CN112540080A - 一种基于银纳米三角与Ag+协同体系的As(Ⅲ)检测方法 - Google Patents

一种基于银纳米三角与Ag+协同体系的As(Ⅲ)检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于银纳米三角与Ag+协同体系的As(Ⅲ)检测方法，该方法以在银纳米三角中加入定量的Ag+所产生的吸收峰位置作为空白值，加入不同浓度的As(Ⅲ)后，银纳米三角的吸收峰位置将发生蓝移，As(Ⅲ)浓度越高，蓝移值越大，从而实现了对As(Ⅲ)的检测。体系中微量Ag+的存在，不仅较大提高了检测As(Ⅲ)的灵敏度同时避免了常见卤素离子对于银纳米三角的干扰，极大提高了选择性。本发明不但兼顾了高灵敏度、高选择性、响应快的特点，同时为各种水源中As(Ⅲ)浓度的检测提供了新思路。

Description

一种基于银纳米三角与Ag+协同体系的As(Ⅲ)检测方法
技术领域
本发明属于As(Ⅲ)化学检测技术领域，具体涉及一种基于银纳米三角与Ag+协同体系的As(Ⅲ)检测方法。
背景技术
As是地壳中的常见元素。它以痕量成分存在于200多种矿物质中，平均浓度为1.5-2 mg As / kg。同时，As也是一种剧毒的元素，这种元素会对饮用水造成污染，也能够导致土壤和农作物污染，严重威胁着全球环境和人类健康。
水中最常见的无机砷种类包括砷酸盐(As(V)，AsO4 3-)和亚砷酸盐(As(III)，AsO3 3-)。As(V)的毒性是其与磷的相似性的结果，磷可抑制氧化磷酸化，从而使能量产生系统短路。在氧化条件下，砷酸盐是主要的形式，而亚砷酸盐更具毒性，因为它可以与巯基形成共价键，从而损害许多蛋白质的功能和合成并影响呼吸。长期暴露于低剂量的砷下可导致各种不良健康问题，例如脱屑，过度角化和色素沉着改变；此外，它还会干扰呼吸系统，神经系统，心血管系统，肝脏、胃肠道和遗传毒性系统的功能，并最终导致死亡。世界卫生组织(WHO)最初将饮用水中As(Ⅲ)的毒性极限设定为50 µg / L(0.67µM)，由于其高毒性而在2001年降至10 µg / L(0.13µM)。因此，As(Ⅲ)的检测对于水，食品安全，农业和环境特别重要。
目前，As(Ⅲ)的检测方法主要有原子吸收光谱法、原子荧光光谱法、电感耦合等离子体光发射光谱法、表面增强拉曼散射法、电感耦合等离子体质谱法和石墨炉原子吸收法等。但是使用常规方法进行As(Ⅲ)检测会带来一些问题，例如仪器成本高，耗时耗力并且灵敏度较低。而常规的无机砷大多以阴离子形式存在，并且对金属离子及其氧化物表面具有亲和力，其次，它还可以与硫醇和其他非金属物质反应。因此，使用生物分子和纳米材料作为As(Ⅲ)检测的传感器是新的趋势。
根据文献报道了解，当前适用于As(Ⅲ)检测的纳米粒子传感器可以分为两大类，一类是基于As(Ⅲ)和DNA或适配体。例如，前期发现As(Ⅲ)在金纳米粒子表面吸附后会导致后续DNA的吸附受阻，使其耐盐性下降，在高盐存在时As(Ⅲ)浓度越高金颗粒聚集越严重，以此可以实现As(Ⅲ)的传感（见参考文件2和3）；另一类是基于巯基功能化的纳米粒子，该类探针主要利用了As(Ⅲ)和巯基间的相互作用进而导致纳米粒子的聚集，引起SERS信号或LSPR信号的变化（检测参考文献4和5）。
发明内容
