2+,Pb2+Cu2+,Pb2+Hg2+,Cd2+Hg2+Cu2+,Cu2+Cd2+Pb2+,Cd2+Pb2+Hg2+,Pb2+Cd2+Hg2+Cu2+)，将十种组合中数种离子采用等比混合方式，即几种离子浓度相同。多种离子存在时可能有很多种浓度组合方式，本实验中选择浓度相同的情况进行验证，是考虑到 实际应用中，重金属离子浓度普遍较低，如果在多种污染离子存在的区域记性检测，很可能 是几种离子浓度相近，所以选择较为代表性和普遍的相同的浓度进行检测。在1-50μM内选 择多个浓度与阵列反应后，采集光谱数据提交至LDA分析，不管是溶液中存在两种、三种还 是四种离子，都可以被很好地区分开，落在不同的区域。说明本设计中的络合阵列可以很好 的区分多种离子存在的情况，可以同时检测多种离子。
结合阵列和LDA模型对于重金属离子会有较好的定性区分，当对离子进行定量检测时， 需要借助吸光度变化与离子浓度的关系。阵列中有多种螯合试剂，选择与离子可以产生反应 而且变化较明显的螯合剂作为定量判别指示剂。从图2中可以看出，离子浓度与信号强度的 关系基本呈“S”型增加，拟合关系曲线可以发现Pb2+，Hg2+和Cu2+分别在3-20μM，1-20μM， 0.5-20μM与吸光度上升趋势拟合呈线性关系，线性方程分别为y＝0.0338x-0.17255， y＝0.0222x+0.05621，y＝0.0071x+0.04324，相关系数分别为0.9974,0.9965,0.9971。Cd2+在很窄 的浓度范围与cadion反应后吸光度迅速增加，拟合后发现其浓度0.05-1.2μM范围内与吸光 度的对数值呈线性关系，线性方程为y＝0.79445-0.43936，相关系数为0.9960。
根据相关计算方法，可以得到四种离子Pb2+，Hg2+，Cu2+和Cd2+检测限(LOD)分别为0.68μM，0.20μM，0.45μM，0.035μM，定量限(LOQ)分别为2.06μM，0.62μM，0.5μM， 0.12μM。与其他类似方法相比较，具有明显优势。
本实验中所设计的阵列由六种络合试剂组成，阵列组成具备一定的抗干扰性能，但是若 超出阵列可区分识别的范围，干扰离子的存在就会导致检测假阳性的出现。因此我们需要研 究每种络合试剂的抗干扰能力，从而推测整个阵列的准确度和对干扰离子的排除能力。如图 3所示，10种常见离子，Na+,K+,NO3 -,Cl-,SO4 2-,NO2-,Fe3+,Zn2+,Mg2+,Ca+在20μM的浓度 下对阵列都几乎没有影响，从图中可以看出，颜色变化不大，干扰较小。而且产生明显干扰 处(例如cadion和Zn2+)颜色与目标离子的影响阵列产生的颜色不同，在光谱上表现出的吸 收峰也会不同。
为了进一步探索Fe3+,Zn2+,Mg2+,Ca+是否会对我们采用的光谱检测产生影响，我们对其 光谱进行分析，对比如图4所示。可以发现，检测处吸收峰较小，而且不会多种干扰例子同 时对多种络合试剂产生干扰，所以阵列完全可以屏蔽这些常见离子的干扰，准确识别目标离 子。
实施例2：一种用于检测Pb2+的络合比色阵列传感
一种用于检测Pb2+的络合比色阵列传感，所述络合比色阵列传感由XO和VBB两种络合 试剂组成。
二甲酚橙(XO)体系：
将50μM XO，5mM邻菲罗啉，HAC-NaAC缓冲溶液(pH 5.5)，20μM Pb2+混合后，静 置5分钟后观察其颜色变化，溶液从黄色变为浅红色。将混合溶液使用酶标仪进行扫描，获 得不同浓度样品在特征吸收(最大吸收波长为574nm和435nm)处吸光度值。
维多利亚蓝B(VBB)体系：
将100mM KI、0.8mM抗坏血酸和70μM VBB与20μM Cd2+混合混合后，静置5分钟后 观察其颜色变化，溶液从绿色变为蓝色。将混合溶液使用酶标仪进行扫描，获得不同浓度样品在特征吸收(最大吸收波长为453nm和663nm)处吸光度值。
实施例3：一种用于检测Cu2+的络合比色阵列传感
一种用于检测Cu2+的络合比色阵列传感，所述络合比色阵列传感由BCP和VBB试剂组 成。
浴铜灵(BCP)体系：
