一种利用单一指示剂区分多种金属离子的方法
【专利摘要】本发明公开了一种利用单一指示剂区分多种金属离子的方法，包括以下步骤：(1)将金属离子指示剂和表面活性剂混合，或金属离子指示剂和NaOH水溶液混合，得到单一指示剂；(2)将单一指示剂与不同的金属离子水溶液分别进行混合，采集混合前后的图像，并提取混合前后图像的颜色变化数据；(3)将待检测的金属离子水溶液与单一指示剂混合，采集待检测的金属离子水溶液与单一指示剂混合前后的图像的颜色变化，并与步骤(2)的颜色变化数据进行比对，得到待检测的金属离子水溶液中的金属离子种类。本发明提供的利用单一指示剂区分多种金属离子的方法，能够快速检测水溶液中的多种金属离子。
【专利说明】
一种利用单一指示剂区分多种金属离子的方法
技术领域
[0001] 本发明涉及金属离子检测技术领域，具体涉及一种利用单一指示剂区分多种金属 离子的方法。
【背景技术】
[0002] 多通道传感器可精确区分多种复杂元素，如重金属、抗生素、氨基酸和蛋白质等。 因此，近几年研究机构和企事业单位努力构建不同类型的传感器，用于实现有毒物质(如重 金属和农药）、食料或食品添加剂(如瘦肉精和抗生素）、疾病诱发物质（如非正常蛋白）、有 毒气体(如甲醛和雾霾中的有毒元素)等的区分检测。
[0003] 通常情况下，构建多通道传感器的三种常用方法如下：
[0004] 1)基于一系列的比色和荧光指示剂与分析物质进行交叉反应，构建传感阵列；
[0005] 2)将热电材料集成于智能芯片上，实现多种物质的区分检测；
[0006] 3)合成具有荧光、磷光、光散射与吸收等特性的生物分子或纳米粒子，用于区分检 测同类物质中的不同种物质。
[0007] 以上三种常用方法极大地促进了多通道传感器的设计与发展，但是也同时存在一 些不利因素，如，往往需要复杂的合成与制造过程，需借助昂贵的仪器与相关处理技术等， 这些不利因素将限制其广泛应用。因此，有必要进一步构建更加简单的多通道传感器，实现 广大群众日常区分检测有毒物质(如重金属离子)的需要。
[0008] 指示剂和传感通道的选择是构建多通道传感器必须解决的两大核心问题，大多数 多通道传感器改性方面的研究都是围绕着这二点进行的。例如，合成、掺杂、搭载、修饰等是 为了优选出灵敏靶向某类分析物的指示剂。然而，这些方法涉及到的实验步骤通常比较复 杂，操作比较繁琐，对于非专业人士很难实现，广泛应用性受到了限制。
【发明内容】
[0009] 本发明提供了一种利用单一指示剂区分多种金属离子的方法，能够快速检测水溶 液中的多种金属离子。
[0010] -种利用单一指示剂区分多种金属离子的方法，包括以下步骤：
[0011] (1)将金属离子指示剂和表面活性剂混合，或金属离子指示剂和NaOH水溶液混合， 得到单一指示剂；
[0012] 所述金属离子指示剂为硫氰酸盐、高锰酸盐、钼酸铵、氨水、过氧化氢、邻二氮菲、 双硫腙、三氯氰胺、偶氮胂中的至少一种；
[0013] 表面活性剂为硬脂酸、十二烷基苯磺酸钠、季铵化物、卵磷脂、氨基酸型、甜菜碱 型、脂肪酸甘油酯、司班、吐温、洁尔灭中的至少一种；
[0014] (2)将单一指示剂与不同的金属离子水溶液分别进行混合，采集混合前后的图像， 并提取混合前后图像的颜色变化数据；
[0015] (3)将待检测的金属离子水溶液与单一指示剂混合，采集待检测的金属离子水溶 液与单一指示剂混合前后的图像的颜色变化，并与步骤(2)的颜色变化数据进行比对，得到 待检测的金属离子水溶液中的金属离子种类。
[0016]在进行指示剂选择时，直接利用市售的分析试剂进行多通道传感器的构造，使商 业化的指示剂的实用性产生质的飞跃。激发、吸收、散射、比色等是特异选择性检测区分某 类分析物，如蛋白、重金属离子、农药残留、室内有毒气体等的常用传感通道，在这些传感通 道中，比色法由于具有方便、直观的优点，而受到广泛关注。因此，在优选响应通道时，本发 明通过拍照或扫描的方法，采集分析物质对检测试剂的颜色响应照片，使用Chem Eye软件 提取红(R)、绿(G)、蓝(B)颜色响应信号，构造三通道可视化阵列传感器，实现了实际样品中 某类物质的定性和定量区分检测。
