CN112557366B - 一种基于pH试纸和拉曼光谱的微液滴pH检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于pH测量技术领域,具体为一种基于pH试纸和拉曼光谱的微液滴pH检测方法。本发明通过pH试纸与激光共聚焦拉曼光谱仪系统联用,实现微液滴的pH检测;具体包括:将待测微液滴与pH试纸发生反应,当pH波动时,pH试纸的颜色随之变化,试纸的拉曼峰信号相应变化;通过激光共聚焦拉曼光谱仪系统采集特定拉曼峰信号强度,从而判定测微液滴的pH。本发明结合拉曼光谱仪系统中光学显微镜的放大作用,通过pH试纸上染料的拉曼峰强度变化测量样本pH,具有精确,稳定,抗颜色干扰,可尺寸分辨等优点,可用于微液滴的pH检测,具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于pH测量技术领域,具体涉及一种微液滴的pH测量方法。
技术背景
悬浮的微液滴是大气化学反应中重要的特殊微反应器,对许多大气过程有着深远的影响。微液滴的pH作为关键参数之一,决定了液滴内部物质的化学形态、相变、分配和反应性等关键参数,进一步地影响化学产物、气溶胶过程、区域气候和公共卫生。如,酸度增加会增强飞沫穿透人体的能力,增加其毒性。而气溶胶引起的雾霾、酸雾等气候问题也严重影响人们的正常生活。因此,为了科学地理解微液滴化学,测量单微滴的pH值迫在眉睫。
间接测量或代理方法,如离子平衡、摩尔比、相分配或热力学平衡模型等被广泛用来评估气溶胶的pH值。其中,热力学平衡模型由于考虑了离子活度系数、有机酸类型和水含量,从而供了相对准确的微液滴pH预测值。然而,他们仍然受到低含水量、低离子强度、无机离子掺杂和动力学局限性的影响,存在固有误差。且由于缺乏对微液滴pH值的直接测量,对微滴液滴化学过程的科学分析仍然有限。
现有的微液滴pH检测方法主要基于微液滴内的离子或者指示官能团的拉曼光谱,往往只能检测具有高离子浓度的微液滴。而其他pH测量方法,如借助染料和共聚焦光显微镜的峰强度标定法、借助pH试纸和手机的颜色标定法、借助pH敏感染料的降解程度标定法等都存在操作复杂,检测条件苛刻,离子浓度要求高等问题,很难达到预期的效果。因此,需要创建一种更加精确灵敏的适用于微尺度条件下的微液滴pH检测方法,使其克服当前微液滴pH直接测量方法的缺点,实现微液滴化学的科学分析。
发明内容
本发明的目的在于提供一种简单、精确的适用于微尺度条件下的微液滴pH测量的方法,以克服现有技术中存在的问题,实现微小液滴的pH稳定测量。
本发明提供的微液滴pH测量的方法,是基于pH试纸和拉曼光谱技术的,具体通过pH试纸与激光共聚焦拉曼光谱仪系统联用,实现微液滴的pH检测。
本发明提供的pH测量的方法,具体步骤为,将测微液滴与pH试纸发生反应,当pH波动时,pH试纸的颜色随之变化,试纸的拉曼峰信号相应变化;使用激光共聚焦拉曼光谱仪系统采集特定拉曼峰信号强度,从而判定测微液滴的pH。
本发明中,所述的特定拉曼峰信号,包括位于100-3000cm-1处与pH大小有相关性的拉曼峰峰位置信号。优选地,拉曼峰峰位置为965.0cm-1、994.5cm-1、1094.5cm-1、1120.1cm-1、1337.4cm-1、1378.5cm-1、1475.8cm-1、1545.2cm-1、1585.5cm-1、1620.6cm-1。
本发明中,所述的特定拉曼峰信号包括拉曼光谱的峰强度和峰面积。优选地,特定峰拉曼信号为1545.2cm-1、1585.5cm-1和1620.6cm-1的三个峰强度之和。
本发明中,还包括使用同样方法,建立pH试纸和拉曼光谱的pH校正曲线(也称标准曲线)。
