CN112683871B - 土壤铬离子含量检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种土壤铬离子含量检测方法。该检测方法采用中空多孔荧光聚合物微球作为土壤检测液的荧光检测物质，分别以345～365nm和560～575nm为激发波长，在室温下进行荧光光谱检测，得到所述土壤检测液中三价铬离子和六价铬离子的浓度。中空多孔荧光聚合物微球的壳层包含激发波长在560～575nm的荧光碳点，且具有介孔结构，用于识别Cr³⁺，介孔结构为Cr⁶⁺向芯层转移提供通道；芯层包含激发波长在345～365nm的荧光碳点，用于识别Cr⁶⁺；壳层和芯层之间具有中空腔结构，提高Cr⁶⁺向芯层的转移速率，进而提高检测速率和灵敏度。

Description

土壤铬离子含量检测方法

技术领域

本发明涉及重金属检测技术领域，尤其涉及一种土壤铬离子含量检测方法。

背景技术

随着社会经济的发展，各类化工、医药、农业等企业为了满足人们不断增长的物质需要，都在不断地扩大生产。在生产各类生活品的同时，所排出的各种污染物使得大气、水、土壤都遭受了不同程度的污染。土壤重金属的问题不可忽视，重金属广泛的分布在地壳以及水体中，随着重金属被不断的广泛应用和加工，使大量重金属进入生物体系，然后由重金属造成的污染可由生态循环的过程最终回到土壤。和其他类型的环境污染不同的是，生物降解对重金属污染不起作用，它只能从一种状态或形态变为另外一种状态或形态。虽然重金属在土壤中毒性有所不同，但是在日积月累的情况下，最终还是会对人体以及家畜的健康造成极大地伤害，引发各类疾病。

土壤中的重金属铬主要以Cr³⁺和Cr⁶⁺化合物形态存在，Cr⁶⁺化合物通常是人工污染物，其毒性比Cr³⁺化合物高100倍左右，对人体健康危害严重并且可能导致癌症。因此，准确简单快速的检测环境中尤其是土壤中的金属离子，有利于人体健康以及生态环境的改善。针对重金属铬的检测方法，目前主要有原子吸收光谱法、电感耦合等离子体原子发射光谱法、电感耦合等离子体质谱法、紫外可见分光光度法、荧光光度分析法、高效液相色谱法、免疫分析法等。其中，荧光光度分析法因其成本低、操作简单快速、对环境污染小等特点，成为检测金属离子的重要使用方法。但是如何制备一种能够同时高效识别Cr³⁺和Cr⁶⁺的荧光纳米复合材料，仍是亟待解决的问题。

有鉴于此，有必要设计一种改进的土壤铬离子含量检测方法，以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种土壤铬离子含量检测方法。该检测方法采用中空多孔荧光聚合物微球作为荧光检测物质，其壳层包含激发波长在560～575nm的荧光碳点，且具有介孔结构，用于识别Cr³⁺；芯层包含激发波长在345～365nm的荧光碳点，用于识别Cr⁶⁺；壳层和芯层之间具有中空腔结构，提高Cr⁶⁺向芯层的转移速率，进而提高检测速率和灵敏度。

为实现上述发明目的，本发明提供了一种土壤铬离子含量检测方法，包括以下步骤：

S1.制备土壤检测液；

S2.制备中空多孔荧光聚合物微球，并配制成中空多孔荧光聚合物微球溶液；

所述中空多孔荧光聚合物微球的壳层包含激发波长在560～575nm的荧光碳点，且具有介孔结构，芯层包含激发波长在345～365nm的荧光碳点；所述壳层和芯层之间具有中空腔结构；

S3.将步骤S2得到的所述中空多孔荧光聚合物微球溶液加入到步骤S1得到的所述土壤检测液中，分别以345～365nm和560～575nm为激发波长，在室温下进行荧光光谱检测，得到所述土壤检测液中三价铬离子和六价铬离子的浓度。