[0017]本发明中，将金属离子指示剂和NaOH水溶液混合、或者将金属离子指示剂与表面 活性剂混合后，得到单一指示剂，利用此单一指示剂即可检测区分多种金属离子。所述的单 一指示剂即为三通道传感器，传感通道为红、绿、蓝色响应信号。本发明提供的单一指示剂 具有构造简单、易于推广使用等优点。
[0018] 步骤(2)中单一指示剂与不同种类不同浓度的金属离子水溶液相混合，以便考察 同一浓度不同金属离子对单一指示剂的不同响应，以及同一种类不同浓度金属离子对单一 指示剂的不同响应。
[0019] 采集单一指示剂与金属离子水溶液混合前后图像时，采用数码相机或者扫描仪。
[0020] 作为优选，金属离子包括:Fe(III)、Mo(VI)、Cu(II)、Co(II)、Cr( III)、Cr(VI)、Fe (II)、Pb(II)、Zn(II)、Hg(II)、Cd(II)、Mn(II)、Ag(I)、Cd(II)、Mn(II)、Ni(II)、Th(IV)、Zr (IV)和U(IV)。
[0021] 作为优选，步骤(2)提取颜色变化数据时，首先对单一指示剂与金属离子水溶液混 合前后的图像进行剪切，得到有效图像，然后分别提取有效图像RGB三个通道的颜色变化。
[0022] 作为优选，将步骤(2)得到的颜色变化数据导入多变量统计软件或层序聚类分析 软件中，建立数据库，将待检测金属离子水溶液与单一指示剂混合前后的图像的颜色变化 与数据库中的数据做比对，得到检测结果。
[0023] 作为优选，金属离子指示剂和表面活性剂混合，得到单一指示剂。
[0024]作为优选，金属离子指示剂为双硫腙，表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵；
[0025]金属离子指示剂为偶氮胂，表面活性剂为洁尔灭；
[0026]金属离子指示剂为三氯氰胺，表面活性剂为吐温；
[0027]金属离子指示剂为邻二氮菲，表面活性剂为司班85;
[0028] 金属离子指示剂为过氧化氢，表面活性剂为脂肪酸甘油酯；
[0029] 金属离子指示剂为氨水，表面活性剂为甜菜碱型表面活性剂；
[0030] 金属离子指示剂为钼酸铵，表面活性剂为氨基酸型表面活性剂；
[0031]金属离子指示剂为高锰酸盐，表面活性剂为卵磷脂类表面活性剂；
[0032] 金属离子指示剂为硫氰酸盐，表面活性剂为硬脂酸类表面活性剂；
[0033] 金属离子指示剂为双硫腙，表面活性剂为十二烷基苯磺酸钠。
[0034]本发明具有以下优点：
[0035] (1)基于单一指示剂构建的可视化阵列传感器，成本低廉、便于携带，有利于推广 使用，有望实现区分检测多种同类物质，如食品添加剂、抗生素、氨基酸和蛋白质等。
[0036] (2)指示剂来源于商业化分析试剂，不涉及复杂的合成，有利于广大人民群众日常 使用。
[0037] (3)此构建的传感器，实现了实际样品中金属离子的区分检测，适用于快速判定环 境水源的安全性。
【附图说明】
[0038] 图1为本发明构建的基于单一指示剂的多通道传感器及其区分检测不同分析物的 示意图；
[0039]图2a为实施例1中单一指示剂的图像；
[0040]图2b为实施例1中单一指示剂与金属离子水溶液混合后的图像；
[0041 ] 图2c为图2a和图2b的色差图；
[0042]图3为实施例1构建的三通道传感器，区分检测金属离子后，相应的色差（ARGB)响 应信号的统计分析数据；
[0043]图4为实施例1中采集的色差（ARGB)响应信号数据导入多变量统计软件(MVSP)， 实现6种金属离子的区分检测；
[0044] 图5为实施例1中采集的色差(ARGB)响应信号数据导入层序聚类分析(HCA)软件， 实现6种金属离子的区分检测；
[0045] 图6为实施例2中考察表面活性剂对金属离子指示剂区分检测金属离子的灵敏性 方面的研究。传感器对重金属离子的响应信号随表面活性剂CTAB和金属离子指示剂 Dithizone摩尔比的变化趋势；
[0046] 图7a为实施例2中单一指示剂的图像；
[0047] 图7b为实施例2中单一指示剂与金属离子水溶液混合后的图像；
[0048] 图7c为图7a和图7b的色差图；
