CN111707654A - 一种用于铜离子的比色和表面增强拉曼双传感分析方法及试剂 - Google Patents

一种用于铜离子的比色和表面增强拉曼双传感分析方法及试剂 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于铜离子的比色和表面增强拉曼双传感分析方法，包括：S1：制备4‑巯基吡啶修饰的金纳米颗粒；S2：制备4‑巯基苯甲酸修饰的银纳米颗粒；S3：将4‑巯基苯甲酸修饰的银纳米颗粒与4‑巯基吡啶修饰的金纳米颗粒混合并孵育，得到GNPs‑AgNPs复合物；S4：将待测试的溶液滴加在GNPs‑AgNPs复合物的表面上，与标准颜色进行比色定性分析，之后采用紫外可见吸收光谱仪进行定性分析，同时采用拉曼光谱仪进行拉曼信号的检测，通过图谱对照及信号强度换算实现定性和定量检测。与现有技术相比，本发明制备得到GNPs‑AgNPs结构来检测Cu2+，GNPs‑AgNPs结构与Cu2+结合后形成类三明治结构，使得检测极其灵敏，样品用量少，检测限也比单一探针分子低。

Description

一种用于铜离子的比色和表面增强拉曼双传感分析方法及 试剂
技术领域
本发明涉及铜离子检测领域，尤其是涉及一种用于铜离子的比色和表面增强拉曼双传感分析方法及试剂。
背景技术
随着人们生活质量的日益提高，人们对于环境污染问题以及生命体中各种微量元素的探究也变得迫在眉睫，与这方面相关的报道也在不断地增多。Cu2+也是一种广泛存在于环境中的一种重金属离子，也在人体中起着维持机体正常工作的微量元素，人体细胞内的造血就需要这种微量元素，一些酶的反应还有一些生命体内的氧化还原过程也是需要铜离子的参与。如果生命体内的Cu2+代谢遭到破坏，就可能导致一些疾病，比如说威尔逊氏症、阿兹海默症、家族性肌萎缩侧索硬化症、帕金森综合症和门克斯氏综合症等，环境中Cu2+浓度过高也会对生命体产生较为严重的毒性。因此，检测铜离子变得重要和必要。
目前检测Cu2+的方法主要有原子吸收法、荧光猝灭法、极谱仪法、电化学发光分析法和电修饰法、电感耦合等离子体法以及质谱法等。但是以上Cu2+的测定方法有的操作繁琐，有的仪器昂贵，并且需要花费一定时间进行分析。
CN110530847A公开了一种特异性鉴别Cu2+的表面增强拉曼光谱基底及其制备方法和应用。制备方法包括如下步骤：在磁力搅拌下，将NaBH4加入到AgNO3溶液中，得到淡黄色溶液，继续搅拌5min后，调节溶液的pH，得到AgNPs溶液；将上述得到的AgNPs溶液加入到4-巯基苯甲酸溶液中，搅拌，反应结束后撤除冰水浴，回温至室温，得到目标产物。该技术的缺点在于硼氢化钠还原性能太强且反应温度不好掌控，难以获得形貌可控且重现性好的纳米银材料，从而限制了其应用。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于铜离子的比色和表面增强拉曼双传感分析方法及分析试剂，通过制备来获得GNPs@Mpy-AgNPs@MBA(GNPs-AgNPs)结构，以此实现与铜离子的特异性结合，并通过表面增强拉曼或颜色变化检测金属离子的多功能传感器实现简单、快速、准确、成本低廉的定性和定量分析。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
本发明中用于铜离子的比色和表面增强拉曼双传感分析方法，包括以下步骤：
S1：制备4-巯基吡啶修饰的金纳米颗粒(AgNPs@MBA)；
S2：制备4-巯基苯甲酸修饰的银纳米颗粒(GNPs@Mpy)；
