TWI823163B - 濃度檢測方法及濃度檢測裝置 - Google Patents
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Abstract
一種濃度檢測組成物，用於檢測一待測溶液的一金屬離子的濃度。濃度檢測組成物包含複數個經修飾奈米粒子，各個經修飾奈米粒子包含一奈米粒子以及至少一修飾基團。奈米粒子包含一金屬外層，金屬外層的材質為金或銀。所述至少一修飾基團附著於金屬外層，各個修飾基團為半胱胺酸分子或半胱胺酸離子。
Description
本發明是關於一種濃度檢測組成物、濃度檢測方法及濃度檢測裝置，且特別是關於一種用於檢測金屬離子濃度的濃度檢測組成物、濃度檢測方法及濃度檢測裝置。
在化學分析領域中，火焰式原子吸收光譜法被廣泛應用於進行元素的定量方析。使用火焰式原子吸收光譜法對元素進行定量方析時，需先將待測樣品配製成液態溶液，將液態溶液霧化後由載流氣體送入火焰中進行原子化。由陰極燈管或無電極放電燈管所產生的特徵光，穿過火焰時被原子化後之特定金屬元素所吸收，藉由吸收光譜測量特定波長的強度，即可換算成待測樣品中的該特定金屬元素的濃度。根據研究顯示，目前可用火焰式原子吸收光譜法檢測的元素多達70餘種，且火焰式原子吸收光譜法可應用在不同的領域，例如，可用於檢測環境中的元素種類、可應用於生物體組織中微量元素的含量分析，以及市面產品金屬元素的含量分析。
然而，火焰式原子吸收光譜法所使用的設備昂貴且體積龐大，而不易降低量測成本，且不利於快速檢測以及攜帶至不同的地點進行實地量測。
本發明之目的在於提供一種濃度檢測組成物、濃度檢測方法及濃度檢測裝置，以解決上述問題。
依據本發明之一實施方式是提供一種濃度檢測組成物，用於檢測一待測溶液的一金屬離子的濃度。濃度檢測組成物包含複數個經修飾奈米粒子，各個經修飾奈米粒子包含一奈米粒子以及至少一修飾基團，奈米粒子包含一金屬外層，金屬外層的材質為金或銀。修飾基團附著於金屬外層，各個修飾基團為半胱胺酸分子或半胱胺酸離子。
依據本發明之另一實施方式是提供濃度檢測方法，用於檢測一待測溶液的一金屬離子的濃度。濃度檢測方法包含以下步驟：提供依據前述的濃度檢測組成物；提供一色卡組合，其中色卡組合包含顏色彼此不同的複數張色卡，各色卡對應所述金屬離子的一濃度值；混合濃度檢測組成物與待測溶液以形成一混合溶液；等待一反應時間使混合溶液的顏色穩定；將混合溶液的顏色與複數張色卡的顏色進行比對，由複數張色卡中選出顏色與混合溶液的顏色相同或最接近者；以及依據選出的色卡對應的濃度值決定待測溶液的金屬離子的濃度。
依據前述的濃度檢測方法，其中反應時間可為10分鐘至40分鐘。濃度檢測組成物與待測溶液的混合比例可為5比1至1比1的體積比。
依據本發明之又一實施方式是提供濃度檢測方法，用於檢測一待測溶液的一金屬離子的濃度。濃度檢測方法包含以下步驟：提供依據前述的濃度
檢測組成物；提供所述金屬離子於一特定波長的吸光度與濃度的一關係圖或一擬合方程式；混合濃度檢測組成物與待測溶液以形成一混合溶液；等待一反應時間使混合溶液的顏色穩定；量測混合溶液於所述特定波長的吸光度；以及依據混合溶液於所述特定波長的吸光度帶入所述關係圖或所述擬合方程式的結果，決定待測溶液的金屬離子的濃度。
依據前述的濃度檢測方法，金屬外層的材質為金，所述特定波長的範圍可為515nm至540nm。
依據前述的濃度檢測方法，金屬外層的材質為銀，所述特定波長的範圍可為395nm至440nm。
依據前述的濃度檢測方法，關係圖的建立方法可包含以下步驟：提供複數個參考溶液，其中各參考溶液具有一金屬離子參考濃度，複數個金屬離子參考濃度不同且已知；將複數個參考溶液分別與濃度檢測組成物混合以形成複數個參考混合溶液；分別量測得到複數個參考混合溶液的紫外光-可見光吸收光譜，以得到各參考混合溶液於所述特定波長的一參考吸光度；以及依據複數個金屬離子參考濃度與複數個參考吸光度作圖以得到關係圖。