[0049] 图8为实施例2中构建的三通道可视化阵列传感器，区分检测金属离子后，相应的 色差(ARGB)响应信号的统计分析数据；
[0050] 图9为实施例2中采集的色差（ARGB)响应信号数据导入多变量统计软件(MVSP)， 实现10种金属离子的区分检测；
[0051] 图10为实施例2中采集的色差（ARGB)响应信号数据导入层序聚类分析(HCA)软 件，实现10种金属离子的区分检测；
[0052]图11中，a为实施例2中单一指示剂与不同种类的不同浓度的金属离子水溶液混合 前后的图像以及混合前后图像的色差图；b为实施例2中相应响应信号值ARGB的方均根 值一欧氏距离，随Hg2+浓度的变化图；c为实施例2中相应响应信号值ARGB的方均根值一欧 氏距离，随Cd 2+浓度的变化图;d为层序聚类软件的分析图；
[0053]图12a、图12b为实施例2中使用紫外可见分光光度计，测试单一指示剂(摩尔比为 3:1的CTAB和Dithizone混合物）以及单一指示剂与金属离子混合后的紫外可见吸收光谱； [0054]图13为实施例2中使用密度泛函理论，模拟计算络合物的分子构型，以及其电子云 分布图；
[0055]图14为实施例2中使用密度泛函理论，模拟计算得到的分子轨道LUMO、HOMO能级和 HOMO-LUMO能级差；
[0056] 图15a为实施例3中单一指示剂的图像；
[0057] 图15b为实施例3中单一指示剂与金属离子水溶液混合后的图像；
[0058] 图15c为图15a和图15b的色差图；
[0059]图16为实施例3中使用实施例2构建的三通道传感器区分检测实际环境水样(宁波 甬江水），此传感器可实现 10 种金属离子(Ni2+、Cd2+、Zn2+、Hg2+、Cu 2+、Pb2+、Ag+、Mn2+、Co2lPCr (VI))的可视化区分检测。
[0060]图17为实施例3中多次检测实际环境水样的采集数据导入层序聚类分析(HCA)软 件中，实现实际水样中 10种金属离子(Ni2+、Cd2+、Zn2+、Hg2+、Cu 2+、Pb2+、Ag+、Mn2+、Co2、Cr (VI))的区分检测。
【具体实施方式】 [0061 ] 实施例1
[0062]本实施例中，多种金属离子检测的步骤如下：
[0063] a、单一指示剂的筛选
[0064]室温下，取不同质量（质量分别为Img、2mg、4mg、6mg、8mg、IOmg)的双硫腙，将每个 质量的双硫腙分别溶于ImL不同摩尔浓度(0.11、0.51、11、21〇的他0!1水溶液中，作为指示 剂，考察所有指示剂与金属离子水溶液混合后的颜色变化，挑选出反应快速、检测灵敏的指 示剂配方。
[0065]本实施例中优选结果为:将6mg的双硫腙溶于ImL摩尔浓度为2M的NaOH水溶液中， 得到单一指示剂。
[0066] b、金属离子检测方法
[0067] 取200yL单一指示剂分别和600yL不同种的金属离子水溶液混合（即针对每种金属 离子水溶液取600yL，与200yL单一指示剂混合），观察颜色变化。
[0068] 金属离子水溶液为10种，10种金属离子水溶液的浓度如表1所示，表1中各金属离 子水溶液的浓度为废水排放浓度的上限。
[0069] 表1
[0071] c、传感通道的选取
[0072] (1)信号采集:使用数码相机采集单一指示剂和金属离子水溶液混合前后的样品 图像，如图2a、图2b所示，图2a为单一指示剂的图像，图2b为金属离子水溶液与单一指示剂 混合后的图像，图2c为图2a和图2c做颜色差值之后的图像。
[0073] (2)信号处理:使用Photoshop软件剪切有效图片，然后提取单一指示剂和10种金 属离子水溶液混合前后的样品图像的颜色变化数据，即红色（A R)、绿色（Δ G)、蓝色（Δ B) 的变化数据，如图3所示，以此构建三通道（Δ RGB)传感器。
[0074] d、三通道传感器区分检测多种金属离子
[0075]将步骤c采集的三通道（Δ RGB)数据导入多变量统计软件(MVSP)、或层序聚类分析 (HCA)软件中，实现不同浓度的10种金属离子的区分检测，多变量统计软件的区分结果如图 4所示，层序聚类分析(HCA)软件的区分结果如图5所示。
