CN112798730A - 一种检测溶液中四价铈离子的化学发光方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于四价铈离子的检测技术领域，具体公开了一种检测溶液中四价铈离子的化学发光方法。本发明的方法是基于四价铈离子对化学发光底物CDP‑star的催化性质提出的，具体方法为：将CDP‑star加入待检测溶液中形成检测体系，当待检测溶液中存在四价铈离子时，四价铈离子能催化CDP‑star水解产生化学发光信号，通过测量所述检测体系的化学发光信号对待检测溶液中的四价铈离子进行检测分析。本发明的四价铈离子检测方法，能在中性pH条件下进行，具有操作简单、条件温和、灵敏度高、选择性好等优点。
Description
技术领域
本发明涉及四价铈离子的检测技术领域，特别是涉及一种检测溶液中四价铈离子的化学发光方法。
背景技术
铈是一种银灰色的活泼金属，并且是铈地球上含量最丰富的稀土元素，在工业上被广泛用作发光材料、玻璃添加剂、环保材料、植物生长调节剂等。虽然矿物中主要以三价铈离子存在，但在铈的冶炼提取过程中，通常将三价铈转化为四价铈离子。对四价铈离子的浓度含量进行检测，在工业生产、环境检测、以及科学研究中具有广泛的应用。
目前，检测溶液中四价铈离子含量的方法主要有电感耦合等离子体原子发射光谱(ICP-AES)、电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)、放射化学中子活化法和电化学方法。然而，这些方法普遍存在着成本高、处理时间长、样品制备复杂以及使用仪器昂贵等缺点。化学发光是一种新兴的分子发光检测方法。化学发光法具有仪器设备简单、不需要使用激发光源、灵敏度高等优点。四价铈离子在化学发光研究领域虽然已经有人运用，但是已经报导的化学发光体系(如四价铈/亚硫酸钠体系，参见[1]铈(IV)-亚硫酸钠体系流动注射化学发光法测定叶酸，蔡卓等，化学研究与应用，第21卷第3期，370-372页；[2]铈(IV)-亚硫酸钠体系化学发光分析法测定卡马西平，熊海涛，药物分析杂志，1866-1869页)都是基于四价铈和其他物质的氧化还原反应，需要在强酸性溶液中进行发光检测。这是因为四价铈在硫酸和盐酸等强酸溶液中的氧化性比较强，只有在强酸性溶液中才能观察到比较明显的化学发光信号。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种检测溶液中四价铈离子的化学发光方法，基于四价铈离子对化学发光底物CDP-star的催化性质，在中性pH条件下运用化学发光方法实现对四价铈离子的检测。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种检测溶液中四价铈离子的化学发光方法，将CDP-star加入待检测溶液中形成检测体系，当待检测溶液中存在四价铈离子时，四价铈离子能催化CDP-star水解产生化学发光信号，通过测量所述检测体系的化学发光信号对待检测溶液中的四价铈离子进行检测分析。
进一步，所述检测体系的化学发光信号强度与待检测溶液中四价铈离子的浓度成正比，通过测量所述检测体系的化学发光信号强度，对待检测溶液中的四价铈离子进行定量检测。进一步，所述方法包括以下步骤：
(1)配制含有一定浓度CDP-star的溶液；
(2)向步骤(1)所得的溶液中加入含有不同浓度四价铈离子的溶液，形成检测体系，测量某一反应时间点时检测体系的化学发光信号强度，得到四价铈离子浓度与化学发光信号强度的标准工作曲线；
(3)将待检测溶液加入步骤(1)所得的溶液中，测量为步骤(2)所述的反应时间点时检测体系的化学发光信号强度，根据步骤(2)所得的标准工作曲线，得到四价铈离子浓度。
进一步，所述步骤(1)为：配制含有25μM CDP-star的溶液。
进一步，所述步骤(1)为：向缓冲溶液中加入CDP-star，配制含有25μM CDP-star的缓冲溶液。
进一步，所述缓冲溶液为HEPES缓冲溶液或Tris-HCl缓冲溶液。
进一步，所述缓冲溶液的浓度为20-25mM；优选地，所述缓冲溶液为HEPES缓冲溶液，所述HEPES缓冲溶液中HEPES的浓度为20mM。
进一步，所述缓冲溶液的pH为3-10；优选地，所述缓冲溶液的pH为6-8；更优选地，所述缓冲溶液的pH为7.0。
进一步，所述步骤(2)和(3)中，反应时间点为50秒或超过50秒的任一时间点；优选地，所述反应时间点为350秒或超过350秒的任一时间点；更优选地，所述反应时间点为350秒。
进一步，所述步骤(2)中，溶液中四价铈离子的浓度为0-500μM，具体可以为0、0.5、3、5、20、30、50、100、300、500μM。