本发明中,所述的pH试纸,包括检测范围在0-7的广泛pH试纸、精确pH试纸和纳米金修饰的pH试纸,以及其他具有pH敏感性的可拉曼分析的材料。
本发明中,所述的激光共聚焦拉曼光谱仪系统,具体包括光学显微镜,激光光源、样品装置、滤光器、单色器(或干涉仪)、检测器等。
本发明方法工作原理:一般情况下,pH显色染料如甲基红、甲基黄、酚酞、溴百里酚蓝等,由于容易与H+结合发生颜色变化,通常用作pH试纸的指示剂。虽然不同种类的pH试纸的组成不完全相同,但所涉及的变色反应原理相似,为质子化或者异构化。因此,不同pH引起的质子化或异构化反应不同,会导致颜色变化和特定峰拉曼信号强度变化的差异。在标定pH值与特定峰拉曼信号强度的线性关系后,通过激光共聚焦拉曼光谱仪系统收集的微液滴处pH试纸的特定拉曼峰信号强度,可以准确计算出微液滴的pH。同时,激光共聚焦拉曼光谱仪系统中的光学显微镜,可以通过试纸的变色斑点的大小区分微液滴的尺寸大小。
采用上述基于pH试纸和拉曼光谱的联用技术测量微尺度条件下微液滴的pH,具体流程为:
(1)采集待测微液滴样本于pH试纸上,并置于激光共聚焦拉曼光谱仪系统的样品装置载物台上;
(2)通过光学显微镜确定试纸上待测样品的位置和尺寸,并准确调整焦距;
(3)打开激光光源,采集样本所在pH试纸处的拉曼光谱;
(4)通过已知pH与对应的拉曼信号强度建立标准曲线;然后将样本的特定拉曼峰强度带入标准曲线中,进行微液滴的pH测定。
本发明有益效果:通过将表面增强拉曼技术与纳米金修饰的pH试纸相结合,直接定量测量可尺寸分辨的单个微液滴pH。pH试纸可以避免离子浓度和化学物质种类对单微滴pH测量的干扰。pH试纸的颜色变化和激光共聚焦拉曼光谱仪系统中的光学显微镜物镜可以实现尺寸分辨的pH测量。用于修饰pH试纸的纳米金通过增强基团光谱振动态提高了拉曼光谱的信号强度,从而确保了测量的H+浓度的准确性,实现微液滴pH的检测。
本方法结合拉曼光谱仪系统中光学显微镜的放大作用,通过pH试纸上染料的拉曼峰强度变化测量样本pH,具有精确,稳定,抗颜色干扰,可尺寸分辨等优点,可用于微液滴的pH检测,具有良好的应用前景。
附图说明
图1是本发明方法图示。
图2是基于普通广泛pH试纸和拉曼光谱的pH校正曲线。其中,a为峰强度,b为峰面积。
图3是纳米金修饰的pH试纸所增强的拉曼光谱图。
图4基于纳米金修饰的pH试纸和拉曼光谱的pH校正曲线。
图5是基于纳米金修饰的pH试纸和拉曼光谱的pH校正曲线对微液滴pH的测量结果。
图6是基于纳米金修饰的pH试纸和拉曼光谱的pH校正曲线对环境样品pH的测量结果。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例和实施效果作详细说明。本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施,给出了详细的实施方式和具体的造作过程,但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
随着环境科学的发展,越来越多地要求进行微液滴pH的直接测定,故沿用如离子平衡、摩尔比、相分配或热力学平衡模型等方法难以实现微液pH的直接测量,而现在少有的微液滴pH直接检测方法都存在操作复杂,检测条件苛刻,离子浓度要求高等问题,很难达到预期的效果。本发明通过将拉曼技术与pH试纸相结合,实现了直接定量测量可尺寸分辨的单个微液滴pH,并制备了纳米金修饰的pH试纸,通过表面增强拉曼技术提高了测量的灵敏度和稳定性。在开发环境、生物和医疗领域的单颗粒pH检测方面具有很高的应用价值。