依據前述的濃度檢測方法，擬合方程式的建立方法可包含以下步驟：提供複數個參考溶液，其中各參考溶液具有一金屬離子參考濃度，複數個金屬離子參考濃度不同且已知；將複數個參考溶液分別與濃度檢測組成物混合以形成複數個參考混合溶液；分別量測得到複數個參考混合溶液的紫外光-可見光吸收光譜，以得到各參考混合溶液於所述特定波長的一參考吸光度；以及依
據複數個金屬離子參考濃度與複數個參考吸光度進行擬合以得到擬合方程式。
依據本發明之再一實施方式是提供一種濃度檢測裝置，用以檢測一待測溶液的一金屬離子的濃度。濃度檢測裝置包含一反應單元、一處理單元以及一使用者介面。反應單元用以供依據前述的濃度檢測組成物與待測溶液於其中混合以形成一混合溶液。處理單元與反應單元連接，處理單元配置以執行以下步驟：等待一反應時間使混合溶液的顏色穩定；量測混合溶液於一特定波長的吸光度；以及依據混合溶液於所述特定波長的吸光度帶入預先建立的所述金屬離子於所述特定波長的吸光度與濃度的一關係圖或一擬合方程式的結果，決定待測溶液的金屬離子的濃度。使用者介面與處理單元連接，使用者介面用以顯示待測溶液的金屬離子的濃度。
依據前述的濃度檢測裝置，可更包含一儲存單元，儲存單元與處理單元連接且用以儲存關係圖或擬合方程式。
相較於先前技術，依據本發明的濃度檢測組成物，包含經半胱胺酸修飾的奈米粒子(即經修飾奈米粒子)，半胱胺酸與金屬離子之間的交互作用會隨金屬離子的濃度不同而改變，而可呈現不同的顏色，進而可利用比色法或量測吸光度得到金屬離子的濃度。當濃度檢測方法是利用比色法，其具有快速檢測的優點。當濃度檢測方法是利用吸光度，除了可快速檢測，另可大幅提升檢測的靈敏度及偵測極限。本發明的濃度檢測裝置，相較於火焰式原子吸收光譜法所使用的設備，具有成本較低、體積較輕小的優點，而有利於降低量測成本及攜帶至不同的地點進行實地量測。
100:濃度檢測組成物的製造方法
200,400:濃度檢測方法
110~130,210~260,410~460:步驟
500:金奈米粒子
700,800:濃度檢測裝置
710,810:反應單元
720,820:處理單元
730,830:使用者介面
740,840:儲存單元
A:偵測部
B:主體
第1圖是依據本發明一實施方式的濃度檢測組成物的製造方法的步驟流程圖。
第2圖是依據本發明一實施方式的濃度檢測方法的步驟流程圖。
第3圖是依據本發明一實施方式的色卡組合的照片。
第4圖是依據本發明另一實施方式的濃度檢測方法的步驟流程圖。
第5圖是依據本發明實施例1、2及複數個參考混合溶液的紫外光-可見光吸收光譜的量測結果圖。
第6圖是第5圖的局部放大圖。
第7圖是依據本發明一實施方式於不同特定波長時吸光度與銅離子濃度的關係圖。
第8圖是銅離子與經修飾金奈米粒子的作用機制示意圖。
第9圖是實施例2的X射線光電子能譜(X-ray photoelectron spectroscopy；XPS)結果圖。
第10圖是100μM的參考混合溶液的XPS結果圖。
第11圖是10μM的參考混合溶液的穿透式電子顯微鏡(transmission electron microscope；TEM)結果圖。
第12圖是50μM的參考混合溶液的TEM結果圖。
第13圖是繪示依據本發明一實施方式的濃度檢測裝置的方塊圖。
第14圖是繪示依據本發明一實施方式的濃度檢測裝置的示意圖。
<濃度檢測組成物>
本發明提供一種濃度檢測組成物，用於檢測一待測溶液的一金屬離
子的濃度。濃度檢測組成物包含複數個經修飾奈米粒子，各個經修飾奈米粒子包含一奈米粒子以及至少一修飾基團，奈米粒子包含一金屬外層，金屬外層的材質為金或銀。修飾基團附著於金屬外層，各個修飾基團為半胱胺酸(Cysteine，C3H7NO2S)分子或半胱胺酸離子。藉此，修飾基團與金屬離子之間的交互作用會隨金屬離子的濃度不同而改變，而可呈現不同的顏色，進而可利用比色法或量測吸光度得到金屬離子的濃度。