进一步，所述方法包括以下步骤：
(1)向20mM，pH 7.0的HEPES缓冲溶液中加入CDP-star，配制形成含有25μM CDP-star的HEPES缓冲溶液；
(2)向步骤(1)所得的HEPES缓冲溶液中加入含有不同浓度四价铈离子的溶液，形成检测体系，测量反应时间为350秒时检测体系的化学发光信号强度，得到四价铈离子浓度与化学发光信号强度的标准工作曲线；
(3)将待检测溶液加入步骤(1)所得的HEPES缓冲溶液中，测量反应时间为350秒时检测体系的化学发光信号强度，根据步骤(2)所得的标准工作曲线，得到四价铈离子浓度。
进一步，所述步骤(2)中，溶液中四价铈离子的浓度为0-500μM，具体可以为0、0.5、3、5、20、30、50、100、300、500μM。
进一步，所述标准工作曲线为：Y＝43.63X+110.76，其中X为四价铈离子的浓度，Y为化学发光信号强度。
进一步，所述方法的检测线性范围为0.5μM-500μM，优选为0.5μM-100μM，最低检测限为0.46μM。
本发明还提供一种检测溶液中四价铈离子的化学发光检测试剂，所述试剂为CDP-star。
进一步，所述CDP-star为CDP-star溶液。
进一步，所述CDP-star溶液中CDP-star的浓度为25μM。
进一步，所述CDP-star溶液为含有CDP-star的缓冲溶液。
进一步，所述缓冲溶液为HEPES缓冲溶液或Tris-HCl缓冲溶液，所述缓冲溶液中的浓度为20-25mM，所述缓冲溶液的pH为6-8；优选地，所述HEPES缓冲溶液中HEPES的浓度为20mM，所述HEPES缓冲溶液的pH为7.0，所述HEPES缓冲溶液中含有25μM CDP-star。
如上所述，本发明的检测溶液中四价铈离子的化学发光方法，具有以下有益效果：
本发明基于四价铈离子对化学发光底物CDP-star的催化性质，提出了一种对溶液中四价铈离子进行化学发光检测的方法。CDP-star本身在水溶液中比较稳定，基本没有化学发光信号。当加入碱性磷酸酶后，由于碱性磷酸酶可以催化CDP-star的水解，在水解反应的过程中可以产生很强的化学发光信号。本发明申请人首次发现，四价铈离子具有类似碱性磷酸酶的催化作用，可以催化CDP-star的水解，并产生较强的化学发光信号；且该化学发光信号的强度和体系中的四价铈离子的浓度成正比关系。因此，利用该化学发光信号强度作为指示信号，便可以对溶液中的四价铈离子进行定量检测。
本发明的四价铈离子检测方法，能在中性pH条件下进行，具有操作简单、条件温和、灵敏度高、选择性好等优点。首先，本检测方法实验操作简单，所用的化学试剂数量较少，仅需要将四价铈离子和CDP-star混合检测化学发光信号就可以，不需要复杂的程序或添加强酸等其它化学试剂。其次，本检测方法具有较高的灵敏度，检测线性范围为0.5μM-100μM，检测限为0.46μM。最后，本方法具有较好的选择性，三价铈离子及其他常见的金属离子因为不具备类似四价铈离子的催化活性，因此不会和CDP-star反应产生化学发光信号。
附图说明
图1显示为本发明CDP-star的分子结构式及四价铈离子催化CDP水解产生化学发光信号的原理图。
图2显示为本发明实施例1中三组不同溶液的化学发光信号强度随反应时间变化的曲线图。曲线a：25μM CDP-star，曲线b：25μM CDP-star+200μM三价铈离子，曲线c：25μMCDP-star+200μM四价铈离子。
图3显示为本发明实施例2中不同pH条件时四价铈离子催化CDP-star的化学发光信号强度结果图。
图4显示为本发明实施例3中在最优条件(pH＝7.0)下，含有25μM CDP-star的20mMHEPES缓冲溶液中，不同浓度的Ce4+存在时体系的化学发光信号强度随反应时间变化的曲线图。曲线从下至上分别为a到j，Ce4+的浓度分别为0，0.5，3，5，20，30，50，100，300，500μM。
图5显示为本发明实施例3中在最优条件(pH＝7.0、反应时间为350秒)下检测Ce4+体系化学发光信号强度的工作曲线图(A)及标准工作曲线图(B)。
图6显示为本发明实施例4中不同金属离子存在使体系的化学发光信号强度结果图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
本发明基于四价铈离子对化学发光底物CDP-star的催化性质，提出了一种对溶液中四价铈离子进行化学发光检测的方法，且本发明能在中性条件下进行。关于四价铈离子能够催化CDP-star化学发光的现象，是本申请发明人首次发现的。