S3：将4-巯基苯甲酸修饰的银纳米颗粒与4-巯基吡啶修饰的金纳米颗粒混合并孵育，得到GNPs-AgNPs复合物，即GNPs@Mpy-AgNPs@MBA(GNPs-AgNPs)结构的组装；
S4：将待测试的溶液滴加在GNPs-AgNPs复合物的表面上，与标准颜色进行比色定性分析，之后采用紫外可见吸收光谱仪进行定性分析，同时采用拉曼光谱仪进行拉曼信号的检测，拉曼光谱仪的激发波长为785nm，积分时间为10s，以此获得样品的SERS图谱，与单一探针分子的图谱对照，实现定性和定量检测。
进一步地，步骤S1中4-巯基吡啶修饰的金纳米颗粒的制备过程为：
S1-1：将HAuCl4水溶液加热至沸腾，然后加入柠檬酸钠，煮沸溶液变为酒红色后停止加热，冷却至室温，过滤，离心，浓缩富集得到金纳米颗粒；
S1-2：将金纳米颗粒放入4-巯基吡啶乙醇溶液中，在室温下孵育，离心除去未与金纳米颗粒结合的4-巯基吡啶，将离心后的沉淀用水分散，得到4-巯基吡啶修饰的金纳米颗粒分散液。
进一步地，步骤S1-1中HAuCl4的加入量为水加入量的0.1％wt，柠檬酸钠的加入量为水加入量的10％wt，过滤时采用0.45μm的微孔滤膜，离心时采用6000r/min的速度离心10min。
进一步地，步骤S1-2中4-巯基吡啶乙醇溶液的浓度为1mmol/L，4-巯基吡啶乙醇溶液与金纳米颗粒的投加体积比例为1:100，孵育时间为6h，离心时采用5000r离心3min。
进一步地，步骤S2中4-巯基苯甲酸修饰的银纳米颗粒的制备过程为：
S2-1：制备甘油和水的混合液，然后加入硝酸银，之后加入的柠檬酸钠进行反应，冷却至室温，离心，浓缩富集，得到银纳米颗粒；
S2-2：将4-巯基苯甲酸乙醇溶液和银纳米颗粒混合并在室温下孵育，离心3min除去未与银纳米颗粒结合的4-巯基苯甲酸，将离心后的沉淀用水分散，制得4-巯基苯甲酸修饰的银纳米颗粒分散液。
进一步地，步骤S2-1中甘油与水的投加体积比为2:3，加入硝酸银前将甘油与水的混合液体加热至95℃，硝酸银的投加量与甘油投加量的质量比为5％wt，所述柠檬酸钠的投加量与甘油投加量的质量比为10％wt，离心转速为9800r/min。
进一步地，步骤S2-2中4-巯基苯甲酸乙醇与银纳米颗粒的质量体积比为1:20～1:80。
进一步地，步骤S3中4-巯基苯甲酸修饰的银纳米颗粒与4-巯基吡啶修饰的金纳米颗粒的质量比为1:1～1:10。
进一步地，步骤S4中，通过紫外进行铜离子定性分析时，特征吸收峰包括423nm对应的AgNPs峰、531nm对应的GNPs峰、730nm处的螯合分子峰(类三明治结构GNPs@Mpy-AgNPs@MBA(GNPs-AgNPs))；
进一步地，通过拉曼光谱仪进行铜离子定性分析时，采用1224±2cm-1和1429±2cm-1作为检测铜离子的特征峰；
进一步地，通过拉曼光谱仪进行铜离子定量分析时，采用I1224和I1429对应峰强度与铜离子的浓度之间的线性关系来计算铜离子的实际浓度。
进一步地，本发明中在日光灯下比色标准由不同浓度的铜离子标定获得。
本发明中的铜离子检测试剂，其组分包括GNPs-AgNPs复合物，所述GNPs-AgNPs复合物由4-巯基苯甲酸修饰的银纳米颗粒与4-巯基吡啶修饰的金纳米颗粒混合并孵育获得。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、通过将4-巯基苯甲酸修饰的银纳米颗粒和4-巯基吡啶修饰的金纳米颗粒混合，得到GNPs-AgNPs结构来检测Cu2+，GNPs-AgNPs结构与Cu2+结合后形成类三明治结构，使得检测极其灵敏，样品用量少，检测限也比单一探针分子低，本技术方案将两种纳米材料有机的结合产生新的结构，为制备简单且环保的表面增强拉曼基底，以及通过双传感芯片来检测Cu2+提供了一种新的思路。