下文中為簡明起見，半胱胺酸可代表半胱胺酸分子或半胱胺酸離子。前述「奈米粒子包含一金屬外層，金屬外層的材質為金或銀」，是指奈米粒子包含以金或銀製成的金屬外層，而金屬外層內的部分可與金屬外層的材質相同或不同。當金屬外層內的部分與金屬外層的材質相同時，奈米粒子為金奈米粒子或銀奈米粒子。當金屬外層內的部分與金屬外層的材質不同時，奈米粒子可為核殼結構，其中金屬外層為殼部，金屬外層內的部分為核部，核部的材質可為過渡金屬或表面經極性官能基修飾之非金屬，所述過渡金屬可為但不限於金、銀、銅，所述非金屬可為但不限於奈米碳材、高分子量子點。奈米粒子的粒徑可為5奈米至30奈米。
所述金屬離子可為但不限於銅離子(Cu2+)、亞鎳離子(Ni2+)、鐵離子(Fe3+)、鉻離子(Cr3+)、鉛離子(Pb2+)、鋁離子(Al3+)、銀離子(Ag+)，只要可與半胱胺酸上的硫醇鍵結反應，且其反應性強於奈米粒子之金屬外層與半胱胺酸上的硫醇鍵結的反應性，皆適於作為本發明濃度檢測組成物所檢測的對象。
濃度檢測組成物中，奈米粒子的濃度可為1.51mg/ml至566mg/ml，修飾基團的濃度可為1.67×10-8M至1.67×10-2M。濃度檢測組成物的製造
方法說明如下。
請參照第1圖，其是依據本發明一實施方式的濃度檢測組成物的製造方法100的步驟流程圖。濃度檢測組成物的製造方法100可包含步驟110~130。步驟110是提供一含奈米粒子水溶液，含奈米粒子水溶液包含複數個奈米粒子。依據本發明一實施方式，含奈米粒子水溶液可採用化學還原法(chemical reduction method)製備而得。相較於金屬氣相合成法(metal vapor synthesis)及雷射燒蝕法(laser ablation method)，使用化學還原法有利於降低成本及大量生產。舉例來說，當奈米粒子為金奈米粒子時，可提供氯金酸(HAuCl4)水溶液，並以檸檬酸鈉(sodium citrate)作為還原劑，氯金酸水溶液的濃度可為0.0001M至0.1M，檸檬酸鈉添加至氯金酸水溶液中的濃度可為0.0001mM至10mM，還原反應的條件可為70℃至130℃進行10分鐘至20分鐘。優選地，還原步驟可於90℃至120℃進行15分鐘。藉此，可得到含奈米粒子水溶液，其可直接作為步驟110中的含奈米粒子水溶液，而不需要分離取出奈米粒子再另行配製成水溶液，有利於簡化製程。此外，前述以氯金酸水溶液及檸檬酸鈉作為反應物僅為例示，本發明可依據所欲合成之奈米粒子的種類或實際需求，選擇適當的反應物，並可依據反應物的種類適應調整反應所需的溫度及時間。
請復參照第1圖，步驟120是提供一半胱胺酸水溶液，其中半胱胺酸水溶液包含複數個半胱胺酸分子及/或半胱胺酸離子。具體來說，半胱胺酸溶解於水後會部分解離，而使半胱胺酸溶液中同時包含半胱胺酸分子及/或半胱胺酸離子。半胱胺酸水溶液的濃度可為5×10-8M至5×10-2M。藉此，可適當修飾奈米粒子。
步驟130是進行一表面修飾步驟，係混合含奈米粒子水溶液與半胱胺酸水溶液，以使半胱胺酸作為修飾基團修飾奈米粒子的表面，亦即使至少一半胱胺酸分子及/或半胱胺酸離子附著於奈米粒子的金屬外層，而得到液態型的濃度檢測組成物。含奈米粒子水溶液與半胱胺酸水溶液的體積比可為2比1。藉此，可提升檢測金屬離子濃度以及維持肉眼可視顏色之能力。
以下以實施例1、2例示說明第1圖之濃度檢測組成物的製造方法100。實施例1為含奈米粒子水溶液，其以下列方法獲得：配製0.5mM的氯金酸水溶液，加熱控溫使氯金酸水溶液於90℃至120℃維持15分鐘，以提升氯金酸水溶液的溶解均勻性。添加0.03g的檸檬酸鈉至氯金酸水溶液以形成反應溶液，檸檬酸鈉於反應溶液中的濃度約為5.7mM，加熱控溫使反應溶液於90℃至120℃維持15分鐘，再使反應溶液自然冷卻至室溫，可獲得含奈米粒子水溶液，在此奈米粒子為金奈米粒子。實施例2為濃度檢測組成物，其以下列方法獲得：將前述含奈米粒子水溶液與5×10-5M的半胱胺酸水溶液以2比1的體積比進行混合，可得到濃度檢測組成物，其中包含複數個經修飾奈米粒子。請參照第9圖，其是實施例2的XPS結果圖。由第9圖可觀察到金與硫的鍵結(Au-S)，顯示半胱胺酸確實有結合到奈米粒子的表面。
<濃度檢測方法>