本发明的目的在于：针对上述现有技术存在的不足，设计一种无需配体修饰、易操作、快速高灵敏的As(Ⅲ)检测平台，提出一种基于银纳米三角与Ag+协同体系的As(Ⅲ)检测方法，以银纳米三角为传感基元，发现银纳米三角的LSPR对As(Ⅲ)高度敏感，另一方面引入了Ag+，发现Ag+的加入不但提高了检测的灵敏度同时也避免了卤素离子的干扰使得选择性大大提高。
为了达到以上目的，本发明的技术方案如下：
一种基于银纳米三角与Ag+协同体系的As(Ⅲ)检测方法，包括以下步骤：
步骤1、将Ag+溶液加入到银纳米三角溶液中，充分混匀得到银纳米三角与Ag+协同体系；
步骤2、将不同浓度的As(Ⅲ)溶液加入到银纳米三角与Ag+协同体系中，采用去离子水定容，充分混匀并孵育，分别测出不同浓度As(Ⅲ)条件下银纳米三角的吸收峰位置，进而得到不同浓度As(Ⅲ)条件下所对应的银纳米三角LSPR 峰位置的蓝移值∆λ，以As(Ⅲ)的浓度C[As(Ⅲ)] 为 X 轴， ∆λ为Y轴建立直角坐标系，得到C[As(Ⅲ)] 与∆λ之间的线性方程；
步骤3、取待测水源加入到银纳米三角与Ag+协同体系中，采用去离子水定容，充分混匀并孵育，测出银纳米三角的吸收峰位置，以获得待测水源所对应的银纳米三角LSPR 峰位置的蓝移值∆λ′，将∆λ′的值代入步骤2的线性方程，求出待测水源所含As(Ⅲ)的浓度。
本发明以在银纳米三角中加入定量的Ag+所产生的吸收峰位置作为空白值，加入不同浓度的As(Ⅲ)后，银纳米三角的吸收峰位置将发生蓝移，As(Ⅲ)浓度越高，蓝移值越大，从而实现了对As(Ⅲ)的检测。体系中微量Ag+的存在，不仅较大提高了检测As(Ⅲ)的灵敏度同时避免了常见卤素离子对于银纳米三角的干扰，极大提高了选择性。本发明不但兼顾了高灵敏度、高选择性、响应快的特点，同时为各种水源中As(Ⅲ)浓度的检测提供了新思路。
本发明进一步细化的技术方案如下：
优选地，所述Ag+溶液的浓度为2～20μM，所述孵育时间为3～20min。
优选地，所述Ag+溶液的浓度为5μM，所述孵育时间为15min。
优选地，所述As(Ⅲ)溶液的浓度为0、0.005、0.01、0.02、0.05、0.1、0.2、0.4、0.6、0.8、1、2、5、10、20、50μM。
优选地，所述步骤2中，以在银纳米三角中加入定量的Ag+所产生的吸收峰位置作为空白值，加入不同浓度的As(Ⅲ)溶液后，银纳米三角的吸收峰位置将发生蓝移，以C[As(Ⅲ)] 为 X 轴，以蓝移值 ∆λ为Y轴建立直角坐标系，得到C[As(Ⅲ)] 与∆λ之间的线性方程。
优选地，所述银纳米三角的粒径为32nm，有更好的尖端活性。
优选地，所述步骤2中，C[As(Ⅲ)] 与∆λ之间的线性方程为y=131.70x +4.40。
优选地，所述步骤2中，线性方程的线性相关系数为0.984。
优选地，所述步骤3中，通过加标算回收率的方法，证实该检测手段的准确性。
本发明提供了一种基于银纳米三角与Ag+协同体系的As(Ⅲ)检测方法。实验证实体系中Ag+的存在，不仅较大提高检测As(Ⅲ)的灵敏度，同时凭借卤化银沉淀的生成能有效避免常见卤素离子对于银纳米三角的干扰，从而较大提高了该传感的选择性。该方法以在银纳米三角中加入定量的Ag+所产生的吸收峰位置作为空白值，加入不同浓度的As(Ⅲ)后，银纳米三角的吸收峰位置将发生蓝移，As(Ⅲ)浓度越高，蓝移值越大，从而实现了对As(Ⅲ)的检测。实验发现，往银纳米三角溶液中加入As(Ⅲ)，最先可以肉眼观察到离心管中溶液颜色变化，从蓝色逐渐变成黄色。进而，通过紫外可见分光光度计或酶联免疫检测仪，得出银纳米三角溶液的吸收峰位置逐渐蓝移。本发明可完成对As(Ⅲ)浓度的定量检测并有望为各种水源中As(Ⅲ)浓度的检测提供新思路。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
