一種利用金納米顆粒同時檢測三價六價鉻離子的方法
【專利摘要】利用2，3-二巰基丁二酸修飾的金納米顆粒實現(xiàn)對三價鉻離子和六價鉻離子的檢測方法。合成金納米顆粒，利用配體交換的方法使金納米顆粒表面修飾2，3-二巰基丁二酸，調(diào)節(jié)溶液pH到酸性，加入含鉻離子的溶液，金納米顆粒溶液顏色發(fā)生肉眼可見的變化，以此判斷鉻離子的存在，檢測限為10nM,其他金屬離子不干擾。此外2，3-二巰基丁二酸修飾的金納米顆粒還可與智能手機等無線設(shè)備聯(lián)合用于實地檢測。
【專利說明】—種利用金納米顆粒同時檢測三價六價鉻離子的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種三價六價鉻離子的檢測方法，特別涉及一種利用金納米顆粒同時檢測三價六價鉻離子的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]鉻離子在自然環(huán)境中通常以三價鉻離子和六價鉻離子的形式存在，三價鉻離子毒性較低，而六價鉻離子對人體和環(huán)境都有很大的危害，兩者之間在一定條件下可相互轉(zhuǎn)換。目前用于鉻離子檢測的技術(shù)主要有:
[0003]利用有機小分子化合物。如CN103543115A公開了檢測水體中鉻離子濃度的方法，所述方法采用以下步驟:(I)緩沖液的配制；(2)顯色劑的配制；(3)制作標準液曲線，再加入0.5mL磷酸溶液，和ImL的二苯碳酞二脅溶液顯色，最加水到刻度，靜置15min后，取待測水體在波長540nm處測定。但是，利用有機小分子化合物檢測主要包括利用有機染料和熒光分子檢測，有機染料因其較低的摩爾吸收系數(shù)，導(dǎo)致利用有機染料檢測鉻離子的靈敏度不聞。
[0004]電化學(xué)檢測。如龍漢均研究的電化學(xué)法測試三價鉻(III)(龍漢均，電化學(xué)法測試鉻(III)的實驗條件選擇，貴州大學(xué)畢業(yè)論文，2010年6月I日)，其利用差示脈沖伏安法進行鉻離子的測試。該方法操作繁瑣，需要專門的技術(shù)人員才能完成。
[0005]電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)。如CN103728397A公開了一種用于HPLC-1CP/MS技術(shù)分析煙用紙張中鉻含量的前處理方法。本發(fā)明采用NaOH溶液振蕩提取煙用紙張樣品，提取液經(jīng)水性濾膜過濾后得到初始濾液，使用HCl溶液調(diào)pH值后所得濾液既可作為分析六價鉻的分析液；或者取調(diào)PH值后所得濾液與EDTA溶液進行絡(luò)合反應(yīng)，反應(yīng)液即為HPLC-1CP/MS法檢測分析三價鉻和六價鉻的分析溶液。和原子吸收光譜(AAS)。ICP-MS和AAS法均需要價格昂貴的儀器，且操作繁瑣，需要專門的技術(shù)人員才能完成。
[0006]而且，目前大部分現(xiàn)有技術(shù)的檢測范圍比較窄，當(dāng)增高其他離子的濃度，選擇性就會變得很差，而且通常需要數(shù)十分鐘至幾個小時以上。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明在于提供一種簡單、低廉、高效的同時檢測含鉻樣品中三價鉻離子和六價鉻離子的方法，利用2.2，3_ 二巰基丁二酸功能化的金納米顆粒特異性檢測含鉻樣品中的三價鉻離子和六價鉻離子，無需氧化還原劑存在實現(xiàn)三價六價離子相互轉(zhuǎn)換。這樣就克服了有的方法只能檢測三價鉻，這時候加點還原劑，把六價鉻還原成三價鉻，再進行檢測；有的方法只能檢測六價鉻，這時候加點氧化劑，把三價鉻氧化成六價鉻，再進行檢測的弊端。