作为本发明的进一步改进，在步骤S2中，所述荧光碳点通过模板法、水热法、超声法或微波法制备得到。

作为本发明的进一步改进，在步骤S2中，所述中空多孔荧光聚合物微球的粒径为100～500nm，所述壳层的厚度为20～200nm，介孔孔径为2～40nm。

作为本发明的进一步改进，在步骤S1中，所述土壤检测液通过湿法消解、干灰法消解或微波消解制备得到。

作为本发明的进一步改进，在步骤S1中，在步骤S1中，所述土壤检测液的pH值为7.0～7.5。

作为本发明的进一步改进，在步骤S2中，所述中空多孔荧光聚合物微球溶液的浓度为0.05～0.25mg/ml，pH值为7.0～7.5。

作为本发明的进一步改进，在步骤S3中，所述中空多孔荧光聚合物微球溶液与所述土壤检测液的体积比为1:(10～15)。

一种中空多孔荧光聚合物微球的制备方法，包括以下步骤：

S21.制备包含激发波长在345～365nm的荧光碳点的芯层微球；

S22.在所述芯层微球表面包覆一层厚度为30～200nm的醋酸丁酸纤维素，得到包覆芯层微球；

S23.在所述包覆芯层微球表面包覆一层包含激发波长在560～575nm的荧光碳点的介孔壳层，然后采用丙酮萃取消除所述醋酸丁酸纤维素，得到所述中空多孔荧光聚合物微球。

所述中空多孔荧光聚合物微球用于监测土壤检测液中三价铬离子和六价铬离子的浓度。

作为本发明的进一步改进，在步骤S21中，所述芯层微球还包含阴离子聚电解质。

作为本发明的进一步改进，所述阴离子聚电解质为聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸、聚苯乙烯磺酸、聚乙烯磺酸、聚乙烯磷酸中的一种或多种。

本发明的有益效果是：

1.本发明提供的土壤铬离子含量检测方法，利用中空多孔荧光聚合物微球壳层中激发波长在560～575nm的荧光碳点对三价铬离子的特异性识别，检测三价铬离子浓度，利用壳层的介孔结构，供六价铬离子通过被芯层的激发波长在345～365nm的荧光碳点特异性识别，检测六价铬离子浓度。利用壳层和芯层之间的中空腔结构，为六价铬离子的通过和结合提供更大的空间，从而提高对六价铬离子的检测速率和灵敏度，进而也有助于提高壳层对三价铬离子的检测准确率。

2.本发明提供的土壤铬离子含量检测方法，采用的中空多孔荧光聚合物微球的芯层中还包含阴离子聚电解质。通过在芯层中引入阴离子聚电解质，有助于对六价铬离子的吸附，加速六价铬离子与芯层荧光碳点的结合。

3.本发明提供的用于土壤铬离子含量检测的中空多孔荧光聚合物微球，制备方法简单，可重复性高，巧妙地利用醋酸丁酸纤维素在丙酮等有机溶剂中的溶解性，将其溶解去除，从而在荧光聚合物微球的壳层和芯层之间构造中空腔结构，增大对六价铬离子的容纳空间，进而提高对六价铬离子的检测速率和灵敏度。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合具体实施例对本发明进行详细描述。

在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在具体实施例中仅仅示出了与本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

另外，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

本发明提供了一种土壤铬离子含量检测方法，包括以下步骤：

S1.制备土壤检测液。

在步骤S1中，所述土壤检测液通过湿法消解、干灰法消解或微波消解制备得到。例如采用湿法消解包括：称取0.2500g标准土置于25mL比色管中，加少量水润湿，而后加入10mL王水，适当震荡，使土壤与王水充分接触避免底部粘连，将比色管放入沸水浴锅中(水浴锅液面高于比色管液面)，煮沸1.5小时(期间取出震荡2次～3次)，取出稍冷，加水定容至25mL刻度线，放置过夜，待测。