[0076] 实施例2
[0077] 本实施例中，多种金属离子检测的步骤如下：
[0078] a、单一指示剂的筛选
[0079] 室温下，取200yL不同浓度（0.51^、1111]\1、1.51111、31111、4.5111]\1、6111]\1和9111]\〇的十六烷基 三甲基溴化铵水溶液(CTAB)分别与200yLlmM的双硫腙(0.2M的NaOH水溶液为溶剂)混合于 4.6mL去离子水中，得到不同配方的指示剂。
[0080] 取750yL上述指示剂和250yL浓度为20μΜ的含Cd2+水溶液混合，考察上述指示剂与 含Cd 2+水溶液混合后的颜色变化，挑选出反应快速、颜色变化明显的指示剂配方。
[0081] 本实施例优选结果为:CTAB和双硫腙(Dithizone)摩尔比以3:1混合时，所得的指 示剂检测Cd 2+的效果最好，如图6所示，图6中的纵坐标为欧氏距离(ED)，横坐标为CTAB和 Dithizone的摩尔比。该比例下所得到的指示剂作为单一指示剂进行后续步骤。
[0082] b、金属离子检测方法
[0083] 取750yL单一指示剂和250yL 10种金属离子水溶液（10种金属离子水溶液的浓度 如表1所示)混合，观察颜色变化。
[0084] c、传感通道的选取
[0085] (1)信号采集:使用数码相机采集单一指示剂和金属离子水溶液混合前后的样品 图像，如图7a、图7b所示，图7a为单一指示剂的图像，图7b为金属离子水溶液与单一指示剂 混合后的图像，图7c为图7a和图7c做颜色差值之后的图像。
[0086] (2)信号处理:使用Photoshop软件剪切有效图片，然后提取单一指示剂和10种金 属离子水溶液混合前后的样品图像的颜色变化数据，即红色（A R)、绿色（Δ G)、蓝色（Δ B) 的变化数据，如图8所示，以此构建三通道（Δ RGB)传感器。
[0087] d、三通道传感器区分检测多种金属离子
[0088]将步骤c采集的三通道（Δ RGB)数据导入多变量统计软件(MVSP)、或层序聚类分析 (HCA)软件中，实现不同浓度的10种金属离子的区分检测，多变量统计软件的区分结果如图 9所示，层序聚类分析(HCA)软件的区分结果如图10所示。
[0089] e、传感器半定量和定量检测重金属离子
[0090] 取1.5mL步骤a得到的单一指示剂，和0.5mL不同浓度的重金属离子水溶液（如含 Cd2+的水溶液和含Hg2+的水溶液)混合，然后使用数码相机采集样品混合前后的图像，如图 11中图a所示。
[0091]随着被检测金属离子浓度的增加，指示剂颜色变化越来越明显。依据颜色变化，可 实现半定量检测某种重金属离子。
[0092 ]使用Pho to shop软件剪切有效图片，然后提取指示剂和10种重金属离子水溶液混 合前后的样品图像的颜色变化数据，即A RGB值，该相应响应信号值ARGB的方均根值一欧 氏距离(ED)，随被检测金属离子(如Cd2+和Hg 2+)浓度在0-10μΜ范围内增加，呈现线性递增趋 势，分别如图11中图b和图11中图c所示，依据该线性关系可实现金属离子的定量检测。 [0093]另外，依据ARGB响应信号，构建的三通道传感器，可实现不同浓度金属离子的区 分检测，如图11中图d所示。
[0094] f、传感器检测金属离子的机理研究
[0095] 使用紫外可见分光光度计，测试单一指示剂(摩尔比为3:1的CTAB和Dithizone混 合物)与金属离子水溶液混合前后的紫外可见吸收光谱，如图12a和图12b所示。依据最大吸 收波长计算出络合产物的HOMO-LUMO能级差，如表2所示。
[0096]表 2
[0098]同时，使用密度泛函理论，模拟计算络合物的分子构型，以及电子云分布，如图13 所示。模拟计算得到的分子轨道LUM0、H0M0能级和Η0Μ0-LUMO能级差，如图14所示，该理论 计算和实验测试值非常吻合，如表2所示。
[0099]理论计算数据和实验数据的很好吻合，充分说明了基于单一指示剂构建的三通道 传感器区分检测金属离子的机理为:单一指示剂与金属离子络合产物的电子云分布、分子 轨道能级、以及分子轨道间能级跃迀的不同，导致络合产物溶液颜色的多样性。