本实施例中,具体的标线标定和样本检测过程如图1所示,具体步骤如下:
标线的标定
(1)通过调节硫酸和氢氧化钠的浓度,制备体积为50mL、pH范围0-5的标准酸溶液用以产生液滴,具体pH分别为:0.896、1.895、2.894、3.890、4.880;
(2)通过移液枪,取0.5μL液滴于pH试纸上,酸性液滴与试纸反应,形成色斑,如图1所示;等待18min的充分反应和稳定时间;
(3)将稳定后带有色斑的pH试纸置于激光共聚焦拉曼光谱仪系统中的样品装置上,通过样品装置载物台的移动和光学显微镜物镜的调焦,获得变色斑块区域的清晰图像;
(4)开启激光,并选择合适的激光和采集参数,进行液滴的拉曼信号采集;本实施例采用的激光为785纳米,采集时间为40秒,采集次数为5次;
(5)将采集的拉曼光谱中特定拉曼峰信号与标准液pH值拟合,建立标准曲线,如图2所示。
本案例分别将峰位置为1585.5cm-1和1620.6cm-1的两个峰的峰强度和面积与标准液pH值拟合,同时将峰位置为1545.2cm-1、1585.5cm-1和1620.6cm-1的三个峰强度之和与标准液pH值拟合,建立标准曲线。优选地,标准曲线为峰位置为1545.2cm-1、1585.5cm-1和1620.6cm-1的三个峰强度之和与标准液pH值的线性拟合曲线;具体为:
I1=pH×59.708+112.639(R2=0.979),其中,I1为待测样本的拉曼光谱中1545.2cm-1、1585.5cm-1和1620.6cm-1的三个峰强度之和。
样本检测
本实施例中,样本pH的检测步骤如本实施例中标线建立的步骤相似,具体如下:
(1)将酸性微液滴采集于pH试纸上,酸性微液滴与试纸反应,形成肉眼难辨的色斑,等待18min的充分反应和稳定时间;
(2)将稳定后带有微小色斑的pH试纸置于激光共聚焦拉曼光谱仪系统中的样品装置载物台上,通过样品装置载物台的移动和光学显微镜物镜的放大、调焦,获得变色板块区域的清晰图像,进而确定色斑大小;
(3)建立固定体积微液滴的理论粒径与pH试纸上实际色斑粒径的线性关系,从而实现环境微液滴的粒径测量;
(4)开启785纳米的激光,并选择采集时间为40秒,采集次数为5次,采集待测样本的拉曼信号;
(5)将样本拉曼光谱中峰位置为1545.2cm-1、1585.5cm-1和1620.6cm-1的三个峰强度加和,记为Ix;
(6)通过标准曲线标定微液滴pH,即,待测微液滴pH=(Ix-112.639)÷ 59.708。
本实施例中,为提高微液滴pH检测的稳定性,采用了基于纳米金修饰的pH试纸的表面增强拉曼技术。所述纳米金修饰的pH试纸的制备步骤具体如下:
(1)将纳米的纳米金置于去离子水中,配置浓度为0.01-1.00mmol/L的纳米金溶液,置于雾化瓶中;优选地,纳米金的尺寸为40纳米,浓度为0.0474mmol/L;
(2)将未使用的pH试纸固定,通过雾化器垂直向pH试纸喷洒1-5次含有纳米金的雾滴,雾化器与试纸的距离为3-10厘米;优选地,喷洒次数为1次,距离为6厘米;
(3)避光条件下,将上述含有纳米金的pH试纸室温下干燥,得到所述的纳米金修饰的pH试纸。
如图3所示,纳米金所产生的表面增强拉曼效应,极大的提高了拉曼光谱的灵敏性。
与普通pH试纸标线建立的过程的相同,将普通pH试纸更换为纳米金修饰的pH试纸,采集时间更改为20秒,即得基于纳米金修饰的pH试纸和拉曼光谱的标准曲线,如图4所示。优选地,基于纳米金修饰的pH试纸的标准曲线为峰位置为1545.2cm-1、1585.5cm-1和1620.6cm-1的三个峰强度之和与标准液pH值的线性拟合曲线。该基于纳米金修饰的pH试纸和拉曼光谱的标准曲线为:I2=pH×56.77+53.48(R2=0.953),其中,I2为基于纳米金修饰的pH试纸的待测样本的拉曼光谱中1545.2cm-1、1585.5cm-1和1620.6cm-1的三个峰强度之和。