[0008]為達上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0009]一種利用金納米顆粒同時檢測三價六價鉻離子的方法，包含以下步驟:
[0010](I)制備金納米顆粒的水溶液；
[0011](2)用2，3- 二巰基丁二酸將納米顆粒表面化學(xué)改性得到納米顆粒表面化學(xué)改性后的溶液；
[0012](3)將步驟(2)所得溶液與待測樣品混合檢測待測樣品中的三價和六價鉻離子。
[0013]本發(fā)明利用功能化的改性后的金納米顆粒同時檢測含鉻樣品中三價鉻離子和六價鉻離子。改性后的金納米顆粒溶液呈現(xiàn)為紅色。如果金納米顆粒的水溶液中有三價鉻離子或六價鉻離子存在或者二者同時存在，它們會與金納米顆粒上的2，3-二巰基丁二酸的羧基結(jié)合，拉近原本分散在溶液中的金納米顆粒間的距離，導(dǎo)致金納米顆粒聚集，聚集后的金納米顆粒溶液顏色呈現(xiàn)為紫色或藍色。單一的三價鉻離子或六價鉻離子以及兩者的混合液均能導(dǎo)致金納米顆粒的聚沉。通過溶液顏色的變化來判斷水溶液中三價鉻離子或六價鉻離子是否存在，從而達到檢測三價鉻離子和六價鉻離子的目的，無需氧化還原劑實現(xiàn)三價與六價鉻離子之間的轉(zhuǎn)換。
[0014]本發(fā)明對于合成金納米顆粒的方法不作特別限定，例如可以使用經(jīng)典的檸檬酸鈉還原氯金酸、Schmid法，Brust-Schiffrin法，Perrault-Chan法等的制備方法。
[0015]作為優(yōu)選技術(shù)方案，本發(fā)明的檢測方法中，步驟(I)所述金納米顆粒的直徑為5_20nm,優(yōu)選為10_15nm,進一步優(yōu)選為大約14nm。
[0016]本發(fā)明的納米顆粒的水溶液的pH值可以有較寬的范圍如1_14，ρΗ值越低，所能檢測到的鉻離子濃度就越低，在PH1.0-3.0時，所能達到的最低檢測濃度為ΙΟηΜ，隨著pH值增大，最低檢測濃度也增高，在PH5.0以上時，所能達到的最低檢測濃度約為1M。因此，為了達到較好的靈敏度和體系穩(wěn)定性，作為優(yōu)選技術(shù)方案，本發(fā)明的檢測方法中，步驟(I)所述金納米顆粒的水溶液的pH為1-5，例如為2.5、3.3、4.0、4.4、4.9等，優(yōu)選為1_3，進一步優(yōu)選為3。
[0017]本發(fā)明的將納米顆粒表面化學(xué)改性的方法可以不作具體限定，例如使用利用Au-S鍵進行配體交換，利用靜電作用進行自組裝，利用化學(xué)反應(yīng)進行共價連接等方法均可以。但作為優(yōu)選技術(shù)方案，本發(fā)明的檢測方法中，步驟(2)所述的改性通過配體交換的方法進行。
[0018]優(yōu)選地，所述配體交換的過程為:將2，3- 二巰基丁二酸加入到金納米顆粒水溶液中,攪拌。金顆粒本身和改性后均為紅色。
[0019]優(yōu)選地，所述2，3- 二巰基丁二酸的濃度為5-20mM，例如為7mM、10mM、13mM、16mM、19mM等，金納米顆粒水溶液的濃度為0.5-5nM,例如為0.8ηΜ、1.5ηΜ、2.0nM,3.0nM,4.5ηΜ
坐寸ο
[0020]優(yōu)選地，所述2，3- 二巰基丁二酸與金納米顆粒水溶液的體積比為0.2-5:100,例如為 0.5:1、0.9:1、1.4:1、2.0:1、2.5:1、3.3:1、4.0:1、4.5:1 等。
[0021]優(yōu)選地，所述攪拌緩慢進行，攪拌的時間為0.5h以上，例如為0.8h、l.5h、2.0h、
3.5h、5.5h、6.0h 等，優(yōu)選為 l_5h。
[0022]作為優(yōu)選技術(shù)方案，本發(fā)明所述的方法，包含以下步驟:
[0023](I)制備直徑為5_20nm、pH為1_7的金納米顆粒的水溶液；
[0024](2)將濃度為5-20mM的2，3_ 二巰基丁二酸加入到濃度為0.5_5nM的金納米顆粒水溶液中，攪拌0.5h以上，得到納米顆粒表面化學(xué)改性后的溶液，所述2，3- 二巰基丁二酸與金納米顆粒水溶液的體積比為0.2-5:100 ；
[0025](3)將步驟(2)所得溶液與待測樣品混合檢測待測樣品中的三價和六價鉻離子。
[0026]待測樣品需為液態(tài)，若為固體樣品(如土壤，食品等)，按照國標中檢測鉻離子的前處理方法進行處理，用酸進行溶出氧化，得到液態(tài)樣品。待測樣品與金納米顆粒水溶液的體積比從2:1至1:1000均可。
[0027]待測樣品中的三價和六價鉻離子可通過比色法確定樣品中的鉻離子的含量范圍，也可以通過使用紫外-可見分光光度計及標準曲線法進行精確定量。
[0028]為了使本發(fā)明更加方便快捷的用于實地檢測中，還可以將2，3_ 二巰基丁二酸修飾金納米顆粒與智能手機等無線傳輸設(shè)備聯(lián)合起來，用于含鉻樣品的現(xiàn)場檢測。首先得到不同濃度鉻離子加入金顆粒溶液中的顏色變化，然后通過圖片軟件得到色卡和RGB的值，并得到濃度隨RGB比值的線性曲線用于后面的定量。實際中的含鉻樣品加入到2，3- 二巰基丁二酸修飾金納米顆粒溶液中后，用智能手機或其他無線設(shè)備拍下照片，用設(shè)備中的軟件得出色卡與標準色卡進行定性比對，或者得到RGB值，用標準曲線進行定量。
[0029]本發(fā)明對三價鉻離子和六價鉻離子的檢測有很好的選擇性和靈敏度(能達到ppb量級)及很寬廣的動態(tài)檢測范圍。在同樣的檢測條件下(PH3.0，金屬離子濃度為ΙΟμΜ，金納米顆粒濃度為2.5ηΜ)，將其他金屬離子加入到金納米顆粒的溶液中，溶液顏色保持紅色，沒有發(fā)生變化，當(dāng)加入三價鉻離子或六價鉻離子，溶液的顏色能在幾秒鐘至幾分鐘內(nèi)由紅色變?yōu)樗{色或紫色，說明三價鉻離子或六價鉻離子導(dǎo)致了金納米顆粒聚集。降低金屬離子的濃度至ΙΟηΜ，本發(fā)明依然可以檢測出來。該濃度是目前已知的通過納米顆?？梢暬瘷z測所能檢測到的最低濃度。且實現(xiàn)同時檢測三價六價鉻離子時無需氧化還原劑存在。
[0030]本發(fā)明能特異性檢測自來水、土壤及茶葉等中的三價鉻離子和六價鉻離子，并且具有很好的選擇性和靈敏度。所能檢測到的三價鉻離子和六價鉻離子最低濃度可達到IX 10_8M。和目前常用的技術(shù)相比，只需要把含有三價鉻離子或重鉻酸根離子的待測樣品與金納米顆粒相互混合，通過顏色變化就能判斷其中是否含有三價鉻離子或重鉻酸根離子，因此操作簡單、快速，無需氧化還原劑實現(xiàn)三價六價離子間轉(zhuǎn)換，不需要任何大型儀器，成本極低，具備很好的應(yīng)用潛力。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0031]圖1為本發(fā)明的檢測原理圖；
[0032]圖2為實施例1制備的金納米顆粒的TEM表征圖；
[0033]圖3為2，3- 二巰基丁二酸修飾金納米顆粒的選擇性結(jié)果圖示；
[0034]圖4為2，3- 二巰基丁二酸修飾金納米顆粒檢測三價鉻離子結(jié)果圖示；
[0035]圖5為2，3- 二巰基丁二酸修飾金納米顆粒檢測六價鉻離子結(jié)果圖示；
[0036]圖6為2，3- 二巰基丁二酸修飾金納米顆粒檢測三價鉻離子和六價鉻離子混合物結(jié)果圖不;
[0037]圖7為2，3- 二巰基丁二酸修飾金納米顆粒檢測鉻離子污染土壤結(jié)果圖示；