[0100] 实施例3
[0101] 本实施例中，多种金属离子检测的步骤如下：
[0102] a、单一指示剂的筛选
[0103] 室温下，取600yL不同浓度（ImM、2mM、3mM、6mM、9mM、12mM和18mM)的十六烷基三甲 基溴化铵水溶液(CTAB)和600yL 2mM的双硫腙(0.2M的NaOH水溶液为溶剂)混合于13.8mL去 离子水中，得到不同配方的指示剂。取上述指示剂1.5mL和0.5mL浓度为20μΜ的含Cd 2+水溶液 混合，考察上述指示剂与含Cd2+水溶液混合后的颜色变化，挑选出反应快速、颜色变化明显 的指示剂配方。
[0104] 本实施例中优选结果为:CTAB和双硫腙(Dithizone)摩尔比以3:1混合时，所得到 指示剂检测Cd2+的效果最好。
[0105] b、金属离子检测方法
[0106] 取1.5mL上述优选的单一指示剂和0.5mL甬江水中含有的10种金属离子水溶液（10 种金属离子水溶液的浓度如表1所示)混合，观察颜色变化。
[0107] c、传感通道的选取
[0108] (1)信号采集:使用数码相机采集单一指示剂和金属离子水溶液混合前后的样品 图像，如图15a、图15b所示，图15c为图15a和图15b的色差图。
[0109] (2)信号处理:使用Photoshop软件剪切有效图片，然后提取指示剂和10种重金属 离子水溶液混合前后的样品图像的颜色变化数据，即A RGB的变化数据，以此构建三通道 (ARGB)传感器。
[0110] d、三通道传感器区分检测多种金属离子 将步骤c采集的三通道（ARGB)数据导入多变量统计软件(MVSP)、或层序聚类分析 (HCA)软件中，实现甬江水中不同浓度10种金属离子的区分检测，如图16、图17所示。
[0112] 实施例4
[0113] 本实施例中，多种金属离子检测的步骤如下：
[0114] a、单一指示剂的筛选
[0115] 室温下，取800yL不同浓度（ImM、2mM、3mM、5mM、9mM、12mM和18mM)的洁尔灭水溶液 和SOOyL 5mM的偶氮胂1(溶剂去离子水)混合于15mL去离子水中，得到不同配方的指示剂。 取上述指示剂3mL和ImL浓度为ΙΟμΜ的含Hg 2+水溶液混合，考察上述指示剂与含Hg2+水溶液 混合后的颜色变化，挑选出反应快速、颜色变化明显的指示剂配方。
[0116] 本实施例优选结果为:洁尔灭和偶氮胂I摩尔比以1:1混合时，所得到指示剂检测 Hg2+的效果最好。
[0117] b、金属离子检测方法
[0118] ImL金属离子水溶液与3mL上述优选的指示剂混合，观察颜色变化，金属离子水溶 液中分别含有(Fe(III)、Mo(VI)、Cu(II)、Co(II)、Cr(III)、Cr(VI)、Fe(II)、Pb(II)、Zn (II)、Hg(II))，每个金属离子水溶液中仅含有一种金属离子，各金属离子水溶液中对应金 属离子的浓度为30μΜ。
[0119] c、传感通道的选取
[0120] (1)信号采集:使用数码相机采集上述指示剂和金属离子水溶液混合前后的样品 图像。
[0121] (2)信号处理:使用Photoshop软件剪切有效图片，然后提取指示剂和10种金属离 子水溶液混合前后的样品图像的颜色变化数据，即A RGB的变化数据，以此构建三通道（Δ RGB)传感器。
[0122] d、三通道传感器区分检测多种金属离子
[0123] 将步骤c采集的三通道（ARGB)数据导入多变量统计软件(MVSP)、或层序聚类分析 (HCA)软件中，实现浓度为30μΜ的上述10种金属离子的区分检测，区分结果类似图16和图 17。
[0124] 实施例5
[0125] 本实施例中，多种金属离子检测的步骤如下：
[0126] a、单一指示剂的筛选
[0127] 室温下，取 ImL 不同浓度（21^、31111、51111、71111、1〇111]\1、121111和15111]\〇的吐温60水溶液和 ImL 5mM的三氯氰胺(溶剂为0.1 M的乙酸溶液)混合于20mL去离子水中，得到不同配方的指 示剂。取上述指示剂2mL和0.2mL浓度为30μΜ的含Cu(II)水溶液混合，考察上述指示剂与含 Cu(II)水溶液混合后的颜色变化，挑选出反应快速、颜色变化明显的指示剂配方。