CDP-star是一种常见的碱性磷酸酶化学发光底物，被广泛应用于商品化的酶联免疫分析，其分子结构式如图1所示。CDP-star本身在水溶液中比较稳定，基本没有化学发光信号。当加入碱性磷酸酶后，由于碱性磷酸酶可以催化CDP-star的水解，在水解反应的过程中可以产生很强的化学发光信号。本发明发现，四价铈离子具有类似碱性磷酸酶的催化作用，同样可以催化CDP-star的水解，并产生较强的化学发光信号。四价铈离子催化CDP水解产生化学发光信号的原理如图1所示。同时，本发明把不同浓度的四价铈离子和一定浓度的过量CDP-star混合，之后测量溶液产生的化学发光信号，发现四价铈离子越多，CDP-star水解越充分，化学发光信号越强，这表明化学发光信号和体系中的四价铈离子的浓度成正比关系。因此，利用化学发光信号作为指示信号，根据化学发光信号强度，便可以对溶液中的四价铈离子含量进行定量分析检测。
本发明涉及的反应都是在常温下进行的。
以下实施例中，采用的测试溶液为HEPES缓冲溶液，浓度为20mM；除此之外，本发明也可以采用其他类型的缓冲溶液作为测试溶液，如Tris-HCl缓冲溶液等，浓度为20-25mM。
本发明的具体实施过程如下：
实施例1
以20mM HEPES缓冲溶液(pH7.0)为测试溶液，设置三组溶液，三组溶液中分别含有25μM CDP-star、25μM CDP-star+200μM三价铈离子、25μM CDP-star+200μM四价铈离子，测试三组溶液的化学发光信号强度，结果如图2所示。
从图2中可以看出，当溶液中只有CDP-star存在时，几乎没有发光信号；当溶液中有三价铈离子存在时，只有可以忽略的发光信号；当溶液中有四价铈离子存在时，化学发光信号强度非常强。
实施例2
以20mM HEPES缓冲溶液为测试溶液，设置两组溶液，两组溶液中分别含有25μMCDP-star、25μM CDP-star+200μM四价铈离子；在不同pH(pH＝1.5、4、5.5、7.0、8.5、10)条件下，测试两组溶液的化学发光信号强度，结果如图3所示。
从图3中可以看出，不同pH条件时，四价铈离子催化CDP-star的化学发光信号强度不同；在pH为3-10时，能识别出化学发光信号；在pH为6-8时，化学发光信号较为明显；在pH为7.0时，化学发光信号强度最高，因此，pH为7.0为最优pH条件。
实施例3
以含有25μM CDP-star的20mM HEPES缓冲溶液(pH7.0)为测试溶液，配制含有不同浓度(浓度分别为0、0.5、3、5、20、30、50、100、300、500μM)的四价铈离子的溶液，并测试溶液化学发光信号强度，结果如图4所示。
从图4中可以看出，在最优条件下(pH 7.0)，含有25μM CDP-star的20mM HEPES缓冲溶液中，不同浓度的Ce4+存在时，体系的化学发光信号强度不同，相同反应时间下，Ce4+浓度越大，体系的化学发光信号强度越大。同时，Ce4+催化CDP-star水解进行的程度通过化学发光信号强度来看，从图4可以看出，随着反应时间的增加，体系的化学发光信号强度与逐渐变大，当时间少于350秒时，化学发光信号强度还没达到最大，不太好区分；当反应时间超过350秒后，化学发光信号强度基本不随时间进行增长，即在350秒达到了最强的化学发光信号强度；因此，以350秒为最优化的反应时间，这一点从图2中也可以得到验证。
图5为在最优条件下(pH 7.0、反应时间350秒)检测Ce4+体系化学发光信号强度的工作曲线图(A)及标准工作曲线(B)。由图5可得，本发明的化学发光方法的标准工作曲线为：Y＝43.63X+110.76，检测线性范围为0.5μM-500μM，优选为0.5μM-100μM，最低检测限为0.46μM。
如需要测试未知溶液中Ce4+的浓度，可以将100μL未知Ce4+的溶液和900μL含有25μM CDP-star的HEPES(20mM，pH 7.0)缓冲溶液混合，然后使用化学发光仪测试其化学发光信号强度，然后从标准工作曲线中推出Ce4+的浓度。
实施例4
以含有25μM CDP-star的20mM HEPES缓冲溶液(pH7.0)为测试溶液，配制含有不同金属离子(Ag+，Cu2+，Zn2+，Pb2+，Ni2+，Ca2+，cd2+，Mn2+，cr6+，Fe3+，A13+，Zr4+，Ce4+)的溶液，其中，四价铈离子的浓度为100μM，其它金属离子所用的浓度为1mM，测试上述溶液体系化学发光信号强度，结果如图6所示。
从图6中可以看出，在含有25μM CDP-star的20mM HEPES缓冲溶液(pH7.0)中，其它金属离子存在时体系的化学发光信号强度比四价铈存在时体系的化学发光信号强度低很多，即使非常高浓度的其他离子(1mM)也不能得到明显的化学发光信号。这说明本方法检测四价铈离子具有较高的选择性。
