CN115197230B - 一种用于Hg2+和Pb2+可视化快速筛查的纸基阵列传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于Hg²⁺和Pb²⁺可视化快速筛查的纸基阵列传感器，属于荧光传感及可视化分析技术。利用本发明制备的罗丹明6G酰肼荧光探针进行Hg²⁺和Pb²⁺重金属离子残留的荧光分析及可视化色度快速筛查，可以克服荧光传感单一信号读数易受设备和环境因素干扰的缺点，借助可视化快速筛查进一步提高了荧光检测准确度和检测效率。

Description

一种用于Hg2+和Pb2+可视化快速筛查的纸基阵列传感器

技术领域

本发明属于重金属离子的可视化快速筛查和残留分析技术领域，是一种用于Hg²⁺和Pb²⁺简单、便捷的荧光探针的开发及可视化快速筛查的分析方法的构建。

背景技术

重金属离子作为一类典型的工业污染物，具有不可降解性，能够长时间在水、土壤中存在，并通过食物链进入到人体。即使在较低浓度也具有较高的生物毒性，其在生物体内的积累能够造成严重的紊乱和疾病，对人们的身体健康带来了极大的威胁。重金属离子会直接伤害人的脑细胞，影响生长发育，造成儿童智力低下及老年人的老年痴呆，还会造成贫血及消化系统问题，最严重的会造成神经系统的问题，常见的表现为注意力缺陷，语言和记忆障碍，运动及感觉能力的下降等。

然而，易受重金属离子污染的水体和土壤会进一步造成我国环境及果蔬和海产品中重金属离子残留现象，并通过食物链进入人体，严重扰乱了食品市场，影响了食品安全。为避免这种现象，我国已经明确规定在农副食品中不得检出重金属离子。

目前，比较常见的电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)和基于光谱的原子吸收光谱法(AAS)、原子荧光光谱法(AFS)和表面增强拉曼散射法(SERS)等都有被用来检测重金属离子残留。传统仪器方法存在前处理复杂，仪器和相应配套费用昂贵，无法实现大规模样品的快速同时检测，在检测速度、实时和现场分析方面具有一定差距。因此迫切需要开发更加简便、快速、灵敏的分析技术。

可视化分析(visual analysis)的方法在大批量样品快速的现场裸眼检测方面具有很大优势，并可进一步提高荧光测定技术的高灵敏度，近年来可视化便携传感器的开发逐渐成为重金属离子残留的荧光分析方法发展的研究热点。

目前文献报道的重金属离子的检测，一般只能实现单种重金属离子的检测分析，而针对以上两种重金属离子残留可视化纸基阵列传感器与色度分析相结合的方法未有报道。现有的传统检测分析方法在实际样品检测中往往会造成一些重金属离子无法被检出的情况。因此有必要提供一种能够快速筛选和灵敏检测重金属离子的分析方法，进一步提高检测的准确度和检测效率。

发明内容

本发明旨在开发一种用于Hg²⁺和Pb²⁺简单快速筛选和准确检测的可视化智能分析方法，以克服传统检测分析方法灵敏度低的缺点并解决重金属离子多残留检测方法缺乏的问题，结合可视化纸基阵列传感器的可视化快速筛查及与LAB色度信号的准确分析相结合的便捷方法能够实现Hg²⁺和Pb²⁺的简单快速检测分析。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种用于Hg²⁺和Pb²⁺简单快速筛选和准确检测的罗丹明6G酰肼荧光探针，其制备包括如下步骤：

1)罗丹明6G酰肼的制备：称取0.25～1.0g罗丹明6G溶于20～40mL无水乙醇中，冷却后加入1.0～4.0mL的水合肼溶液(85％)磁力搅拌回流至罗丹明6G颜色褪去，停止反应。待反应液冷却至室温后，减压抽滤后用无水乙醇离心洗涤3次后干燥，得到的白色固体产物即为罗丹明6G酰肼。

2)罗丹明6G的酰肼化，利用肼衍生物赋予罗丹明6G以酰肼环，即得到罗丹明6G酰肼荧光探针。

优选的，步骤1)准确称取0.5g罗丹明6G溶于30mL无水乙醇中，冷却后加入2.0mL的水合肼溶液(85％)磁力搅拌回流至罗丹明6G颜色褪去，停止反应。待反应液冷却至室温后，减压抽滤后用无水乙醇离心洗涤3次后干燥，得到的白色固体产物即为罗丹明6G酰肼。