[0128] 本实施例优选结果为:吐温60和三氯氰胺摩尔比以2:1混合时，所得到的指示剂检 测Cu(II)的效果最好。
[0129] b、金属离子检测方法
[0130] 取4mL上述优选的指示剂和2mL10种金属离子(Cr(VI)、Cd(II)、Mn(II)、Ag(I)、Cd (11)111(11)、附（11)、111(1￥)、241￥)和1](1￥))溶液(其浓度为2(^1〇混合，观察颜色变化。 [0131] c、传感通道的选取
[0132] (1)信号采集:使用数码相机采集上述指示剂和金属离子水溶液混合前后的样品 图像，类似图7。
[0133] (2)信号处理:使用Photoshop软件剪切有效图片，然后提取指示剂和10种金属离 子水溶液混合前后的样品图像的颜色变化数据，即A RGB的变化数据，以此构建三通道（Δ RGB)传感器。
[0134] d、三通道传感器区分检测多种金属离子
[0135] 将步骤c采集的三通道（ARGB)数据导入多变量统计软件(MVSP)、或层序聚类分析 (HCA)软件中，实现浓度为20μΜ的上述10种金属离子的区分检测，类似图9和图10。
[0136] 实施例6
[0137] 本实施例中，多种金属离子检测的步骤如下：
[0138] a、单一指示剂的筛选
[0139] 室温下，取2mL不同浓度（11^、31111、5111]\1、7111]\1、9111]\1、15111]\1和2〇111]\〇的司班85水溶液和 ImL 5mM的邻二氮菲(溶剂为去离子水)混合于20mL去离子水中，得到不同配方的指示剂。取 上述指示剂ImL和0.5mL浓度为30μΜ的含Zn (I I)水溶液混合，考察上述指示剂与含Zn (I I)水 溶液混合后的颜色变化，挑选出反应快速、颜色变化明显的指示剂配方。
[0140] 本实施例优选结果为：司班85和邻二氮菲摩尔比以2:1混合时，所得到指示剂检测 Zn(II)的效果最好。
[0141] b、金属离子检测方法
[0142] 取6mL上述优选的指示剂和2mL 10种金属离子(Cr(III)、Cr(VI)、Fe(II)、Pb(II)、 211(11)、取(11)、0(1(11)、111(11)^8(1)和0(1(11))溶液(各金属离子浓度为3(^1〇混合，观察 颜色变化。
[0143] c、传感通道的选取
[0144] (1)信号采集:使用数码相机采集上述指示剂和金属离子水溶液混合前后的样品 图像，类似图7。
[0145] (2)信号处理:使用Photoshop软件剪切有效图片，然后提取指示剂和10种金属离 子水溶液混合前后的样品图像的颜色变化数据，即A RGB的变化数据，以此构建三通道（Δ RGB)传感器。
[0146] d、三通道传感器区分检测多种金属离子
[0147] 将步骤c采集的三通道（ARGB)数据导入多变量统计软件(MVSP)、或层序聚类分析 (HCA)软件中，实现浓度为30μΜ的上述10种金属离子的区分检测，类似图9和图10。
[0148] 实施例7
[0149] 本实施例中，多种金属离子检测的步骤如下：
[0150] a、单一指示剂的筛选
[0151] 室温下，取2mL不同浓度（1〇1^、3〇111]\1、5〇111]\1、8〇1111、10〇111]\1、15〇1111和20〇111]\〇的单脂肪 酸甘油酯(溶剂为乙醇)和ImL 20mM的过氧化氢水溶液混合于20mL去离子水中，得到不同配 方的指示剂。取上述指示剂3mL和ImL浓度为50μΜ的含Mn(II)水溶液混合，考察上述指示剂 与含Mn(II)水溶液混合后的颜色变化，挑选出反应快速、颜色变化明显的指示剂配方。
[0152] 本实施例优选结果为：单脂肪酸甘油酯(溶剂为乙醇)和过氧化氢摩尔比以8:1混 合时，所得到指示剂检测Mn (I I)的效果最好。
[0153] b、金属离子检测方法
[0154] 取3mL上述优选的指示剂和ImLlO种金属离子(Cu(II)、Co(II)、Cr(III)、Cr(VI)、 ?〇(11)、？&(11)、211(11)、取（11)工(1(11)和此（11))溶液(其浓度为1(^1〇混合，观察颜色变 化。