2、本发明采用比色和表面增强拉曼双传感模式对Cu2+进行检测，可以很直观的用肉眼观察其颜色从黄褐色转变为蓝色，即实现快速的比色定性分析，同时通过423nm对应的AgNPs峰、531nm对应的GNPs峰、730nm处的螯合分子峰实现精确的定性分析；同时通过拉曼光谱可以看到在1224cm-1和1429cm-1处出现新峰，与此同时，随着铜离子浓度的增加而增加，可定性检测铜离子。
3、通过比色表面增强拉曼双传感检测分析法，可实现对水体和土壤中铜离子含量的定性和半定量检测，铜离子的检测限为比色法0.032μM，表面增强拉曼法0.6pM。
附图说明
图1A是4-巯基吡啶修饰的金纳米颗粒分散液、图1B是4-巯基苯甲酸修饰的银纳米颗粒分散液、图1C是两者混合(4-巯基吡啶修饰的金纳米颗粒+4-巯基苯甲酸修饰的银纳米颗粒)、图1D是两者混合(4-巯基吡啶修饰的金纳米颗粒+4-巯基苯甲酸修饰的银纳米颗粒)后的加入铜离子的日光灯下颜色变化后的分散液。
图2是本发明实施例中的探针分子随着加入的铜离子浓度的增加而变化的紫外光谱图；
图3是本发明实施例中的探针分子随着加入的铜离子浓度的增加在日光灯下的颜色变化图；
图4是本发明实施例中增强不同浓度铜离子的SERS图谱，图中所示标记(1224cm-1和1429cm-1)为铜离子的图谱特征峰；
图5是铜离子的标准品浓度与特征峰强度(1224±2cm-1和1429±2cm-1)线性关系示意图。
图6是本发明实施例的检测方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
GNPs-AgNPs结构的制备
(1)制备金纳米颗粒
向三口烧瓶中加入100ml水和1ml 10％HAucl4加热至沸腾，然后加入1ml％柠檬酸钠，煮沸30min溶液变为酒红色后停止加热，冷却至室温，用0.45μM微孔滤膜过滤，以6000r离心10min三次，浓缩富集金纳米颗粒。
(2)制备4-巯基吡啶修饰的金纳米颗粒
取10ul 1mM的4-巯基吡啶乙醇溶液和1ml的金纳米颗粒溶液室温下孵育6h，5000r离心3min除去未结合的4-巯基吡啶。将离心后的沉淀用1ml超纯水分散。制得4-巯基吡啶修饰的金纳米棒分散液4℃保存。
(3)制备球形银纳米颗粒的制备
三口烧瓶中缓慢加入40ml的甘油和60ml的水加热至95℃，然后加入2ml 5％硝酸银，2min后快速加入4ml 5％的柠檬酸钠反应1h，冷却至室温，以9800r离心10min三次，浓缩富集银纳米球。
(4)制备4-巯基苯甲酸修饰的银纳米球
取10ul 5mM的4-巯基苯甲酸乙醇溶液和1ml的银纳米颗粒溶液室温下孵育4h，8000r离心3min除去未结合的4-巯基苯甲酸。将离心后的沉淀用1ml超纯水分散。制得4-巯基苯甲酸修饰的银纳米颗粒分散液，4oC保存。
(5)4-巯基吡啶修饰的金纳米颗粒和4-巯基苯甲酸修饰的银纳米颗粒的混合
取1ml的4-巯基苯甲酸修饰的银纳米颗粒加入到4-巯基吡啶修饰的金纳米颗粒溶液中室温下孵育4h，制得混合分散液。
实施例2
Cu2+对GNPs-AgNPs探针分子的络合试验
(1)Cu2+对GNPs-AgNPs探针分子的络合
向将实施案例1中加入一系列浓度铜离子使其组装成GNPs-Cu2+-AgNPs体系其组装前后的颜色变化如图1所示。
(2)铜离子的拉曼检测