优选的，步骤2)准确称量罗丹明6G酰肼粉末10mg，分别溶于23.33mL四氢呋喃：水(1:1，v/v)溶液中超声混匀得到罗丹明6G酰肼探针溶液(1mM)。配制的两种体系的罗丹明6G酰肼探针溶液分别用于可视化色度分析及荧光传感分析。

本发明还提供了一种使用如上所述的用于Hg²⁺和Pb²⁺简单快速筛选的分析方法，罗丹明6G酰肼可视化纸基阵列传感器的制备步骤如下：

1)制备：将普通定量滤纸剪成合适的尺寸(10.0cm×10.0cm)，在四氢呋喃：水(1:1，v/v)配制的罗丹明6G酰肼探针溶液(1mM)中浸润10min，用镊子缓慢取出后待溶剂自然挥发晾干。

2)络合：裁剪含有罗丹明6G酰肼的试纸条的面积固定为1.0cm×1.0cm，并小心浸润于不同浓度的Hg²⁺和Pb²⁺的标准溶液(0-100μM)中，自然晾干。

3)分析：将显色的纸基阵列传感器用于Hg²⁺和Pb²⁺的裸眼(自然光)或荧光(365nm紫外光)分析和比较。

4)保存：将制备的含有罗丹明6G酰肼探针的纸基阵列传感器于干燥环境中密封保存。

本发明首先基于可视化纸基阵列传感器的裸眼快速筛查对目标离子进行定性分析，与LAB色度信号分析相结合后可以进一步提高检测的准确度，进而实现目标离子的半定量分析检测。

本发明中合成了罗丹明6G酰肼荧光探针，其螺内酰胺环与Hg²⁺和Pb²⁺相互络合后发生开环反应，显色的罗丹明6G酰肼-Hg²⁺/Pb²⁺制备可以用于Hg²⁺和Pb²⁺的可视化快速筛查以及荧光准确检测。该技术研究的关键是罗丹明6G酰肼的制备、检测微环境的优化以及罗丹明6G酰肼荧光探针与Hg²⁺和Pb²⁺的开环反应。其中罗丹明6G酰肼是否可以发生开环反应是影响Hg²⁺和Pb²⁺检测分析成败的关键。

罗丹明6G中不具有合适的功能基团，对目标物的选择性识别检测方面略有不足，因此要对罗丹明6G结构进行改造。肼衍生物可以将罗丹明6G的羧基骨架转化，引入酰胺基团，获得带有离子载体的罗丹明6G酰肼，可以特异性识别和结合金属离子。结构修饰后具有螺内酰胺环结构的罗丹明6G衍生物由于开环和闭环的作用模式具有不同的特性，因此可以用于构建金属离子传感器。因此，本发明在设计合成罗丹明6G酰肼时，采用热回流反应，在罗丹明6G中引入酰胺基团，合成具有螺内酰胺环的罗丹明6G衍生物，同时可以利用乙二胺四乙酸(EDTA)释放罗丹明6G酰肼-Hg²⁺/Pb²⁺络合溶液中的目标离子，基于可逆的罗丹明6G酰肼的开环和闭环反应实现对Hg²⁺和Pb²⁺的快速筛查及灵敏选择性检测。

利用上述制备的罗丹明6G酰肼荧光探针与目标物相互络合，实现对Hg²⁺和Pb²⁺的检测分析。利用荧光和可视化双模式联用便携式LAB色度分析，对Hg²⁺和Pb²⁺进行检测识别。

通过紫外吸光度和荧光强度所优化的最佳检测微环境用于Hg²⁺和Pb²⁺的检测识别，其中四氢呋喃:水(1:1，v/v)用于可视化快速筛查及LAB色度分析，乙腈用于Hg²⁺和Pb²⁺的荧光准确选择性检测。可视化检测模式下，纸基阵列传感器对Hg²⁺和Pb²⁺的裸眼快速筛查的检出限低至2.5μM。便携式LAB色度分析过程中，在0-100μM的Hg²⁺和Pb²⁺浓度范围内，总色度值ΔE与目标物Hg²⁺和Pb²⁺浓度呈现良好的线性关系。不难看出，本发明制备的罗丹明6G酰肼荧光探针通过可视化裸眼分析，可直接、同时检测Hg²⁺和Pb²⁺。