（1）本发明首先采用比色法观察，肉眼可见银纳米三角溶液颜色的改变，检测结果更加直观、即时、快速；
（2）本发明体系中Ag+的存在，不仅较大提高了检测As(Ⅲ)的灵敏度，同时能够避免常见卤素离子对于银纳米三角的干扰，具有良好的选择性和抗干扰能力；
（3）本发明通过往银纳米三角溶液中加入Ag+后与As(Ⅲ)直接混合反应即可实现，操作过程简便快捷，通过测定反应后银纳米三角溶液吸收峰位置的改变即可实现As(Ⅲ)的定量检测，无需使用贵重试剂或者仪器；
（4）本发明中用酶联免疫检测仪检测As(Ⅲ)的检出限可以达到4nM（信噪比=3）,线性范围为0.005-1μM。世界卫生组织(WHO)最初将饮用水中As(Ⅲ)的毒性极限设定为50µg/L(0.67µM)，由于其高毒性而在2001年降至10µg/L(0.13µM)。由此可见，该法具有较高的灵敏度。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的描述。
图1是本发明反应体系中Ag+浓度的优化图。
图2是本发明反应过程中孵育时间的优化图。
图3是本发明加入不同浓度As(Ⅲ)后的银纳米三角的紫外可见光谱图。
图4是本发明中C[As(Ⅲ)]与蓝移值∆λ的线性关系图。
图5是本发明中常见离子对于银纳米三角传感体系的影响示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及说明书附图对本发明进行详细说明，本发明中所涉及的“溶液”如无特殊说明均为各物质溶于去离子水形成的水溶液。
本发明基于银纳米三角与Ag+协同体系的As(Ⅲ)检测方法，包括以下步骤：
步骤1、制备银纳米三角溶液，银纳米三角的粒径在32nm左右，置于4℃条件下避光保存（见参考文献1）；
步骤2、优化体系中Ag+的浓度：取第一组离心管，分别加入相同体积的银纳米三角溶液，再加入2μM的Ag+溶液，充分混匀后，加入不同浓度的As(Ⅲ)，用去离子水定容至终体积1mL，充分混匀并孵育，得到不同浓度As(Ⅲ)条件下所对应的银纳米三角LSPR 峰位置的蓝移值∆λ，以C[As(Ⅲ)] 为 X 轴， ∆λ为Y轴建立直角坐标系，得到C[As(Ⅲ)] 与∆λ之间的线性方程；
取第二组离心管，分别加入相同体积的银纳米三角溶液，再加入5μM的Ag+溶液，充分混匀后，加入不同浓度的As(Ⅲ)，用去离子水定容至终体积1mL，充分混匀并孵育，得到不同浓度As(Ⅲ)条件下所对应的银纳米三角LSPR 峰位置的蓝移值∆λ，以C[As(Ⅲ)] 为 X轴， ∆λ为Y轴建立直角坐标系，得到C[As(Ⅲ)] 与∆λ之间的线性方程；
取第三组离心管，分别加入相同体积的银纳米三角溶液，再加入10μM的Ag+溶液，充分混匀后，加入不同浓度的As(Ⅲ)，用去离子水定容至终体积1mL，充分混匀并孵育，得到不同浓度As(Ⅲ)条件下所对应的银纳米三角LSPR 峰位置的蓝移值∆λ，以C[As(Ⅲ)] 为 X轴， ∆λ为Y轴建立直角坐标系，得到C[As(Ⅲ)] 与∆λ之间的线性方程；