S2.制备中空多孔荧光聚合物微球，并配制成中空多孔荧光聚合物微球溶液；

所述中空多孔荧光聚合物微球的壳层包含激发波长在560～575nm的荧光碳点，且具有介孔结构，芯层包含激发波长在345～365nm的荧光碳点；所述壳层和芯层之间具有中空腔结构。

在步骤S2中，所述中空多孔荧光聚合物微球溶液的浓度为0.05～0.25mg/ml，pH值为7.0～7.5。

S3.将步骤S2得到的所述中空多孔荧光聚合物微球溶液加入到步骤S1得到的所述土壤检测液中，分别以345～365nm和560～575nm为激发波长，在室温下进行荧光光谱检测，得到所述土壤检测液中三价铬离子和六价铬离子的浓度。

在步骤S3中，所述中空多孔荧光聚合物微球溶液与所述土壤检测液的体积比为1:(10～15)。

在检测土壤检测液中三价铬离子和六价铬离子的浓度时，通常需要先制作荧光强度与土壤标准液浓度的关系式或曲线，然后将实际检测结果与标准关系式或曲线进行比较，得到土壤检测液中三价铬离子和六价铬离子的浓度。

标准关系式或曲线获取方法为：配制中空多孔荧光聚合物微球溶液和若干组不同浓度的包含三价和六价铬离子的标准检测液(通常包含最低检测浓度和最高检测浓度)，然后采用步骤S3所述的方法，分别检测每一组标准检测液的荧光强度，然后根据曲线拟合得到荧光强度与土壤标准液浓度的关系式或曲线。

通过采用上述技术方案，利用中空多孔荧光聚合物微球壳层中激发波长在560～575nm的荧光碳点对三价铬离子的特异性识别，检测三价铬离子浓度，利用壳层的介孔结构，供六价铬离子通过被芯层的激发波长在345～365nm的荧光碳点特异性识别，检测六价铬离子浓度。利用壳层和芯层之间的中空腔结构，为六价铬离子的通过和结合提供更大的空间，从而提高对六价铬离子的检测速率和灵敏度。

在步骤S1(S3)中，所述土壤检测液的pH值为7.0～7.5。当体系处在pH较低或较高的环境中时，荧光检测时的荧光强度均较低，这主要是在合成的中空多孔荧光聚合物微球表面含有大量的羟基，在酸性条件下可能会发生质子化现象，因而体系荧光强度不高；当体系环境碱性较强时，可能发生去质子化现象，则羟基带上负电荷，进而分子之间由于静电排斥而相互分离。

在步骤S2中，所述中空多孔荧光聚合物微球的粒径为100～500nm，所述壳层的厚度为20～200nm，介孔孔径为2～40nm。

在步骤S2中，所述荧光碳点通过模板法、水热法、超声法或微波法制备得到。其中水热法如：用壳聚糖作为原材料水热法合成荧光碳点，并在合成过程中加入乙酸，在180℃的反应釜中反应12h，最终获得表面含有氨基的荧光碳点，且荧光量子的产率有所提高。采用水热法合成荧光碳点，实验过程简单且易控制，又因为整个实验过程都在密闭反应空间内进行，因此不会产生毒性的扩散，成本低且环保。微波法如：将碳水化合物和PEG-200加入蒸馏水中，混合均匀后，微波加热2-10min，则可以很快得到荧光碳点。

在一些实施方式中，所述中空多孔荧光聚合物微球通过以下步骤制备：

S21.制备包含激发波长在345～365nm的荧光碳点的芯层微球；例如通过反相微乳液法将激发波长在345～365nm的荧光碳点包覆于硅微球内部，作为芯层微球；

S22.在所述芯层微球表面包覆一层厚度为30～200nm的醋酸丁酸纤维素，得到包覆芯层微球；例如通过热喷涂法将醋酸丁酸纤维素包覆于芯层微球表面。

S23.在所述包覆芯层微球表面包覆一层包含激发波长在560～575nm的荧光碳点的介孔壳层，然后采用丙酮萃取消除所述醋酸丁酸纤维素，得到所述中空多孔荧光聚合物微球。