[0155] c、传感通道的选取
[0156] (1)信号采集:使用数码相机采集上述指示剂和金属离子水溶液混合前后的样品 图像，类似图7。
[0157] (2)信号处理:使用Photoshop软件剪切有效图片，然后提取指示剂和10种金属离 子水溶液混合前后的样品图像的颜色变化数据，即A RGB的变化数据，以此构建三通道（Δ RGB)传感器。
[0158] d、三通道传感器区分检测多种金属离子
[0159]将步骤c采集的三通道（ARGB)数据导入多变量统计软件(MVSP)、或层序聚类分析 (HCA)软件中，实现浓度为10μΜ的上述10种金属离子的区分检测，类似图9和图10。
[0160] 实施例8
[0161 ]本实施例中，多种金属离子检测的步骤如下：
[0162] a、单一指示剂的筛选
[0163] 室温下，取2mL不同浓度（5mM、IOmM、20mM、40mM、80mM、120mM和160mM)的十二烷基 甜菜碱水溶液和ImL 20mM的氨水混合于30mL去离子水中，得到不同配方的指示剂。取上述 指示剂4mL和2mL浓度为5μΜ的含Co (I I)水溶液混合，考察上述指示剂与含Co (I I)水溶液混 合后的颜色变化，挑选出反应快速、颜色变化明显的指示剂配方。
[0164] 本实施例优选结果为:十二烷基甜菜碱和氨水摩尔比以4:1混合时，所得到指示剂 检测Co (II)的效果最好。
[0165] b、金属离子检测方法
[0166] 取3mL上述优选的指示剂和ImLlO种金属离子(Pb(II)、Mo(VI)、Cu(II)、Co(II)、Cr (111)、〇(￥1)、附（11)、111(1￥)、241￥)和1](1￥))溶液(各金属离子浓度为5以10混合，观察颜 色变化。
[0167] c、传感通道的选取
[0168] (1)信号采集:使用数码相机采集上述指示剂和金属离子水溶液混合前后的样品 图像，类似图7。
[0169] (2)信号处理:使用Photoshop软件剪切有效图片，然后提取指示剂和10种金属离 子水溶液混合前后的样品图像的颜色变化数据，即A RGB的变化数据(类似图8)，以此构建 三通道（ARGB)传感器。
[0170] d、三通道传感器区分检测多种金属离子
[0171]将步骤c采集的三通道（ARGB)数据导入多变量统计软件(MVSP)、或层序聚类分析 (HCA)软件中，实现浓度为5μΜ的上述10种金属离子的区分检测，类似图9和图10。
[0172] 实施例9
[0173] 本实施例中，多种金属离子检测的步骤如下：
[0174] a、单一指示剂的筛选
[0175] 室温下，取5mL不同浓度（31^、61111、9111]\1、121111、161111、18111]\1和2〇111]\〇的十二烷基氨基 丙酸钠水溶液和5mL 6mM的钼酸铵(溶剂为去离子水)混合于IOmL去离子水中，得到不同配 方的指示剂。取上述指示剂6mL和3mL浓度为6μΜ的含Mn(II)水溶液混合，考察上述指示剂与 含Mn(II)水溶液混合后的颜色变化，挑选出反应快速、颜色变化明显的指示剂配方。
[0176] 本实施例优选结果为:十二烷基氨基丙酸钠和钼酸铵摩尔比以2:1混合时，所得到 指示剂检测Mn(I I)的效果最好。
[0177] b、金属离子检测方法
[0178] 取4mL上述优选的指示剂和2mL10种金属离子(Cu(II)、Co(II)、Cr(III)、Cr(VI)、 ?以11)、？&(11)、211(11)、取(11)、0(1(11)和此(11))水溶液(各金属离子浓度为3以1〇混合，观 察颜色变化。
[0179] c、传感通道的选取
[0180] (1)信号采集:使用数码相机采集上述指示剂和金属离子水溶液混合前后的样品 图像，类似图7。
[0181] (2)信号处理:使用Photoshop软件剪切有效图片，然后提取指示剂和10种金属离 子水溶液混合前后的样品图像的颜色变化数据，即A RGB的变化数据(类似图8)，以此构建 三通道（ARGB)传感器。
[0182] d、三通道传感器区分检测多种金属离子