請參照第2圖，其是依據本發明一實施方式的濃度檢測方法200的步驟流程圖。濃度檢測方法200用以檢測一待測溶液中的一金屬離子的濃度。濃度檢測方法200包含步驟210~260。
步驟210是提供一濃度檢測組成物。關於濃度檢測組成物可參照上
文，在此不予重複。步驟220是提供一色卡組合，其中色卡組合包含顏色彼此不同的複數張色卡，各色卡對應所述金屬離子的一濃度值。步驟230是混合濃度檢測組成物與待測溶液以形成一混合溶液。濃度檢測組成物與待測溶液的混合比例可為5比1至1比1的體積比，以下實施例係以濃度檢測組成物與待測溶液的體積比為3比1作為例示。步驟240是等待一反應時間使混合溶液的顏色穩定。具體來說，當濃度檢測組成物與待測溶液混合後，金屬離子會與半胱胺酸產生交互作用，而改變奈米粒子之間的距離，其會反應在經修飾奈米粒子/奈米粒子的團聚程度，步驟240係使金屬離子與半胱胺酸之間的交互作用穩定後，即混合溶液的顏色不再劇烈變化時，再進行後續的顏色的比對，關於細節可參考第8圖的相關說明。前述反應時間可為10分鐘至40分鐘。然而，本發明不以此為限，可依據所檢測之金屬離子的種類、濃度及濃度檢測組成物的濃度適應調整。步驟250是將混合溶液的顏色與複數張色卡的顏色進行比對，由複數張色卡中選出顏色與混合溶液的顏色相同或最接近者；步驟260是依據選出的色卡對應的濃度值決定待測溶液的金屬離子的濃度。
請參照第3圖，其是依據本發明一實施方式的色卡組合的照片。第3圖的色卡組合是以金屬離子為銅離子(Cu2+)，參考溶液為硫酸銅溶液建立而成。色卡組合包含顏色彼此不同的複數張色卡，各色卡對應銅離子的一濃度值以及一反應時間。第3圖的色卡組合是預先建立，其建立方法如下：首先配製複數個硫酸銅溶液，各硫酸銅溶液具有一銅離子濃度，複數個銅離子濃度不同且已知，使用濃度檢測組成物分別與複數個硫酸銅溶液混合以形成複數個參考混合溶液，在此，濃度檢測組成物與硫酸銅溶液的混合比例為3比1的體積比，紀錄(拍照或錄影)參考混合溶液於不同反應時間的顏色，再分別製作成色卡，即可得到第3圖的色卡組合。第3圖中，當銅離子濃度為0μM時，其反應時間是由混合含
奈米粒子水溶液與半胱胺酸水溶液(即配製濃度檢測組成物)開始計算，而當銅離子濃度不為0μM時，其反應時間是由混合濃度檢測組成物分別與硫酸銅溶液開始計算(即步驟240中的反應時間)。由第3圖可知，銅離子濃度及反應時間皆會影響參考混合溶液的顏色。因此，在進行濃度檢測方法200時，應記錄步驟240中的反應時間，再選擇對應該反應時間的色卡進行比對。例如，當反應時間為10分鐘時，選擇第3圖中10分鐘那一列的色卡進行比對。
當上述色卡組合建立後，倘若欲檢測待測溶液的銅離子的濃度，可依照上述濃度檢測方法200進行，於步驟230中，倘若濃度檢測組成物與待測溶液的混合比例與建立色卡時濃度檢測組成物與硫酸銅溶液的混合比例相同，則步驟260中，可直接以選出的色卡對應的濃度值作為待測溶液的銅離子的濃度。倘若於步驟230中，濃度檢測組成物與待測溶液的混合比例與建立色卡時濃度檢測組成物與硫酸銅溶液的混合比例不同，則可依據待測溶液及硫酸銅溶液相對於濃度檢測組成物的比例，由選出的色卡對應的濃度值推算出待測溶液的銅離子的濃度，關於如何由待測溶液及硫酸銅溶液相對於濃度檢測組成物的比例推算出待測溶液中銅離子的濃度，係本領域所熟知，在此不另贅述。
相似地，若欲使用本發明的濃度檢測組成物量測其他金屬離子的濃度，例如鐵離子，可比照上述方式建立該金屬離子的色卡組合。換句話說，本發明可預先建立不同金屬離子的色卡組合，而可用於以比色法量測不同種類的金屬離子的濃度。
請參照第4圖，其是依據本發明另一實施方式的濃度檢測方法400的步驟流程圖。濃度檢測方法400用以檢測一待測溶液中的一金屬離子的濃度。濃
度檢測方法400包含步驟410~460。