取第四组离心管，分别加入相同体积的银纳米三角溶液，再加入20μM的Ag+溶液，充分混匀后，加入不同浓度的As(Ⅲ)，用去离子水定容至终体积1mL，充分混匀并孵育，得到不同浓度As(Ⅲ)条件下所对应的银纳米三角LSPR 峰位置的蓝移值∆λ，以C[As(Ⅲ)] 为 X轴， ∆λ为Y轴建立直角坐标系，得到C[As(Ⅲ)] 与∆λ之间的线性方程；
步骤3、优化反应孵育时间: 取一组离心管，分别加入相同体积的银纳米三角溶液，再加入5μM的Ag+溶液，充分混匀后，加入相同浓度的As(Ⅲ)，用去离子水定容至终体积1mL，充分混匀并孵育不同时间，得到不同孵育时间条件下，相同浓度As(Ⅲ)所对应的银纳米三角LSPR 峰位置的蓝移值∆λ大小；
步骤4、绘制标准曲线：在步骤1制备得到的银纳米三角中加入5μM Ag+溶液后，与不同浓度的As(Ⅲ)充分混合并孵育15min，采用紫外可见分光光度计或者酶联免疫检测仪可以分别测定出银纳米三角的吸收峰位置，根据吸收峰位置的改变，测定出As(Ⅲ)的浓度。以C[As(Ⅲ)]为 X 轴，以蓝移值∆λ为Y轴建立直角坐标系，得到C[As(Ⅲ)]与∆λ之间的线性方程，该方程为y=131.70x +4.40，且其线性相关系数为0.984，再根据线性方程计算出任意蓝移值∆λ所对应的As(Ⅲ)浓度；
步骤5、向三组离心管中分别加入相同体积的不同水源，重复步骤4的操作，再通过加标算回收率的方法，证实该检测手段的准确性。
本发明基于银纳米三角与Ag+协同体系的As(Ⅲ)检测方法，能够应用于各种水源中As(Ⅲ)浓度的测定，发现通过加标0.05、0.1、0.2μM As(Ⅲ)溶液，得到的回收率均在80%～120%之间，证实了该检测手段的准确性。
实施例1
一种基于银纳米三角与Ag+协同体系的As(Ⅲ)检测方法的探针制备和条件优化实验，包括以下步骤：
（1）制备银纳米三角溶液，其浓度为0.1 mM(即Ag+浓度)，置于4℃条件下避光保存。制备方法见参考文献1。
（2）优化体系中Ag+的浓度：取第一组离心管，分别加入500μL的银纳米三角溶液，再加入浓度为2μM的Ag+溶液，充分混匀后，分别加入浓度为0、0.01、0.02、0.05、0.1、0.2、0.5μM的As(Ⅲ)，用去离子水定容至终体积1mL，充分混匀并孵育，得到不同浓度As(Ⅲ)条件下所对应的银纳米三角LSPR 峰位置的蓝移值∆λ，以C[As(Ⅲ)] 为 X 轴， ∆λ为Y轴建立直角坐标系，得到C[As(Ⅲ)] 与∆λ之间的线性方程（见图1）；
取第二组离心管，分别加入500μL的银纳米三角溶液，再加入浓度为5μM的Ag+溶液，充分混匀后，分别加入浓度为0、0.01、0.02、0.05、0.1、0.2、0.5μM的As(Ⅲ)，用去离子水定容至终体积1mL，充分混匀并孵育，得到不同浓度As(Ⅲ)条件下所对应的银纳米三角LSPR峰位置的蓝移值∆λ，以C[As(Ⅲ)] 为 X 轴， ∆λ为Y轴建立直角坐标系，得到C[As(Ⅲ)]与∆λ之间的线性方程（见图1）；
取第三组离心管，分别加入500μL的银纳米三角溶液，再加入浓度为10μM的Ag+溶液，充分混匀后，分别加入浓度为0、0.01、0.02、0.05、0.1、0.2、0.5μM的As(Ⅲ)，用去离子水定容至终体积1mL，充分混匀并孵育，得到不同浓度As(Ⅲ)条件下所对应的银纳米三角LSPR峰位置的蓝移值∆λ，以C[As(Ⅲ)] 为 X 轴， ∆λ为Y轴建立直角坐标系，得到C[As(Ⅲ)]与∆λ之间的线性方程（见图1）；