本发明是采用紫外可见吸收光谱仪对加入不同浓度铜离子(0-100μM)后颜色变化进行测定的，图2是实施例1中的随着铜离子浓度的增加对GNPs-AgNPs探针分子的紫外响应光谱变化。图2显示了AgNPs和GNPs的紫外吸收峰分别出现在423nm和531nm处，并且随着铜离子浓度的增加，铜离子与探针分子通过螯合作用使纳米粒子聚集在730nm处出现新峰，图3记录了不同浓度铜离子(0-100μM)加入后在日光灯下的颜色变化图。结果显示比色法检测限为0.032μM，随着铜离子浓度的增加，溶液逐渐变为蓝色。由此可以通过肉眼观测很清晰的对铜离子含量进行测定。
(3)铜离子的拉曼检测
本实施例是采用便携式拉曼光谱仪进行拉曼信号的检测，激发波长为785nm，积分时间为10s，将10ul的Cu2+加入到GNPs-AgNPs混合体系中采用扣除背景、多点线性拟合校正基线采集SERS信号。采用1224±2cm-1和1429±2cm-1作为检测铜离子的特征峰。从图4可以看出随着铜离子的增加，拉曼位移在1224cm-1和1429cm-1处拉曼强度依次增加，选择以I1224和I1429对应峰强度与铜离子的浓度建立线性关系(图5)，检测限(DL)根据3倍测定空白标准偏差(δ)与线性曲线斜率(k)的比值计算得到，即DL＝3δ/k，可得到铜离子的检测限为0.6pM。根据铜离子的浓度与拉曼信号强度之间的线性关系可对铜离子的含量进行计算。
实施例3
实际水样和土壤样品检测
图6示意性地给出了本发明实施例的水样和土壤样品中铜离子的检测流程图，所述检测方法包括以下步骤：
(1)制备金纳米颗粒，步骤同实施例1；
(2)制备4-巯基吡啶修饰的金纳米颗粒，步骤同实施例1；
(3)制备银纳米颗粒，步骤同实施例1；
(4)制备4-巯基苯甲酸修饰的银纳米颗粒，步骤同实施例1；
(5)4-巯基吡啶修饰的金纳米颗粒和4-巯基苯甲酸修饰的银纳米颗粒混合，步骤同实施例1；
(6)4-巯基吡啶修饰的金纳米颗粒和4-巯基苯甲酸修饰的银纳米颗粒混合体系中加入待测试的含有Cu2+的溶液，步骤同实施例2；
(7)利用便携式拉曼光谱仪检测，从而对Cu2+进行定性和定量分析检测
本实施例中的各种水样包括自来水、矿泉水、河水、海水和土壤样品经过处理后分别加入三种不同浓度的标准铜离子(0μM、10μM、50μM)溶液，采用紫外吸收光谱仪和便携式拉曼光谱仪对其实际加标水样和土壤样品进行测定，通过与铜离子的标准曲线对照，从而实现水样和土壤样品中铜离子含量的检测，铜离子的常用分析检测方法是电感耦合等离子体发射光谱仪，待测样品同时采用电感耦合等离子体发射光谱仪进行分析检测，检测结果如表1所示。从表1可见，本发明的分析结果与电感耦合等离子体发射光谱仪的结果匹配度较好，表明本方法具有较好的检测准确度，有望作为一种快速检测方法用于环境中的铜离子快速分析检测。
表1
Figure BDA0002493890450000071
a ND：lower than LOD
b R：recovery of the method
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于铜离子的比色和表面增强拉曼双传感分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：制备4-巯基吡啶修饰的金纳米颗粒；
S2：制备4-巯基苯甲酸修饰的银纳米颗粒；
S3：将4-巯基苯甲酸修饰的银纳米颗粒与4-巯基吡啶修饰的金纳米颗粒混合并孵育，得到GNPs-AgNPs复合物；