步驟410是提供一濃度檢測組成物。關於濃度檢測組成物可參照上文，在此不予重複。步驟420是提供所述金屬離子於一特定波長的吸光度與濃度的一關係圖或一擬合方程式。步驟430是混合濃度檢測組成物與待測溶液以形成一混合溶液。步驟440是等待一反應時間使混合溶液的顏色穩定。步驟450是量測混合溶液於所述特定波長的吸光度，其先量測混合溶液的紫外線-可見光吸收光譜圖，得到混合溶液於所述特定波長的吸光度。步驟460是依據混合溶液於所述特定波長的吸光度帶入所述關係圖或所述擬合方程式的結果，決定待測溶液的金屬離子的濃度。步驟430、440可參考步驟230、240的相關說明。
以下係以金屬離子為銅離子(Cu2+)，參考溶液為硫酸銅溶液，例示說明如何建立金屬離子於一特定波長的吸光度與濃度的一關係圖或一擬合方程式。首先配製濃度分別為10μM、20μM、40μM、50μM、100μM的硫酸銅溶液作為參考溶液，將實施例2的濃度檢測組成物分別與前述參考溶液以3：1的體積比混合以形成複數個參考混合溶液，分別量測實施例1、2及前述參考混合溶液的紫外光-可見光吸收光譜，結果如第5、6圖所示，第5圖是依據本發明實施例1、2及複數個參考混合溶液的紫外光-可見光吸收光譜的量測結果圖，第6圖是第5圖的局部放大圖。第5圖中，由實施例1可知，金奈米粒子的最大吸收波長約為520nm。由實施例2可知，當金奈米粒子經修飾，會使最大吸收波長紅移且使最大吸光度下降，其與第3圖中銅離子濃度為0μM時的顏色變化一致，而第3圖可知，當銅離子濃度為0μM，含奈米粒子水溶液與半胱胺酸水溶液混合後，一開始顏色會變深(吸光度下降)，而反應一段時間後顏色逐漸穩定。由10μM、20μM、40μM、50μM、100μM的參考混合溶液的量測結果可知，與實施例1相較，
前述參考混合溶液的最大吸收波長會紅移且最大吸光度會下降，因此選定520nm以上的波長作為特定波長，並作為後續分析的對象。優選地，當奈米粒子之金屬外層的材質為金，前述特定波長的範圍為515nm至540nm。當奈米粒子之金屬外層的材質為銀，前述特定波長的範圍為395nm至440nm。
第5、6圖中實施例2(相當銅離子濃度為0μM)及10μM、20μM、40μM、50μM、100μM的參考混合溶液於以下特定波長521nm、523nm、525nm、527nm、529nm的吸光度如表一所示，並將每一特定波長之銅離子濃度與參考吸光度作圖或進行擬合，以分別得到關係圖及擬合方程式，前述關係圖如第7圖所示，前述擬合方程式及其R平方值(R-squared value)如表二所示，擬合方程式可利用已知計算軟體如Excel計算得到，擬合方程式的Y座標代表吸光度，X座標代表銅離子的濃度。
當擬合方程式及關係圖建立後，倘若欲檢測待測溶液的銅離子的濃度，可比照上述濃度檢測方法400進行。例如，可選擇521nm作為特定波長，將步驟450量測得到的混合溶液於特定波長521nm的吸光度，帶入表二中對應特定波長521的擬合方程式，可由擬合方程式計算出混合溶液於特定波長521nm的吸光度所對應的銅離子的濃度。或者，可將步驟450量測得到的混合溶液於特定波長521的吸光度，帶入第7圖中對應特定波長521nm的關係圖中，可利用如內插法、外插法等方式求出混合溶液於特定波長521nm的吸光度所對應的銅離子的濃度。倘若於步驟430中，濃度檢測組成物與待測溶液的混合比例與建立關係圖或擬合方程式時濃度檢測組成物與硫酸銅溶液的混合比例相同，則直接以混合溶液於特定波長521nm的吸光度所對應的銅離子的濃度作為待測溶液的銅離子的濃度。倘若於步驟430中，濃度檢測組成物與待測溶液的混合比例與建立關係圖或擬合方程式時濃度檢測組成物與硫酸銅溶液的混合比例不同，則可依據待測溶液及硫酸銅溶液相對於濃度檢測組成物的比例，由擬合方程式或關係圖計算出的銅離子的濃度推算出待測溶液的銅離子的濃度，關於如何由待測溶液及硫酸銅溶液相對於濃度檢測組成物的比例推算出待測溶液中銅離子的濃度，係本領域所熟知，在此不另贅述。另外，已知人類平均血清銅離子濃度約12~23mM、美國環保署要求之飲用水銅離子濃度的上限為1.3mg/L，由第7圖可知，本發明之濃度檢測方法400，其對銅離子的濃度的感測極限遠低於美國環保署對飲用水的要求及人類平均血清銅離子濃度，而有利於食品領域及醫療器材領域的
應用。