将所述包覆芯层微球与分散于超纯水中，加入激发波长在560～575nm的荧光碳点溶液和Cr³⁺组成的混合溶液，加入十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)溶液，依次加入NaOH和正硅酸乙酯，混合溶液在黑暗中室温下反应24h。收集白色沉淀物，用乙醇/丙酮混合溶液(8:2，v/v)反复清洗去除CTAB和醋酸丁酸纤维素。用EDTA溶液反复清洗去除Cr³⁺，然后用超纯水清洗，真空干燥，得到中空多孔荧光聚合物微球。

在另一些实施方式中，所述步骤S22中的包覆芯层微球通过微流控技术制备，将包含激发波长在345～365nm的荧光碳点的芯层溶液作为分散相流体，分散相流体通道为圆形截面毛细管内部通道；将包含醋酸丁酸纤维素溶液作为连续相流体，连续相流体通道为与圆形截面毛细管和方形截面毛细管之间的间隙通道，分散相流体与连续相流体分别在毛细管通道和所述微通道内同向流动。然后从毛细管出口处引出，待溶剂挥发后，洗涤干燥，得到醋酸丁酸纤维素包覆芯层微球。

在步骤S21中，所述芯层中还包含阴离子聚电解质。通过在芯层中引入阴离子聚电解质，有助于对六价铬离子的吸附，加速六价铬离子与芯层荧光碳点的结合。

所述阴离子聚电解质为聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸、聚苯乙烯磺酸、聚乙烯磺酸、聚乙烯磷酸中的一种或多种。

实施例1

一种土壤铬离子含量检测方法，包括以下步骤：

S1.制备土壤检测液；

首先将收集的土壤进行风干处理并碾碎，随后使用孔径为2mm的尼龙筛对其过筛处理，经过筛后的样品不断地采用四分法缩分，而后将得到的样品采用玛瑙研钵将该样品研磨细致，再通过160目的尼龙筛，并且将该样品混合均匀之后留以备用。

准确称量上述处理过后的土壤样品0.5g(精确到0.0001g)，将其放置于聚四氟乙烯坩埚中，经水润湿过后再加入5mL的浓硝酸(HNO₃)，盖上盖之后进行加热处理，至温度为100-150℃且保持微沸的状态20min，冷却过后，再向其中加入5mL HF和2mL HClO₄，在温度为250℃的条件下加热蒸发到近乎干的状态，冷却过后，再向其中加入4mL的1:1的盐酸溶液和少量的蒸馏水，稍微加入溶解残渣之后，转移到50mL容量瓶中定容；再从中移取10.00mL移入至100mL容量瓶中定容，即可得到土壤样品浸提消解液。

S2.制备中空多孔荧光聚合物微球，并配制成中空多孔荧光聚合物微球溶液；

S21.制备包含激发波长在345～365nm的荧光碳点的芯层微球：将1.8mL曲拉通-100和1.8mL正己醇分散在7.5mL环己烷中，然后加入500μL激发波长在345～365nm的荧光碳点溶液，加入60μL浓度28wt％氨水，充分搅拌形成微乳液。加入500μL正硅酸乙酯后室温下维持搅拌反应10h。反应结束后在反应液中加入丙酮破乳，得到白色絮状沉淀。收集白色絮状沉淀，分别用乙醇和水清洗三次，真空干燥备用。

其中激发波长在345～365nm的荧光碳点通过以下步骤制备：将柠檬酸(1.2g)和乙二胺(2.1mL)溶解于80mL水中，放置于水热反应釜中，烘箱中180℃下反应8h。取出后透析除去未反应的小分子，得到淡黄色溶液。其最佳激发波长在350nm，发射波长在440nm。