将0.5mM BCP溶液，60mM的盐酸羟胺溶液和20μM Cu2+混合后，静置5分钟后观察 其颜色变化，溶液从无色变为浅黄色。将混合溶液使用酶标仪进行扫描，获得不同浓度样品在特征吸收(最大吸收波长为475nm)处吸光度值。
维多利亚蓝B(VBB)体系：
将100mM KI、0.8mM抗坏血酸和70μM VBB与20μM Cd2+混合混合后，静置5分钟后 观察其颜色变化，溶液从绿色变为蓝色。将混合溶液使用酶标仪进行扫描，获得不同浓度样品在特征吸收(最大吸收波长为453nm和663nm)处吸光度值。
实施例4：一种用于检测Cd2+的络合比色阵列传感
一种用于检测Cd2+的络合比色阵列传感，所述络合比色阵列传感是由镉试剂和VBB试 剂组成。
镉试剂(cadion)体系：
将30μM镉试剂，2％的TritonX-100，与20μM Cd2+混合后，静置5分钟后观察其颜色变化，溶液从紫色变为橙红色。将混合溶液使用酶标仪进行扫描，获得不同浓度样品在特征吸收(最大吸收波长为586nm和450nm)处吸光度值。
维多利亚蓝B(VBB)体系：
将100mM KI、0.8mM抗坏血酸和70μM VBB与20μM Cd2+混合混合后，静置5分钟后 观察其颜色变化，溶液从绿色变为蓝色。将混合溶液使用酶标仪进行扫描，获得不同浓度样品在特征吸收(最大吸收波长为453nm和663nm)处吸光度值。
实施例5：一种用于检测Hg2+的络合比色阵列传感
一种用于检测Hg2+的络合比色阵列传感，所述络合比色阵列传感是由TMK和DPC试剂 组成。
硫代米氏酮(TMK)体系：
将50μMTMK溶液，20μM Hg2+混合后，静置5分钟后观察其颜色变化，溶液从黄绿色变为蓝绿色。将混合溶液使用酶标仪进行扫描，获得不同浓度样品在特征吸收(最大吸收波长为586nm和450nm)处吸光度值。
二苯氨基脲(DPC)体系：
将0.5mM DPC，与20μMHg2+混合后，静置5分钟后观察其颜色变化，溶液从无色变为紫色。将混合溶液使用酶标仪进行扫描，获得不同浓度样品在特征吸收(最大吸收波长为528 nm)处吸光度值。
利用两种络合剂共同指征一种重金属离子的存在，选择XO和VBB与Pb2+，BCP和VBB与Cu2+，cadion和VBB与Cd2+，TMK和DPC与Hg2+，与实施例1的反应条件相同，所选 择的都是可以产生颜色反应的螯合物与重金属离子的组合，二对一反应指征检测，即只有使 两者同时变色才能证明某种离子的存在。在5-50μM区间内选择数个离子浓度与螯合剂反应 后，将光谱数据提交至LDA分析。分析时将两种螯合剂的对一种离子的反应光谱设置为同一 种离子的鉴别光谱，即两种螯合试剂共同指征检测一种离子。如图5所示，发现四种离子亦 可以被很好的区分开，落在四个不同的区域，即我们可以认为得到一个简单的利用双试剂区 分离子的模型。接下来每种组合至少选择9个样品(3个不同浓度×三个平行)，共四组即36 个未知样品，与螯合剂反应后扫描光谱后利用图6(B)中模型预测未知样品的种类，如表2 所示，可以发现预测准确度为100％，即对未知样品可以准确预测其离子种类。
表2双试剂检测重金属离子准确度验证
Pb Hg Cu Cd Identification Verification
R1 -182.45 -155.41 -6.24 -266.38 Cu Cu
R2 -242.83 -205.29 -11.11 -347.97 Cu Cu
R3 -242.60 -203.43 -9.76 -340.85 Cu Cu
R4 -193.47 -164.32 -6.49 -281.25 Cu Cu
R5 -228.84 -191.41 -7.99 -317.43 Cu Cu
R6 -202.80 -167.42 -3.87 -293.37 Cu Cu
R7 -193.71 -161.90 -5.95 -275.53 Cu Cu
R8 -232.18 -194.81 -8.61 -324.52 Cu Cu
R9 -180.57 -148.34 -2.50 -267.97 Cu Cu
R10 -30.92 -87.60 -232.68 -13.35 Cd Cd