相似地，欲使用本發明的濃度檢測組成物量測其他金屬離子的濃度，例如鐵離子，可比照上述方式建立該金屬離子於特定波長的吸光度與濃度的關係圖或擬合方程式。換句話說，本發明可預先建立不同金屬離子於特定波長的吸光度與濃度的關係圖或擬合方程式，而可用於量測不同種類的金屬離子的濃度。
另外，以下以金屬離子為銅離子、奈米粒子為金奈米粒子，經修飾奈米粒子為經修飾奈米金粒子為例，說明金屬離子與經修飾奈米粒子之間的作用機制。請復參照第5、6圖，比較實施例1、2可知，金奈米粒子經半胱胺酸修飾後，最大吸收波長會紅移且最大吸光度會下降，顯示金奈米粒子經修飾後，出現團聚現象。由10μM的參考混合溶液的紫外光-可見光吸收光譜可知，其與實施例2的趨勢相同。然而，比較20μM、40μM、50μM、100μM的參考混合溶液與10μM的參考混合溶液的量測結果，當銅離子濃度增加，曲線趨勢會發生變化，且最大吸光度變大，顯示當銅離子的濃度增加，銅離子與經修飾金奈米粒子的之間的作用發生轉變，反而使團聚現象變輕微。
詳細來說，當未添加銅離子時，半胱胺酸因具有NH2及COOH基團，不同的半胱胺酸間會因偶極-偶極的耦合作用而使前述基團變成NH3+及COO-而彼此吸引團聚，因此實施例2的最大吸光度較實施例1的最大吸光度低，這也說明了第3圖中，當銅離子濃度為0μM，含奈米粒子水溶液與半胱胺酸水溶液混合後，隨著反應時間增加，一開始顏色會變深，而反應一段時間後顏色逐漸穩定。配合參照第8圖，其是銅離子與經修飾金奈米粒子的作用機制示意圖，經修飾金
奈米粒子包含金奈米粒子500及半胱胺酸。當添加微量銅離子，如第8圖的左半邊所示，銅離子可與不同的金奈米粒子500上的半胱胺酸產生配位，而使金奈米粒子500產生團聚。然而，當銅離子的濃度增加，如第8圖的右半邊所示，半胱胺酸會與銅離子產生氧化還原反應，而使半胱胺酸脫離金奈米粒子500的表面而彼此結合形成胱胺酸，亦即當銅離子的濃度增加，經修飾金奈米粒子上的半胱胺酸數量會減少，而不利於不同金奈米粒子500通過半胱胺酸間的偶極-偶極耦合作用彼此吸附，而使團聚現象減輕，這說明了第3圖中，當反應時間相同，例如反應時間為10分鐘時，銅離子的濃度越大，顏色越淡。因此，第5、6圖中，20μM、40μM、50μM、100μM的參考混合溶液的最大吸光度大於10μM的的最大吸光度。請同時參照第9圖及第10圖，第10圖是100μM的參考混合溶液的XPS結果圖。由第9圖及第10圖可知，當添加濃度較高的銅離子，金與硫的鍵結(Au-S)相對於SO3 2-的強度會下降，可進一步佐證添加濃度較高的銅離子，會使半胱胺酸脫離金奈米粒子500的表面。另外，第9圖、第10圖中偵測到SO3 2-，是由於實施例1的含奈米粒子水溶液含有未完全反應的檸檬酸鈉，檸檬酸鈉會將部分的半胱胺酸的硫醇鍵氧化為SO3 2-。請參照第11圖及第12圖，第11圖是10μM的參考混合溶液的TEM結果圖，第12圖是50μM的參考混合溶液的TEM結果圖，由第11圖及第12圖可知，當銅離子濃度較低時，金奈米粒子之間團聚程度較明顯，而當銅離子濃度較高時，團聚情況變輕微。另由第8圖之說明可知，本發明的濃度檢測組成物濃度組成物與待測溶液混合後，等待一反應時間再進行量測，係為使經修飾奈米粒子與金屬離子之間有足過的時間反應，如金屬離子與修飾基團之間的配位或者金屬離子與修飾基團之間的氧化還原作用，由於在反應進行中，混合溶液的顏色可能產生持續變化，待混合溶液的顏色穩定再進行比色或量測吸光度可獲得較準確的量測結果。
<濃度檢測裝置>
請參照第13圖，其是繪示依據本發明一實施方式的濃度檢測裝置700的方塊圖，濃度檢測裝置700用以檢測一待測溶液中的一金屬離子的濃度。濃度檢測裝置700包含一反應單元710、一處理單元720以及一使用者介面730，且可選擇地包含一儲存單元740。反應單元710用供濃度檢測組成物與待測溶液於其中混合以形成一混合溶液。處理單元720與反應單元710連接，處理單元720配置以執行：等待一反應時間使混合溶液的顏色穩定；量測混合溶液於一特定波長的吸光度；以及依據混合溶液於特定波長的吸光度帶入預先建立的金屬離子於特定波長的吸光度與濃度的一關係圖或一擬合方程式的結果，決定待測溶液的金屬離子的濃度。