S22.通过热喷涂法将醋酸丁酸纤维素包覆于芯层微球表面，得到包覆芯层微球；

S23.将所述包覆芯层微球与分散于超纯水中，加入激发波长在560～575nm的荧光碳点溶液和Cr³⁺组成的混合溶液，加入十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)溶液，依次加入NaOH和正硅酸乙酯，混合溶液在黑暗中室温下反应24h。收集白色沉淀物，用乙醇/丙酮混合溶液(8:2，v/v)反复清洗去除CTAB和醋酸丁酸纤维素。用EDTA溶液反复清洗去除Cr³⁺，然后用超纯水清洗，真空干燥，得到中空多孔荧光聚合物微球。

激发波长在560～575nm的荧光碳点制备方法为：将2.8g柠檬酸溶于50ml甲酰胺中，放置于水热反应釜中，烘箱中180℃下反应8h。取出后进行如下处理：0.22μm微孔滤膜滤出大颗粒，透析除去小分子，丙酮沉淀得到固体碳点，然后重新分散于50mL水中得到棕红色液体，其最佳激发波长在570nm，发射波长在600nm。

S3.将步骤S2得到的所述中空多孔荧光聚合物微球溶液加入到步骤S1得到的所述土壤检测液中，分别以350nm和600nm为激发波长，在室温下进行荧光光谱检测，得到所述土壤检测液中三价铬离子和六价铬离子的浓度。

实施例2

一种土壤铬离子含量检测方法，与实施例1相比，不同之处在于，在步骤S21中，添加有聚丙烯酸。具体为：将1.8mL曲拉通-100和1.8mL正己醇分散在7.5mL环己烷中，然后加入500μL激发波长在345～365nm的荧光碳点溶液和500μL聚丙烯酸水溶液，加入60μL浓度28wt％氨水，充分搅拌形成微乳液。加入500μL正硅酸乙酯后室温下维持搅拌反应10h。反应结束后在反应液中加入丙酮破乳，得到白色絮状沉淀。收集白色絮状沉淀，分别用乙醇和水清洗三次，真空干燥备用。其他与实施例1大致相同，在此不再赘述。

实施例3

一种土壤铬离子含量检测方法，与实施例1相比，不同之处在于，包覆芯层微球制备方法为：将包含激发波长在345～365nm的荧光碳点的芯层溶液作为分散相流体，分散相流体通道为圆形截面毛细管内部通道；将包含醋酸丁酸纤维素和聚乙烯醇的溶液作为连续相流体。连续相流体通道为与圆形截面毛细管和方形截面毛细管之间的间隙通道，分散相流体与连续相流体分别在毛细管通道和所述微通道内同向流动。然后从毛细管出口处引出，待溶剂挥发后，洗涤干燥，得到醋酸丁酸纤维素包覆芯层微球。其他与实施例1大致相同，在此不再赘述。

灵敏度的测定：Cr³⁺标准溶液和Cr⁶⁺标准溶液分别与含EDTA的0.02mol/LPBS缓冲液混合，静置5min螯合，然后用0.02mol/L的PBS稀释配制为0、0.01、0.05、0.1、0.5、1、5、10μg/L的标准溶液。分别用所制备的中空多孔荧光聚合物微球测试，检测值由荧光光度检测仪读取。测定其检测灵敏度和检测限。

表1实施例1-3的灵敏度及检测限

从表1可以看出，采用本发明制备的中空多孔荧光聚合物微球对土壤中的铬离子进行检测，能够同时检测土壤中的三价和六价铬离子，且检测灵敏度较高，对六价铬离子的检测限最低值达1.20×10^-9mol/L。当在芯层添加一定量的阴离子聚电解质时，灵敏度提高，检测下限值也降低，说明通过在芯层中引入阴离子聚电解质，有助于对六价铬离子的吸附，加速六价铬离子与芯层荧光碳点的结合，进而也有助于提高壳层对三价铬离子的检测准确率。