取第四组离心管，分别加入500μL的银纳米三角溶液，再加入浓度为20μM的Ag+溶液，充分混匀后，分别加入浓度为0、0.01、0.02、0.05、0.1、0.2、0.5μM的As(Ⅲ)，用去离子水定容至终体积1mL，充分混匀并孵育，得到不同浓度As(Ⅲ)条件下所对应的银纳米三角LSPR峰位置的蓝移值∆λ，以C[As(Ⅲ)] 为 X 轴， ∆λ为Y轴建立直角坐标系，得到C[As(Ⅲ)]与∆λ之间的线性方程（见图1）；
取第五组离心管，分别加入500μL的银纳米三角溶液，再分别加入浓度为0、0.01、0.02、0.05、0.1、0.2、0.5μM的As(Ⅲ)，用去离子水定容至终体积1mL，充分混匀并孵育，得到不同浓度As(Ⅲ)条件下所对应的银纳米三角LSPR 峰位置的蓝移值∆λ，以C[As(Ⅲ)] 为 X轴， ∆λ为Y轴建立直角坐标系，得到C[As(Ⅲ)] 与∆λ之间的线性方程（见图1）。
上述五组实验中的孵育时间相同，均为15min。图1中五条线段表示上述五组实验所得的线性方程，由图1可以看出体系中Ag+浓度为5μM时，对于As(Ⅲ)的检测最为灵敏。
（3）优化反应孵育时间: 取一组离心管，分别加入500μL的银纳米三角溶液，再加入浓度为5μM的Ag+溶液，充分混匀后，加入浓度为0.5μM的As(Ⅲ)溶液，用去离子水定容至终体积1mL，充分混匀后，分别孵育3、5、10、15、20min，得到不同孵育时间条件下，0.5μM的As(Ⅲ)溶液所对应的银纳米三角LSPR 峰位置的蓝移值∆λ大小，以孵育时间为X轴，蓝移值∆λ为Y轴建立直角坐标系，结果如图2所示，当孵育时间为15min时，已反应完全。
实施例2
银纳米三角与5μM Ag+的协同体系对于不同浓度As(Ⅲ)的响应：
取一组离心管，分别加入500μL的银纳米三角溶液，再加入浓度为5μM的Ag+溶液，充分混匀后，分别加入浓度为0、0.005、0.01、0.02、0.05、0.1、0.2、0.4、0.6、0.8、1、2、5、10、20、50μM的As(Ⅲ)溶液，用去离子水定容至终体积1mL，充分混匀后，室温下孵育15min。用酶联免疫检测仪分别测定出银纳米三角的吸收峰位置，其光谱如图3所示，随着As(Ⅲ)浓度的增加，银纳米三角LSPR峰位置逐渐蓝移并伴随着溶液颜色由蓝变黄。以C[As(Ⅲ)] 为 X轴， ∆λ为Y轴建立直角坐标系并绘图，结果如图4所示，在As(Ⅲ) 浓度为0.005～1μM范围内，C[As(Ⅲ)] 与蓝移值∆λ呈良好的线性相关，得到C[As(Ⅲ)] 与∆λ之间的线性方程为y=131.70x +4.40，且其线性相关系数为0.984，根据线性方程可以计算出任意蓝移值∆λ所对应的As(Ⅲ)浓度。
由于一个稳定优良的探针，必须有较好的选择性和抗干扰能力，本发明还可以选择一些常见的离子（例如Hg2+、Mn2+、Pb2+、Al3+、Ba2+、Fe2+、Cr3+、Ce3+、H2O2、As(Ⅴ)、Cl-、Br-、I-、Ni2+、Fe3+、Cu2+、Zn2+、Cd2+、Co2+、S2-）来做干扰实验，所测离子浓度均为5μM。如图 5 所示，实验结果表明，相比较其他离子，本发明所采用的Ag+与银纳米三角的协同体系用于As(Ⅲ)浓度检测具有高选择性。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。
(1)Zhang, Q.; Li, N.; Goebl, J.; Lu, Z.; Yin, Y. Journal of theAmerican Chemical Society 2011, 133, 18931.