S4：将待测试的溶液滴加在GNPs-AgNPs复合物的表面上，与标准颜色进行比色定性分析，之后采用紫外可见吸收光谱仪进行定性分析，同时采用拉曼光谱仪进行拉曼信号的检测，拉曼光谱仪的激发波长为785nm，以此获得样品的SERS图谱，通过图谱对照及信号强度换算，实现定性和定量检测。
2.根据权利要求1所述的一种用于铜离子的比色和表面增强拉曼双传感分析方法，其特征在于，步骤S1中4-巯基吡啶修饰的金纳米颗粒的制备过程为：
S1-1：将HAuCl4水溶液加热至沸腾，然后加入柠檬酸钠，煮沸溶液变为酒红色后停止加热，冷却至室温，过滤，离心，浓缩富集得到金纳米颗粒；
S1-2：将金纳米颗粒放入4-巯基吡啶乙醇溶液中，在室温下孵育，离心除去未与金纳米颗粒结合的4-巯基吡啶，将离心后的沉淀用水分散，得到4-巯基吡啶修饰的金纳米颗粒分散液。
3.根据权利要求2所述的一种用于铜离子的比色和表面增强拉曼双传感分析方法，其特征在于，步骤S1-1中HAuCl4的加入量为水加入量的0.1％wt，柠檬酸钠的加入量为水加入量的10％wt，过滤时采用0.45μm的微孔滤膜，离心时采用6000r/min的速度离心10min。
4.根据权利要求2所述的一种用于铜离子的比色和表面增强拉曼双传感分析方法，其特征在于，步骤S1-2中4-巯基吡啶乙醇溶液的浓度为1mmol/L，4-巯基吡啶乙醇溶液与金纳米颗粒的投加体积比例为1:100，孵育时间为6h，离心时采用5000r离心3min。
5.根据权利要求1所述的一种用于铜离子的比色和表面增强拉曼双传感分析方法，其特征在于，步骤S2中4-巯基苯甲酸修饰的银纳米颗粒的制备过程为：
S2-1：制备甘油和水的混合液，然后加入硝酸银，之后加入的柠檬酸钠进行反应，冷却至室温，离心，浓缩富集，得到银纳米颗粒；
S2-2：将4-巯基苯甲酸乙醇溶液和银纳米颗粒混合并在室温下孵育，离心3min除去未与银纳米颗粒结合的4-巯基苯甲酸，将离心后的沉淀用水分散，制得4-巯基苯甲酸修饰的银纳米颗粒分散液。
6.根据权利要求5所述的一种用于铜离子的比色和表面增强拉曼双传感分析方法，其特征在于，步骤S2-1中甘油与水的投加体积比为2:3，加入硝酸银前将甘油与水的混合液体加热至95℃，硝酸银的投加量与甘油投加量的质量比为5％wt，所述柠檬酸钠的投加量与甘油投加量的质量比为10％wt，离心转速为9800r/min。
7.根据权利要求5所述的一种用于铜离子的比色和表面增强拉曼双传感分析方法，其特征在于，步骤S2-2中4-巯基苯甲酸乙醇与银纳米颗粒的质量体积比为1:20～1:80。
8.根据权利要求1所述的一种用于铜离子的比色和表面增强拉曼双传感分析方法，其特征在于，步骤S3中4-巯基苯甲酸修饰的银纳米颗粒与4-巯基吡啶修饰的金纳米颗粒的质量比为1:1～1:10。
9.根据权利要求1所述的一种用于铜离子的比色和表面增强拉曼双传感分析方法，其特征在于，步骤S4中，通过紫外进行铜离子定性分析时，特征吸收峰包括423nm对应的AgNPs峰、531nm对应的GNPs峰、730nm处的螯合分子峰；
通过拉曼光谱仪进行铜离子定性分析时，采用1224±2cm-1和1429±2cm-1作为检测铜离子的特征峰；
通过拉曼光谱仪进行铜离子定量分析时，采用I1224和I1429对应峰强度与铜离子的浓度之间的线性关系来计算铜离子的实际浓度。
10.一种铜离子检测试剂，其特征在于，包括GNPs-AgNPs复合物，所述GNPs-AgNPs复合物由4-巯基苯甲酸修饰的银纳米颗粒与4-巯基吡啶修饰的金纳米颗粒混合并孵育获得。
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