[0038]圖8為2，3_ 二巰基丁二酸修飾金納米顆粒和智能手機結(jié)合的示意圖。
【具體實施方式】
[0039]為便于理解本發(fā)明，本發(fā)明列舉實施例如下。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明了，所述實施例僅僅用于幫助理解本發(fā)明，不應(yīng)視為對本發(fā)明的具體限制。
[0040]圖1為本發(fā)明的檢測原理圖；2，3- 二巰基丁二酸修飾的金納米顆粒溶液加入一定濃度三價鉻離子或六價鉻離子或二者混合物之后，金納米顆粒由分散變?yōu)榫奂癄顟B(tài)，溶液顏色由紅變藍。
[0041]實施例1.金納米顆粒的合成
[0042]金納米顆粒的合成采用經(jīng)典的檸檬酸鈉還原氯金酸的制備方法。
[0043]I)將114毫克檸檬酸鈉溶解于10毫升蒸餾水中，加熱至100°C ；
[0044]2)同時，搭建好回流裝置，向250毫升的兩口圓底燒瓶中加入100毫升蒸餾水，將41毫克氯金酸加入其中，加熱至125°C使之回流；
[0045]3)將I)中的檸檬酸鈉熱水溶液迅速加入到2)中，1200轉(zhuǎn)/分鐘劇烈攪拌15分鐘，溶液顏色由淺黃色逐漸變?yōu)樯罴t色；
[0046]4)撤去加熱裝置，緩慢攪拌至室溫；
[0047]5)用PES濾膜(孔徑為22微米)過濾所得金納米顆粒水溶液，除去那些不容物或較大的塊狀物。
[0048]6)用透射電鏡(TEM)表征所合成的金納米顆粒，大小均勻，約為14納米。
[0049]圖2為本實施例制備的金納米顆粒的TEM表征圖。
[0050]實施例2.金納米顆粒表面功能化
[0051 ] 金納米顆粒的表面功能化采用經(jīng)典的配體交換法。
[0052]將10微升(IOmM) 2，3-二巰基丁二酸加入到I毫升上述金納米顆粒水溶液中(2nM)，溶液顏色為紅色，緩慢攪拌兩小時；(用紫外-可見分光光度計測出金納米顆粒溶液的吸光度，根據(jù)朗伯比爾定律即可計算出金納米顆粒的摩爾濃度，14納米大小的金納米顆粒的摩爾吸光系數(shù)為2.7 X IO8M-1CnT1)。
[0053]實施例3.pH值對本檢測系統(tǒng)的影響研究
[0054]本發(fā)明中金納米顆粒溶液為酸性時，檢測靈敏度更好。在酸性環(huán)境中進行鉻離子檢測，氫離子的濃度有很大影響。氫離子濃度越高，PH值就越低，所能檢測到的鉻離子濃度就越低，在pHl.0?3.0時，所能達到的最低檢測濃度為ΙΟηΜ，隨著pH值增大，最低檢測濃度也增高，在PH5.0以上時，所能達到的最低檢測濃度約為1M。為了達到較好的靈敏度和體系穩(wěn)定性，本檢測系統(tǒng)的優(yōu)選pH值選擇為3.0。
[0055]實施例4.本發(fā)明的選擇性研究
[0056]為了研究本發(fā)明的特異性，我們探索了其他金屬離子是否會對本發(fā)明有干擾。這些離子包括 Ni2+，Cd2+，Al3+，Mn2+，MnO廣，Mg2+，Ba2+，F(xiàn)e3+，F(xiàn)e2+，Zn2+，Hg2+，Cu2+，Pb2+，Ca2+，Cr3+和Cr2O72'將這些金屬離子分別溶解于蒸餾水中，濃度均為ImM。圖3為2，3-二巰基丁二酸修飾金納米顆粒的選擇性結(jié)果圖示。圖圖示中可以看出，當(dāng)這些離子加入到上述功能化的金納米顆粒溶液中后，用鹽酸調(diào)節(jié)PH值為3.0,只有三價鉻離子和六價鉻離子能使納米顆粒的顏色發(fā)生變化，在幾秒鐘之內(nèi)由紅色變?yōu)樽仙?，說明納米顆粒發(fā)生聚集。其他離子沒有變化，說明本發(fā)明具有很好選擇性。同時，通過紫外-可見分光光度計來檢測其吸收值的變化，只有三價鉻離子和六價鉻離子加入后的金納米顆粒溶液的吸收值發(fā)生了變化，其525nm處的吸收峰逐漸降低，650nm處的吸收峰逐漸升高，并伴隨著峰的變寬。通過比較加入金屬離子前后650nm處的吸收值和525nm處的吸收值的比值，可以明顯得看到本發(fā)明具有相當(dāng)好的選擇性。