(2)Zong, C.; Liu, J. Analytical Chemistry 2019, 91, 10887.
(3)Zong, C.; Zhang, Z.; Liu, B.; Liu, J. Langmuir 2019, 35, 7304.
(4)Li, J.; Chen, L.; Lou, T.; Wang, Y. ACS Applied Materials &Interfaces 2011, 3, 3936.
(5)Kalluri, J. R.; Arbneshi, T.; Khan, S. A.; Neely, A.; Candice, P.;Varisli, B.; Washington, M.; McAfee, S.; Robinson, B.; Banerjee, S.; Singh,A. K.; Senapati, D.; Ray, P. C. Angewandte Chemie-International Edition 2009,48, 9668.

Claims (9)

1.一种基于银纳米三角与Ag+协同体系的As(Ⅲ)检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、将Ag+溶液加入到银纳米三角溶液中，充分混匀得到银纳米三角与Ag+协同体系；
步骤2、将不同浓度的As(Ⅲ)溶液加入到银纳米三角与Ag+协同体系中，采用去离子水定容，充分混匀并孵育，分别测出不同浓度As(Ⅲ)条件下银纳米三角的吸收峰位置，进而得到不同浓度As(Ⅲ)条件下所对应的银纳米三角LSPR 峰位置的蓝移值∆λ，以As(Ⅲ)的浓度C[As(Ⅲ)] 为 X 轴， ∆λ为Y轴建立直角坐标系，得到C[As(Ⅲ)] 与∆λ之间的线性方程；
步骤3、取待测水源加入到银纳米三角与Ag+协同体系中，采用去离子水定容，充分混匀并孵育，测出银纳米三角的吸收峰位置，以获得待测水源所对应的银纳米三角LSPR 峰位置的蓝移值∆λ′，将∆λ′的值代入步骤2的线性方程，求出待测水源所含As(Ⅲ)的浓度。
2.根据权利要求1所述一种基于银纳米三角与Ag+协同体系的As(Ⅲ)检测方法，其特征在于，所述Ag+溶液的浓度为2～20μM，所述孵育时间为3～20min。
3.根据权利要求2所述一种基于银纳米三角与Ag+协同体系的As(Ⅲ)检测方法，其特征在于，所述Ag+溶液的浓度为5μM，所述孵育时间为15min。
4.根据权利要求1所述一种基于银纳米三角与Ag+协同体系的As(Ⅲ)检测方法，其特征在于，所述As(Ⅲ)溶液的浓度为0、0.005、0.01、0.02、0.05、0.1、0.2、0.4、0.6、0.8、1、2、5、10、20、50μM。
5. 根据权利要求4所述一种基于银纳米三角与Ag+协同体系的As(Ⅲ)检测方法，其特征在于，所述步骤2中，以在银纳米三角中加入定量的Ag+所产生的吸收峰位置作为空白值，加入不同浓度的As(Ⅲ)溶液后，银纳米三角的吸收峰位置将发生蓝移，以C[As(Ⅲ)] 为 X轴，以蓝移值 ∆λ为Y轴建立直角坐标系，得到C[As(Ⅲ)] 与∆λ之间的线性方程。
6.根据权利要求1所述一种基于银纳米三角与Ag+协同体系的As(Ⅲ)检测方法，其特征在于，所述银纳米三角的粒径为32nm。
7. 根据权利要求1所述一种基于银纳米三角与Ag+协同体系的As(Ⅲ)检测方法，其特征在于，所述步骤2中，C[As(Ⅲ)] 与∆λ之间的线性方程为y=131.70x +4.40。
8.根据权利要求7所述一种基于银纳米三角与Ag+协同体系的As(Ⅲ)检测方法，其特征在于，所述步骤2中，线性方程的线性相关系数为0.984。
9.根据权利要求1所述一种基于银纳米三角与Ag+协同体系的As(Ⅲ)检测方法，其特征在于，所述步骤3中，通过加标算回收率的方法，证实该检测手段的准确性。
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