處理單元720具有計算功能，例如可為但不限於中央處理器(Central Processing Unit，CPU)。使用者介面730與處理單元720連接，使用者介面730可用於顯示待測溶液的金屬離子濃度，優選地，使用者介面730可供使用者輸入指令，例如，可選擇金屬離子的種類或特定波長的數值。使用者介面730可包含螢幕、滑鼠及鍵盤，當螢幕為觸碰式螢幕時，使用者介面730可僅包含螢幕。儲存單元740與處理單元720連接，儲存單元740用於提供儲存功能，例如可儲存擬合方程式或儲存量測結果。儲存單元740可為但不限於隨機存取記憶體(RAM)、唯讀儲存記憶體(ROM)。此外，前述「連接」可指有線連接或無線連接。
請參照第14圖，其繪示依據本發明一實施方式的濃度檢測裝置800的示意圖。濃度檢測裝置800包含一偵測部A以及一主體B，偵測部A與主體B連接，偵測部A包含一反應單元810，反應單元810可為一透明容器，藉此有利於量測紫外線-可見光光譜圖而可據以計算吸光度，進行量測時，僅需將濃度檢測組合物
與待測溶液以特定比例滴入反應單元810即可。
主體B包含一處理單元820、一儲存單元840以及一使用者介面830，其中處理單元820及儲存單元840設置於主體B的內部，使用者介面830為一觸碰式螢幕。關於反應單元810、處理單元820、使用者介面830及儲存單元840可參考第13圖中具有相同名稱之元件的說明，在此不予重複。第14圖的濃度檢測裝置800可製作成易於攜帶的尺寸，而具有體積輕巧、易於攜帶的優點。此外，相較於火焰式原子吸收光譜法所使用的設備，濃度檢測裝置800的成本較低。
相較於先前技術，依據本發明的濃度檢測組成物，包含經半胱胺酸修飾的奈米粒子(即經修飾奈米粒子)，半胱胺酸與金屬離子之間的交互作用會隨金屬離子的濃度不同而改變，而可呈現不同的顏色，進而可利用比色法或量測吸光度得到金屬離子的濃度。當濃度檢測方法是利用比色法，其具有快速檢測的優點。當濃度檢測方法是利用吸光度，除了可快速檢測，另可大幅提升檢測的靈敏度及偵測極限。本發明的濃度檢測裝置，相較於火焰式原子吸收光譜法所使用的設備，具有成本較低、體積較輕小的優點，而有利於降低量測成本及攜帶至不同的地點進行實地量測。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
200:濃度檢測方法
210~260:步驟
Claims (7)
- 一種濃度檢測方法，用於檢測一待測溶液的一金屬離子的濃度，該濃度檢測方法包含：提供一濃度檢測組成物，其中該濃度檢測組成物包含複數個經修飾奈米粒子，各該經修飾奈米粒子包含一奈米粒子以及至少一修飾基團，該奈米粒子包含一金屬外層，該金屬外層的材質為金或銀，該至少一修飾基團附著於該金屬外層，各該修飾基團為半胱胺酸分子或半胱胺酸離子；提供該金屬離子於一特定波長的吸光度與濃度的一關係圖或一擬合方程式；混合該濃度檢測組成物與該待測溶液以形成一混合溶液；等待一反應時間使該混合溶液的顏色穩定；量測該混合溶液於該特定波長的吸光度，其中當該金屬外層的材質為金，該特定波長的範圍為515nm至540nm，當該金屬外層的材質為銀，該特定波長的範圍為395nm至440nm；以及依據該混合溶液於該特定波長的吸光度帶入該關係圖或該擬合方程式的結果，決定該待測溶液的該金屬離子的濃度。
- 如請求項1所述的濃度檢測方法，其中該反應時間為10分鐘至40分鐘。
- 如請求項1所述的濃度檢測方法，其中該濃度檢測組成物與該待測溶液的混合比例為5比1至1比1的體積比。
- 如請求項1所述的濃度檢測方法，其中該關係圖的建立方法包含：提供複數個參考溶液，其中各該參考溶液具有一金屬離子參考濃度，該複數個金屬離子參考濃度不同且已知；將該複數個參考溶液分別與該濃度檢測組成物混合以形成複數個參考混合溶液；分別量測得到該複數個參考混合溶液的紫外光-可見光吸收光譜，以得到各該參考混合溶液於該特定波長的一參考吸光度；以及依據該複數個金屬離子參考濃度與該複數個參考吸光度作圖以得到該關係圖。