R11 -36.98 -85.35 -241.73 -9.22 Cd Cd
R12 -45.51 -100.51 -267.52 -11.89 Cd Cd
R13 -36.49 -93.51 -257.37 -11.32 Cd Cd
R14 -45.87 -102.79 -272.40 -12.97 Cd Cd
R15 -55.66 -110.74 -284.35 -13.94 Cd Cd
R16 -39.90 -98.61 -245.01 -16.72 Cd Cd
R17 -50.92 -107.23 -288.51 -12.28 Cd Cd
R18 -49.00 -106.89 -272.63 -14.95 Cd Cd
R19 -32.49 -5.29 -154.24 -54.13 Hg Hg
R20 -28.90 -6.93 -181.64 -41.18 Hg Hg
R21 -37.95 -4.58 -169.70 -49.87 Hg Hg
R22 -35.83 -5.70 -159.57 -59.23 Hg Hg
R23 -34.33 -6.69 -185.21 -44.79 Hg Hg
R24 -42.09 -7.27 -184.68 -48.08 Hg Hg
R25 -38.05 -6.18 -163.21 -60.70 Hg Hg
R26 -31.80 -8.73 -192.11 -40.22 Hg Hg
R27 -37.81 -3.86 -160.79 -50.31 Hg Hg
R28 -10.80 -19.81 -148.40 -43.25 Pb Pb
R29 -7.83 -31.15 -149.10 -39.55 Pb Pb
R30 -4.57 -23.68 -164.97 -25.34 Pb Pb
R31 -10.95 -14.20 -153.21 -41.89 Pb Pb
R32 -6.26 -19.53 -154.97 -36.43 Pb Pb
R33 -3.09 -29.52 -166.37 -28.11 Pb Pb
R34 -12.68 -14.11 -163.50 -41.63 Pb Pb
R35 -6.33 -22.35 -164.81 -33.49 Pb Pb
R36 -3.69 -26.40 -162.28 -26.90 Pb Pb
实施例6：一种用于检测重金属离子的络合比色阵列传感
一种用于检测重金属离子的络合比色阵列传感，所述络合比色阵列传感是由浴铜灵 (BCP)、二甲酚橙(XO)、二苯氨基脲(DPC)、硫代米氏酮(TMK)、镉试剂(Cadion)和 维多利亚蓝B(VBB)试剂六种络合试剂组合。
实施例11：一种快速检测湖水中金属离子的方法
为了评估该方法在实际应用中的潜力，将建立的络合阵列比色检测多种重金属离子的方 法应用于实际水样的检测。取校园内协同创新大楼245水龙头自来水，校园内南区湖水和北 区湖水，将三种水样过0.22μm滤膜后与4℃冰箱中冷藏备用。在三个实际水样中，Cd2+，Cu2+， Hg2+和Pb2+分别加标0.5μM，2.0μM，2.0μM，2.0μM。检测时，将阵列所需试剂预先装载于 96孔板内，后加入加标水样，五分钟阵列显色稳定后，酶标仪扫描阵列光谱，将其提交至LDA 模型分析，预测实际样品中所含离子种类。实际样品中通常有多种干扰离子，如常见的Ca2+， Mg2+等，会对阵列检测造成较大的挑战。如表3所示，对于实际水样中离子种类进行定性检 测，鉴别准确性为100％。这证明阵列检测对于实际样品的检测是可靠的，具有可观的实际应 用的潜力，可以实现对实际样品的定性检测和初步筛查。接下来根据阵列所得到的结果计算 四种离子的回收率，以判断其定量检测的能力，从表4中可以看出，Cu2+，Hg2+和Pb2+三种 离子的回收率在80.7％-106.2％之间，符合相关分析标准，具有一定的参考意义；而Cd2+的回 收率不太稳定，差别较大，可能是对该离子有反应的相关试剂对实际样品中复合干扰离子响 应较高，或者信号被一定程度的屏蔽，与干扰离子结合但不发生颜色改变等情况，导致其回 收率或高或过低。总而言之，阵列基本可以实现对实际样品中重金属离子的定性区分鉴别和 一定程度上的半定量检测。