如图4所示,该方法最小可以简便地相对准确地测量粒径在10μm的微液滴pH。
如图5所示,通过特殊的采样器,将环境中微液滴采集到纳米金修饰的pH试纸上,通过标准曲线标定微液滴pH,即待测微液滴pH=(Ix-53.48)÷ 56.77。此时,Ix为待测微液滴地在纳米金修饰的pH试纸上的拉曼光谱中峰位置为1545.2cm-1、1585.5cm-1和1620.6cm-1的三个峰强度的加和。
与最新报道的微液滴pH直接检测技术相比,基于pH试纸和拉曼光谱的微液滴pH检测方法准确性好、适应性广、检测更简单、可用于实际样品检测。而且纳米金修饰的pH试纸显著微液pH检测的稳定性。
应用领域:环境、医学、生物工程、化学工程以及科学研究等领域。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。但应当理解,本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化,如光谱仪器的更换、pH敏感材料pH试纸的替换等。因此,凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案,皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (6)
1.一种基于pH试纸和拉曼光谱的微液滴pH检测方法,其特征在于,通过pH试纸与激光共聚焦拉曼光谱仪系统联用,实现微液滴的pH检测;具体步骤为:
将待测微液滴与pH试纸发生反应,当pH波动时,pH试纸的颜色随之变化,试纸的拉曼峰信号相应变化;通过激光共聚焦拉曼光谱仪系统采集特定拉曼峰信号强度,从而判定测微液滴的pH;
其中,所述的特定拉曼峰信号为位于100-3000cm-1处与pH大小有相关性的拉曼峰峰位置信号;具体地,所述的拉曼峰峰位置为965.0cm-1、994.5cm-1、1094.5cm-1、1120.1cm-1、1337.4cm-1、1378.5cm-1、1475.8cm-1、1545.2cm-1、1585.5cm-1、1620.6cm-1。
2.如权利要求1所述的微液滴pH检测方法,其特征在于,所述的特定拉曼峰信号包括拉曼光谱的峰强度和峰面积。
3.如权利要求2所述的微液滴pH检测方法,其特征在于,所述的特定峰拉曼信号为1545.2cm-1、1585.5cm-1和1620.6cm-1的三个峰强度之和。
4.如权利要求3所述的微液滴pH检测方法,其特征在于,所述的pH试纸包括广泛pH试纸、精确pH试纸、纳米金修饰的pH试纸,以及其他具有pH敏感性的可拉曼分析的材料。
5.如权利要求4所述的微液滴pH检测方法,其特征在于,还包括使用同样方法,建立pH试纸和拉曼光谱的pH校正曲线。
6.如权利要求5所述的微液滴pH检测方法,其特征在于,具体操作流程为:
(1) 采集待测微液滴样本于pH试纸上,并置于激光共聚焦拉曼光谱仪系统的样品装置载物台上;
(2) 通过光学显微镜确定试纸上待测样品的位置和尺寸,并准确调整焦距;
(3) 打开激光光源,采集样本所在pH试纸处的拉曼光谱;
(4) 通过已知pH与对应的拉曼信号强度建立标准曲线;然后将样本的特定拉曼峰强度带入标准曲线中,进行微液滴的pH测定。
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