- 如請求項1所述的濃度檢測方法，其中該擬合方程式的建立方法包含：提供複數個參考溶液，其中各該參考溶液具有一金屬離子參考濃度，該複數個金屬離子參考濃度不同且已知；將該複數個參考溶液分別與該濃度檢測組成物混合以形成複數個參考混合溶液；分別量測得到該複數個參考混合溶液的紫外光-可見光吸收光譜，以得到各該參考溶液於該特定波長的一參考吸光度；以及依據該複數個金屬離子參考濃度與該複數個參考吸光度進行擬合以得到該擬合方程式。
- 一種濃度檢測裝置，用以檢測一待測溶液的一金屬離子的濃度，該濃度檢測裝置包含：一反應單元，用以供一濃度檢測組成物與該待測溶液於其中混合以形成一 混合溶液，其中該濃度檢測組成物包含複數個經修飾奈米粒子，各該經修飾奈米粒子包含一奈米粒子以及至少一修飾基團，該奈米粒子包含一金屬外層，該金屬外層的材質為金或銀，該至少一修飾基團附著於該金屬外層，各該修飾基團為半胱胺酸分子或半胱胺酸離子；一處理單元，與該反應單元連接，該處理單元配置以執行：等待一反應時間使該混合溶液的顏色穩定；量測該混合溶液於一特定波長的吸光度，其中當該金屬外層的材質為金，該特定波長的範圍為515nm至540nm，當該金屬外層的材質為銀，該特定波長的範圍為395nm至440nm；以及依據該混合溶液於該特定波長的吸光度帶入預先建立的該金屬離子於該特定波長的吸光度與濃度的一關係圖或一擬合方程式的結果，決定該待測溶液的該金屬離子的濃度；以及一使用者介面，與該處理單元連接，該使用者介面用以顯示該待測溶液的該金屬離子的濃度。
- 如請求項6所述的濃度檢測裝置，更包含：一儲存單元，與該處理單元連接，該儲存單元用以儲存該關係圖或該擬合方程式。
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| Title |
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| 期刊 Mir Hadi Jazayeri et al. Colorimetric detection based on gold nano particles (GNPs): An easy, fast, inexpensive, low-cost and short time method in detection of analytes (protein, DNA, and ion) Sensing and Bio-Sensing Research 20 (2018) 1-8 Elsevier 20180504 * |
| 網路文獻 Chun-Hua Lu et al., Ultrasensitive detection of Cu2+ with the naked eye and application in immunoassays NPG Asia Materials (2012) 4;published online 16 March 2012; * |
| 網路文獻 Yan Shang et al., Highly selective colorimetric assay for nickel ion using N-acetyl-L-cysteine-functionalized silver nanoparticles Journal of Nanoparticle Research volume 14, Article number: 1169 (2012), Published: 08 September 2012; * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| TW202317965A (zh) | 2023-05-01 |
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