本发明在荧光传感分析技术的基础上，联用便携式LAB色度分析的可视化纸基阵列传感器，开发了一种双模式检测方法，其测定包括：罗丹明6G酰肼荧光探针的制备；罗丹明6G酰肼的表征分析；荧光及可视化检测微环境的优化；作出Hg²⁺和Pb²⁺浓度与荧光可见分光光度计的荧光强度参数图；将样品的荧光传感分析检测参数图与目标物标准品的荧光传感分析检测参数图比较而获得样品中Hg²⁺和Pb²⁺的含量。

与已有发明相比，本发明制备的罗丹明6G酰肼的合成过程简单、快速。本研究制备的罗丹明衍生物不仅可以作为金属离子检测的荧光探针，并且基于此可进一步制备可视化纸基阵列传感器，用于重金属Hg2+和Pb2+的裸眼快速筛查及半定量检测。

相对于现有技术，本发明所述的一种用于Hg²⁺和Pb²⁺荧光传感分析的联用LAB色度分析的可视化快速筛查的方法，具有以下优势：

(1)与传统的分析方法相比，本发明所述的改进的分析方法针对Hg²⁺和Pb²⁺具有良好的选择性和灵敏性。

(2)本发明制备的罗丹明6G酰肼的合成方法不仅简便，且所用主要原料罗丹明6G价格较为低廉、容易获得，在一般化学试剂公司都可购买。由于反应步骤少、合成效率高，产率可观，从而提高了反应的可控性。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例一所述的开环反应的作用机理图；

图2为本发明实施例一所述的Hg²⁺的荧光分析方法标准曲线；

图3为本发明实施例一所述的Pb²⁺的荧光分析方法标准曲线；

图4为本发明实施例二所述的Hg²⁺及Pb²⁺的可视化纸基阵列传感器；

图5为本发明实施例二所述的Hg²⁺的LAB色度分析的标准曲线；

图6为本发明实施例二所述的Pb²⁺的LAB色度分析的标准曲线。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明创造。

实施例1

罗丹明6G酰肼的合成

称取罗丹明6G(0.5g)于50mL圆底烧瓶中，加入30mL乙醇将其溶解，冷却后加入2.0mL的水合肼溶液(85％)磁力搅拌回流至罗丹明6G颜色褪去，停止反应。待反应液冷却至室温，减压抽滤后用乙醇离心洗涤3次后干燥，得到的白色固体产物即为罗丹明6G酰肼。其合成过程如下所示：

罗丹明6G酰肼荧光探针溶液的配制

准确称取1mg罗丹明6G酰肼粉末于四氢呋喃：水(1﹕1，v/v)、乙腈、甲醇：水(3﹕1，v/v)溶液中，配制成1mM的罗丹明6G酰肼荧光探针储备溶液，分别用于可视化纸基阵列传感器对Hg²⁺和Pb²⁺的裸眼分析和LAB色度分析及Hg²⁺和Pb²⁺的荧光检测分析。

罗丹明6G酰肼用于Hg²⁺和Pb²⁺的荧光检测分析的具体步骤如下：

荧光发射光谱测定：20μM的罗丹明6G酰肼-乙腈探针溶液与10μMHg²⁺和Pb²⁺相互络合后，在510nm激发波长下测定其荧光强度。由于Hg²⁺和Pb²⁺与R6GH中羰基上的O和相邻氨基上的N配位络合，诱导R6GH探针的螺内酰胺环发生开环，故可以引起荧光强度的变化，作用机理如图1所示。