综上所述，本发明提供的土壤铬离子含量检测方法，采用中空多孔荧光聚合物微球作为土壤检测液的荧光检测物质，分别以345～365nm和560～575nm为激发波长，在室温下进行荧光光谱检测，得到所述土壤检测液中三价铬离子和六价铬离子的浓度。中空多孔荧光聚合物微球的壳层包含激发波长在560～575nm的荧光碳点，且具有介孔结构，用于识别Cr³⁺，介孔结构为Cr⁶⁺向芯层转移提供通道；芯层包含激发波长在345～365nm的荧光碳点，用于识别Cr⁶⁺；壳层和芯层之间具有中空腔结构，提高Cr⁶⁺向芯层的转移速率，进而提高检测速率和灵敏度。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种土壤铬离子含量检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.制备土壤检测液；

S2.制备中空多孔荧光聚合物微球，并配制成中空多孔荧光聚合物微球溶液；

所述中空多孔荧光聚合物微球的壳层包含激发波长在560～575nm的荧光碳点，且具有介孔结构，芯层包含激发波长在345～365nm的荧光碳点；所述壳层和芯层之间具有中空腔结构；

S3.将步骤S2得到的所述中空多孔荧光聚合物微球溶液加入到步骤S1得到的所述土壤检测液中，分别以345～365nm和560～575nm为激发波长，在室温下进行荧光光谱检测，得到所述土壤检测液中三价铬离子和六价铬离子的浓度；

所述中空多孔荧光聚合物微球的制备方法，包括以下步骤：

S21.制备包含激发波长在345～365nm的荧光碳点的芯层微球；

S22.在所述芯层微球表面通过热喷涂法包覆一层厚度为30～200nm的醋酸丁酸纤维素，得到包覆芯层微球；

S23.将所述包覆芯层微球分散于超纯水中，加入激发波长在560～575nm的荧光碳点溶液和Cr³⁺组成的混合溶液，依次加入十六烷基三甲基溴化铵溶液、NaOH和正硅酸乙酯，混合溶液在黑暗中室温下反应24h；收集白色沉淀物，用乙醇/丙酮混合溶液反复清洗去除十六烷基三甲基溴化铵和醋酸丁酸纤维素；用EDTA溶液反复清洗去除Cr³⁺，然后用超纯水清洗，真空干燥，得到中空多孔荧光聚合物微球。

2.根据权利要求1所述的土壤铬离子含量检测方法，其特征在于，在步骤S2中，所述荧光碳点通过模板法、水热法、超声法或微波法制备得到。

3.根据权利要求1所述的土壤铬离子含量检测方法，其特征在于，在步骤S2中，所述中空多孔荧光聚合物微球的粒径为100～500nm，所述壳层的厚度为20～200nm，介孔孔径为2～40nm。

4.根据权利要求1所述的土壤铬离子含量检测方法，其特征在于，在步骤S1中，所述土壤检测液通过湿法消解、干灰法消解或微波消解制备得到，所述土壤检测液的pH值为7.0～7.5。

5.根据权利要求1所述的土壤铬离子含量检测方法，其特征在于，在步骤S2中，所述芯层还包含阴离子聚电解质。

6.根据权利要求1所述的土壤铬离子含量检测方法，其特征在于，在步骤S2中，所述中空多孔荧光聚合物微球溶液的浓度为0.05～0.25mg/ml，pH值为7.0～7.5。

7.根据权利要求1所述的土壤铬离子含量检测方法，其特征在于，在步骤S3中，所述中空多孔荧光聚合物微球溶液与所述土壤检测液的体积比为1:(10～15)。

8.根据权利要求1所述的土壤铬离子含量检测方法，其特征在于，在步骤S21中，所述芯层微球还包含阴离子聚电解质。

9.根据权利要求8所述的土壤铬离子含量检测方法，其特征在于，所述阴离子聚电解质为聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸、聚苯乙烯磺酸、聚乙烯磺酸、聚乙烯磷酸中的一种或多种。