综上所述，本发明的四价铈离子检测方法，反应条件温和，能在中性pH条件下进行，还具有操作简单、灵敏度高、选择性好等优点。首先，本检测方法实验操作简单，所用的化学试剂数量较少，仅需要将四价铈离子和CDP-star混合检测化学发光信号就可以，不需要复杂的程序或添加强酸等其它化学试剂。其次，本检测方法具有较高的灵敏度，检测线性范围为0.5μM-100μM，检测限为0.46μM。最后，本方法具有较好的选择性，三价铈离子及其他常见的金属离子因为不具备类似四价铈离子的催化活性，因此不会和CDP-star反应产生化学发光信号。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种检测溶液中四价铈离子的化学发光方法，其特征在于，将CDP-star加入待检测溶液中形成检测体系，当待检测溶液中存在四价铈离子时，四价铈离子能催化CDP-star水解产生化学发光信号，通过测量所述检测体系的化学发光信号对待检测溶液中的四价铈离子进行检测分析。
2.根据权利要求1所述的检测溶液中四价铈离子的化学发光方法，其特征在于：所述检测体系的化学发光信号强度与待检测溶液中四价铈离子的浓度成正比，通过测量所述检测体系的化学发光信号强度，对待检测溶液中的四价铈离子进行定量检测。
3.根据权利要求1或2所述的检测溶液中四价铈离子的化学发光方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
(1)配制含有一定浓度CDP-star的溶液；
(2)向步骤(1)所得的溶液中加入含有不同浓度四价铈离子的溶液，形成检测体系，测量某一反应时间点时检测体系的化学发光信号强度，得到四价铈离子浓度与化学发光信号强度的标准工作曲线；
(3)将待检测溶液加入步骤(1)所得的溶液中，测量为步骤(2)所述的反应时间点时检测体系的化学发光信号强度，根据步骤(2)所得的标准工作曲线，得到四价铈离子浓度。
4.根据权利要求3所述的检测溶液中四价铈离子的化学发光方法，其特征在于：所述步骤(1)为：配制含有25μM CDP-star的溶液；
和/或，所述步骤(2)和(3)中，反应时间点为50秒或超过50秒的任一时间点；
和/或，所述步骤(2)中，溶液中四价铈离子的浓度为0-500μM。
5.根据权利要求4所述的检测溶液中四价铈离子的化学发光方法，其特征在于：所述步骤(1)为：向缓冲溶液中加入CDP-star，配制含有25μM CDP-star的缓冲溶液；
和/或，所述步骤(2)和(3)中，所述反应时间点为350秒或超过350秒的任一时间点；和/或，所述步骤(2)中，溶液中四价铈离子的浓度为0、0.5、3、5、20、30、50、100、300、500μM。
6.根据权利要求5所述的检测溶液中四价铈离子的化学发光方法，其特征在于：所述缓冲溶液为HEPES缓冲溶液或Tris-HCl缓冲溶液；
和/或，所述缓冲溶液的浓度为20-25mM；
和/或，所述缓冲溶液的pH为3-10；
和/或，所述步骤(2)和(3)中，所述反应时间点为350秒。
7.根据权利要求3所述的检测溶液中四价铈离子的化学发光方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
(1)向20mM，pH 7.0的HEPES缓冲溶液中加入CDP-star，配制形成含有25μM CDP-star的HEPES缓冲溶液；
(2)向步骤(1)所得的HEPES缓冲溶液中加入含有不同浓度四价铈离子的溶液，形成检测体系，测量反应时间为350秒时检测体系的化学发光信号强度，得到四价铈离子浓度与化学发光信号强度的标准工作曲线；
(3)将待检测溶液加入步骤(1)所得的HEPES缓冲溶液中，测量反应时间为350秒时检测体系的化学发光信号强度，根据步骤(2)所得的标准工作曲线，得到四价铈离子浓度。
8.一种检测溶液中四价铈离子的化学发光检测试剂，其特征在于：所述试剂为CDP-star。
9.根据权利要求8所述的化学发光检测试剂，其特征在于：所述CDP-star为CDP-star溶液，所述CDP-star溶液中CDP-star的浓度为25μM；
和/或，所述CDP-star溶液为含有CDP-star的缓冲溶液。
10.根据权利要求9所述的化学发光检测试剂，其特征在于：所述缓冲溶液为HEPES缓冲溶液或Tris-HCl缓冲溶液，所述缓冲溶液的浓度为20-25mM，所述缓冲溶液的pH为6-8。
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