[0057]實施例5.本發(fā)明在無任何儀器輔助下的靈敏度研究[0058]通過對被檢測的鉻離子進行連續(xù)稀釋，使其濃度呈梯度遞減，然后分別將它們加入上述功能化的金納米顆粒溶液中，高濃度的鉻離子加入能使金納米顆粒顏色由紅色迅速變?yōu)樗{色。隨著鉻離子濃度降低，金納米顆粒顏色變化越來越不明顯，變化所需要的時間也越來越長，能肉眼辨別金納米顆粒顏色變化的最低檢測濃度為ΙΟηΜ。為了驗證該靈敏度的結(jié)果，我們用紫外-可見分光光度計測試了不同鉻離子濃度下的金納米顆粒溶液吸光度的變化，520nm處的吸光度隨著鉻離子濃度降低而增大，同時650nm左右的吸光度隨著鉻離子濃度降低而減小，說明其顏色變化越來越不明顯。
[0059]圖4為2，3- 二巰基丁二酸修飾金納米顆粒檢測三價鉻離子結(jié)果圖示；圖5為2，3-二巰基丁二酸修飾金納米顆粒檢測六價鉻離子結(jié)果圖示；圖6為2，3_ 二巰基丁二酸修飾金納米顆粒檢測三價鉻離子和六價鉻離子混合物結(jié)果圖示。
[0060]實施例6.飲用水中的鉻離子檢測研究
[0061]為了說明本發(fā)明可以用來檢測飲用水中的鉻離子是否存在，我們從實驗室接來自來水，向其中摻入不同濃度的鉻離子，分別為10 μ M和100 μ Μ。當(dāng)向990 μ L金納米顆粒溶液中分別加入IOyL含鉻離子IOyM和IOOy M的自來水后，金納米顆粒溶液迅速變?yōu)樗{色或紫色，紫外-可見吸收光譜顯示其吸收峰發(fā)生了紅移。而加入10 μ L不含鉻離子的自來水到金納米顆粒中后，并無發(fā)生顏色變化。說明本發(fā)明能夠檢測飲用水中的鉻離子，其檢測線在世界衛(wèi)生組織所發(fā)布的最高濃度以下。
[0062]實施例7.含鉻樣品中的鉻離子檢測研究
[0063]為了說明本發(fā)明可以用來檢測含鉻樣品中的鉻離子是否存在，我們找來云南含鉻的礦渣，采用國標HJ491-2009的方法對樣品進行前處理得到溶液，然后用ICP-OES的方法測定其中含有的各種金屬元素Co, Cd, Pb, Fe, Ni, Zn, Ca, Al, Cu, Mg, Ba, Mn, Cr的濃度。通過稀釋使除鉻以外的其他金屬離子的總濃度低于干擾濃度，得到用于檢測的溶液，此時鉻離子的濃度約為100 μ Μ，取10 μ L加入990 μ L金納米顆粒中，溶液迅速變?yōu)樗{色，紫外-可見吸收光譜顯示其吸收峰發(fā)生了紅移。此結(jié)果與直接加入100 μ M鉻離子的溶液效果一致。說明本發(fā)明能夠用于含鉻樣品中的鉻離子的檢測，含鉻樣品包括被鉻污染的茶葉、膠囊、土壤等各種物質(zhì)。以被鉻污染土壤檢測為例(圖7)。
[0064]實施例8.2，3- 二巰基丁二酸修飾金納米顆粒與智能手機等無線傳輸設(shè)備的聯(lián)合體系用于鉻離子檢測
[0065]為了使本發(fā)明更加方便快捷的用于實地檢測中，我們將2，3- 二巰基丁二酸修飾金納米顆粒與智能手機等無線傳輸設(shè)備聯(lián)合起來，用于含鉻樣品的現(xiàn)場檢測。首先得到不同濃度鉻離子加入金顆粒溶液中的顏色變化，然后通過圖片軟件得到色卡和RGB的值，并得到濃度隨RGB比值的線性曲線用于后面的定量。實際中的含鉻樣品加入到2，3_ 二巰基丁二酸修飾金納米顆粒溶液中后，用智能手機或其他無線設(shè)備拍下照片，用設(shè)備中的軟件得出色卡與標準色卡進行定性比對，或者得到RGB值，用標準曲線進行定量。以不含鉻和含鉻IOOnM金納米顆粒溶液為例，整個過程如圖8所示。