根据荧光强度分别建立Hg²⁺和Pb²⁺的荧光传感分析方法标准曲线，如图2和图3所示。

实施例2

可视化纸基阵列传感器用于Hg²⁺和Pb²⁺发光裸眼快速筛查及LAB色度分析步骤：

(1)罗丹明6G酰肼纸基阵列传感器的制备

选取普通定量滤纸作为阵列传感器的基底，将其裁剪成10.0cm×10.0cm的尺寸，浸润于四氢呋喃:水(1:1，v/v)配制的罗丹明6G酰肼探针溶液(1mM)中10min，用镊子缓慢取出后待溶剂自然挥发晾干。裁剪含有罗丹明6G酰肼的试纸条为1.0cm×1.0cm的固定大小，置于干燥环境中保存。

(2)罗丹明6G酰肼纸基阵列传感器用于Hg²⁺和Pb²⁺的裸眼分析

紧接上一步，将制备的含有罗丹明6G酰肼的试纸条浸润于0-100μM的Hg²⁺和Pb²⁺的标准溶液中，自然晾干后得到显色的纸基阵列传感器被用于Hg²⁺和Pb²⁺的裸眼分析和快速筛选。

(3)自然光及紫外光下观察

将获得的显色的纸基阵列传感器整齐排列，分别置于自然环境及365nm紫外暗箱中观察并记录目标离子浓度引起的纸基阵列传感器的颜色变化，得到裸眼识别的半定量检测的最低检出限，可视化纸基阵列传感器如图4所示。

(4)读LAB色度值

将上一步研制的显色后的可视化纸基阵列传感器置于自然环境中，设定好色差仪的相应程序，手持便携式色差仪从由低到高的浓度按顺序扫描读出纸基阵列传感器各单元的L、a、b值，每个单元的总色差(ΔE)值可以根据公式获得，最终得到ΔE与Hg²⁺和Pb²⁺的线性关系图。根据ΔE分别建立与Hg²⁺和Pb²⁺的LAB色度分析方法的标准曲线，如图5和图6所示。

使用实施例中对应的分析方法，Hg²⁺和Pb²⁺的荧光检测方法的检出限为0.02μM，可视化分析方法的裸眼检出限为2.5μM。

效果验证试验一，分别准确称取鱼、虾样品100.0g加3.0mL HNO₃于聚四氟乙烯烧杯中180℃下浸泡3h。将消化液离心，取全部上清液用1MNaOH溶液调节至pH值约6.0，然后用超纯水稀释至50.0mL，得出Pb²⁺的平均回收率为88.3～97.5％。

效果验证试验二，准确称取自然干燥及过筛的土壤1.0g加入50.0mL超纯水浸泡12h，上清液用0.45μm过滤器过滤。自来水样品经过0.45μm的滤膜过滤，收集滤液。将获得的液体样品产物与乙腈中的罗丹明6G酰肼探针溶液混合，静置10min后，用荧光分光光度计分析络合物的荧光强度，得出Pb²⁺的平均回收率为84.0～102.0％。

以上所述仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护范围内。

Claims (2)

1.一种同时检测Hg²⁺和Pb²⁺检测的分析方法，其特征在于：包括如下步骤，罗丹明6G酰肼可视化纸基阵列传感器的制备步骤如下：

1)制备：将普通定量滤纸剪成合适的尺寸10.0cm×10 .0cm，在体积比1:1的四氢呋喃/水混合溶液配制的浓度为1mM的罗丹明6G酰肼探针溶液浸润10min，用镊子缓慢取出后待溶剂自然挥发晾干；

2)络合：裁剪含有罗丹明6G酰肼的试纸条的面积固定为1 .0cm×1 .0cm，并小心浸润于不同浓度的Hg²⁺和Pb²⁺的标准溶液0-100μM中，自然晾干；

3)分析：将显色的纸基阵列传感器用于Hg²⁺和Pb²⁺的裸眼自然光或荧光365nm紫外光分析和比较；罗丹明6G酰肼的制备方法为称取0 .25～1 .0g罗丹明6G溶于20～40mL无水乙醇中，冷却后加入1.0～4 .0mL的体积分数为85％的水合肼溶液磁力搅拌回流至罗丹明6G颜色褪去，停止反应，待反应液冷却至室温后，减压抽滤后用无水乙醇离心洗涤3次后干燥，得到的白色固体产物即为罗丹明6G酰肼。

2.一种权利要求1所述方法制备得到的可视化纸基阵列传感器。