将本方法有其他类似方法对比，如表5所示，发现本方法检测限较低，同时也可以满足 限量检测的要求，所以本方法在快速检测水样中重金属具有较高的可行性和较好的应用前景。
表3实际样品中重离子种类的预测
Figure BDA0002810275560000121
Figure BDA0002810275560000131
表4不同实际样品中(自来水和湖水)重金属离子浓度(μM)、回收率(％)和RSD(％)
Figure BDA0002810275560000132
Figure BDA0002810275560000141
表5不同比色阵列测定重金属离子的比较
Figure BDA0002810275560000142
对比例1：浴铜灵(BCP)体系
将0.5mM BCP溶液，60mM的盐酸羟胺溶液和20μM Cu2+混合后，静置5分钟后观察 其颜色变化，溶液从无色变为浅黄色。将混合溶液使用酶标仪进行扫描，获得不同浓度样品在特征吸收(最大吸收波长为475nm)处吸光度值。
对比例2：硫代米氏酮(TMK)体系
将50μMTMK溶液，20μM Hg2+混合后，静置5分钟后观察其颜色变化，溶液从黄绿色变为蓝绿色。将混合溶液使用酶标仪进行扫描，获得不同浓度样品在特征吸收(最大吸收波长为586nm和450nm)处吸光度值。
对比例3：二苯氨基脲(DPC)体系
将0.5mM DPC，与20μMHg2+混合后，静置5分钟后观察其颜色变化，溶液从无色变为紫色。将混合溶液使用酶标仪进行扫描，获得不同浓度样品在特征吸收(最大吸收波长为528 nm)处吸光度值。
对比例4：二甲酚橙(XO)体系
将50μM XO，5mM邻菲罗啉，HAC-NaAC缓冲溶液(pH 5.5)，20μM Pb2+混合后，静 置5分钟后观察其颜色变化，溶液从黄色变为浅红色。将混合溶液使用酶标仪进行扫描，获 得不同浓度样品在特征吸收(最大吸收波长为574nm和435nm)处吸光度值。
对比例5：镉试剂(cadion)体系
将30μM镉试剂，2％的TritonX-100，与20μM Cd2+混合后，静置5分钟后观察其颜色变 化，溶液从紫色变为橙红色。将混合溶液使用酶标仪进行扫描，获得不同浓度样品在特征吸 收(最大吸收波长为586nm和450nm)处吸光度值。
对比例6：维多利亚蓝B(VBB)体系
将100mM KI、0.8mM抗坏血酸和70μM VBB与20μM Cd2+混合混合后，静置5分钟后 观察其颜色变化，溶液从绿色变为蓝色。将混合溶液使用酶标仪进行扫描，获得不同浓度样品在特征吸收(最大吸收波长为453nm和663nm)处吸光度值。
对利用六种螯合剂分别单个与可产生颜色变化的离子反应，根据前文中的光谱反应结果， 我们选择XO和VBB分别与Pb2+，BCP和VBB与Cu2+，cadion和VBB与Cd2+，TMK,DPC,cadion和VBB与Hg2+，一对一反应后采集光谱。所选择的对应螯合剂和离子都是可以引起颜色变化的组合。在5-50μM区间内选择数个离子浓度与螯合剂反应后，将光谱数据(如图6(A))提交至LDA分析，发现四种离子可以被很好的区分开，分别落在不同的区域，即我 们可以认为得到一个简单的利用单个试剂区分离子的模型。接下来每个组合至少选择9个样 品(3个不同浓度×三个平行)，共10个组合即90个未知样品，与螯合剂反应后扫描光谱后 利用图6(B)中模型预测未知样品的种类，如表6所示，可以发现预测准确度只有81％(90 个样品中17个预测错误)。在没有干扰离子存在的情况下，即使对标准样品的预测准确度也 只有81％是远远无法满足检测需求的。这充分证明单个试剂检测重金属离子的不准确度和不可靠性。
表6单个试剂检测重金属离子的准确度验证
Figure BDA0002810275560000151
Figure BDA0002810275560000161
Figure BDA0002810275560000171
对比例7：