[0066] 申請人:聲明，本發(fā)明通過上述實施例來說明本發(fā)明的詳細工藝設(shè)備和工藝流程，但本發(fā)明并不局限于上述詳細工藝設(shè)備和工藝流程，即不意味著本發(fā)明必須依賴上述詳細工藝設(shè)備和工藝流程才能實施。所屬【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員應(yīng)該明了，對本發(fā)明的任何改進，對本發(fā)明產(chǎn)品各原料的等效替換及輔助成分的添加、具體方式的選擇等，均落在本發(fā)明的保護范圍和公開范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種利用金納米顆粒同時檢測三價六價鉻離子的方法，包含以下步驟: (1)制備金納米顆粒的水溶液； (2)用2，3-二巰基丁二酸將納米顆粒表面化學(xué)改性得到納米顆粒表面化學(xué)改性后的溶液； (3)將步驟(2)所得溶液與待測樣品混合檢測待測樣品中的三價和六價鉻離子。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟(I)所述金納米顆粒的直徑為5_20nm,優(yōu)選為10_15nm,進一步優(yōu)選為13nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，步驟(I)所述金納米顆粒的水溶液的pH為1-14，優(yōu)選為1-5，進一步優(yōu)選為1-3，特別優(yōu)選為3。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項所述的方法，其特征在于，步驟(2)所述的改性通過配體交換的方法進行。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述配體交換的過程為:將2，3-二巰基丁 二酸加入到金納米顆粒水溶液中，攪拌。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述2，3-二巰基丁二酸的濃度為5-20mM，金納米顆粒水溶液的濃度為0.5-5nM。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述2，3-二巰基丁二酸與金納米顆粒水溶液的體積比為0.2-5:100。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述攪拌緩慢進行，攪拌的時間為0.5h以上，優(yōu)選為l-5h。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，包含以下步驟: (1)制備直徑為5-20nm、pH為1_7的金納米顆粒的水溶液； (2)將濃度為5-20mM的2，3-二巰基丁二酸加入到濃度為0.5_5nM的金納米顆粒水溶液中，攪拌0.5h以上，得到納米顆粒表面化學(xué)改性后的溶液，所述2，3- 二巰基丁二酸與金納米顆粒水溶液的體積比為0.2-5:100 ； (3)將步驟(2)所得溶液與待測樣品混合檢測待測樣品中的三價和六價鉻離子。
【文檔編號】G01N21/78GK103983638SQ201410227849
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年5月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月27日
【發(fā)明者】蔣興宇, 陳雯雯, 王卓, 曹豐晶 申請人:國家納米科學(xué)中心