参照对比例1的方法，将浴铜灵试剂替换成1mM罗丹明B，加入铜离子，静置五分钟后，将混合溶液使用酶标仪进行扫描，获得不同浓度样品在特征吸收(最大吸收波长为555nm) 处吸光度值。观察可以发现，罗丹明B溶液颜色为粉紫色，加入重金属离子后颜色并未发生 变化，如图7所示，扫描光谱吸收峰的位置也未有红移或蓝移，证明罗丹明B试剂无法有效 监测铜离子。
对比例8：
参照对比例2的方法，将硫代米氏酮试剂替换成双环己酮草酰二腙，将50μM双环己酮草酰二腙溶液，20μM Hg2+混合后，静置5分钟后观察其颜色变化，溶液颜色没有发生变化。将混合溶液使用酶标仪进行扫描，获得不同波长下变化曲线，如图8所示，可以发现加入汞离子前后溶液的吸收曲线并为有明显变化，证明双环己酮草酰二腙不能有效检测汞离子。
对比例9：
参照对比例5的方法，省略其中的Triton-X试剂，其他参数条件与对比例5一致。将30 μM镉试剂，与20μM Cd2+混合后，静置5分钟后观察其颜色变化，溶液颜色未发生明显 改变。将混合溶液使用酶标仪进行扫描，获得不同波长处吸光度值。如图9所示，不加Triton-X试剂的情况下，溶液加镉离子前后变化不明显。
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 (8)

1.一种快速检测重金属离子的方法，其特征在于，所述方法是将络合比色阵列传感器与待测样品混合反应后进行吸收光谱扫描，得到待测液的光谱数据，对光谱数据进行线性判别LDA分析，将LDA图谱中未知样本数据点的位置与已知类型金属离子数据点进行比对，即可判定待测液中金属离子的类型组成和含量；所述络合比色阵列传感器指的是由多种能与某种重金属离子发生显色反应的络合试剂组成的比色阵列传感器；所述重金属离子包括Hg2+、Cd2+、Pb2+和Cu2+中的一种或多种；所述络合试剂为浴铜灵、二甲酚橙、二苯氨基脲、硫代米氏酮、镉试剂和维多利亚蓝B体系。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述浴铜灵的浓度为0.1-1.0mM，和/或，所述二甲酚橙的浓度为50-100μM，和/或，所述二苯氨基脲的浓度为0.3-1.0mM，和/或，所述硫代米氏酮的浓度为0.2-0.8μM，和/或，所述镉试剂的浓度为10-50μM，和/或，所述维多利亚蓝B体系是由维多利亚蓝B、KI和抗坏血酸组成，其中，维多利亚蓝B浓度为50-100μM，KI的浓度为0-200mM，抗坏血酸的浓度为0-1.6mM。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述已知类型金属离子的LDA图谱是将络合比色阵列传感与不同浓度的已知类型重金属离子混合后进行扫描，得到待测液的光谱数据，对光谱数据进行线性判别LDA分析获得的。
4.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，所述重金属离子浓度为0.05-20μM。
5.权利要求1-4任一项所述的方法在土壤、废水、湖水和自来水中污染物检测方面的应用。
6.一种用于检测重金属离子的络合比色阵列传感器，其特征在于，所述络合比色阵列传感器指的是由多种能与某种重金属离子发生显色反应的络合试剂组成的比色阵列传感器；所述重金属离子包括Hg2+、Cd2+、Pb2+和Cu2+中的一种或多种；所述络合试剂为浴铜灵、二甲酚橙、二苯氨基脲、硫代米氏酮、镉试剂和维多利亚蓝B体系。
7.根据权利要求6所述的络合比色阵列传感器，其特征在于，所述浴铜灵的浓度为0.1-1.0mM，和/或，所述二甲酚橙的浓度为50-100μM，和/或，所述二苯氨基脲的浓度为0.3-1.0mM，和/或，所述硫代米氏酮的浓度为0.2-0.8μM，和/或，所述镉试剂的浓度为10-50μM，和/或，所述维多利亚蓝B体系是由维多利亚蓝B、KI和抗坏血酸组成，其中，维多利亚蓝B浓度为50-100μM，KI的浓度为0-200mM，抗坏血酸的浓度为0-1.6mM。
8.权利要求6-7任一项所述的络合比色阵列传感器在检测土壤、废水、湖水和自来水中重金属离子方面的应用。
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