[0183]将步骤c采集的三通道（ARGB)数据导入多变量统计软件(MVSP)、或层序聚类分析 (HCA)软件中，实现浓度为3μΜ的上述10种金属离子的区分检测，类似图9和图10。
[0184] 实施例10
[0185] 本实施例中，多种金属离子检测的步骤如下：
[0186] a、单一指示剂的筛选
[0187] 室温下，取8mL不同浓度（0.2mM、0.4mM、0.6mM、0.8mM、ImM、3mM和6mM)的大豆卵磷 脂溶液(溶剂为乙醇）和8mL ImM的高锰酸钾水溶液合于IOmL去离子水中，得到不同配方的 指示剂。取上述指示剂3mL和0.5mL浓度为ΙμΜ的含Pb(II)水溶液混合，考察上述指示剂与含 Pb (I I)水溶液混合后的颜色变化，挑选出反应快速、颜色变化明显的指示剂配方。
[0188] 本实施例优选结果为:大豆卵磷脂和高锰酸钾摩尔比以1:1混合时，所得到指示剂 检测Pb (II)的效果最好。
[0189] b、金属离子检测方法
[0190] 取0.6mL上述优选的指示剂和0.2mL10种金属离子(Hg(II)、Cd(II)、Mn(II)、Ag (I) 、附（11)、111(1￥)、？6(111)、1〇(￥1)、(：11(11)和〇)(11))溶液(各金属离子的浓度为以10混 合，观察颜色变化。
[0191] c、传感通道的选取
[0192] (1)信号采集:使用数码相机采集上述指示剂和金属离子水溶液混合前后的样品 图像，类似图2。
[0193] (2)信号处理:使用Photoshop软件剪切有效图片，然后提取指示剂和10种金属离 子水溶液混合前后的样品图像的颜色变化数据，即A RGB的变化数据(类似图3)，以此构建 三通道（ARGB)传感器。
[0194] d、三通道传感器区分检测多种金属离子
[0195] 将步骤c采集的三通道（ARGB)数据导入多变量统计软件(MVSP)、或层序聚类分析 (HCA)软件中，实现浓度为ΙμΜ的上述5种金属离子(Hg(II)、Cd( II)、Mn( II)、Ag( I)和Ni (II) )的区分检测，类似图4和图5。
[0196] 实施例11
[0197] 本实施例中，多种金属离子检测的步骤如下：
[0198] a、单一指示剂的筛选
[0199] 室温下，取4mL不同浓度（0.1mM、0.3mM、0.6mM、0.9mM、1.2mM、1.8m]\^P2.4mMW^! 脂酸(丙酮为溶剂)和8mL 0.3mM的硫氰酸钠(溶剂为去离子水)混合于30mL去离子水中，得 到不同配方的指示剂。取上述指示剂3mL和ImL浓度为0.5μΜ的含Cr(VI)水溶液混合，考察上 述指示剂与含Cr(VI)水溶液混合后的颜色变化，挑选出反应快速、颜色变化明显的指示剂 配方。
[0200] 本实施例优选结果为:硬脂酸和硫氰酸钠摩尔比以6:1混合时，所得到指示剂检测 Cr(VI)的效果最好。
[0201] b、金属离子检测方法
[0202] 取2mL上述优选的指示剂和0.5mL 10种金属离子（Hg(II)、Cd(II)、Mn(II)、Pb (II)、Ni(II)、Th(IV)、Zr(IV)、Mo(VI)、Cu(II)和Co(II))水溶液(各金属离子浓度为0·5μΜ) 混合，观察颜色变化。
[0203] c、传感通道的选取
[0204] (1)信号采集:使用数码相机采集上述指示剂和金属离子水溶液混合前后的样品 图像，类似图7。
[0205] (2)信号处理:使用Photoshop软件剪切有效图片，然后提取指示剂和10种金属离 子水溶液混合前后的样品图像的颜色变化数据，即A RGB的变化数据(类似图8)，以此构建 三通道（ARGB)传感器。
[0206] d、三通道传感器区分检测多种金属离子
[0207]将步骤c采集的三通道（Δ RGB)数据导入多变量统计软件(MVSP)、或层序聚类分析 (HCA)软件中，实现浓度为0.5μΜ的上述10种金属离子的区分检测，类似图9和图10。
[0208] 实施例12
[0209] 本实施例中，多种金属离子检测的步骤如下：
[0210] a、单一指示剂的筛选
[0211] 室温下，取0 · 5mL不同浓度（0 · lmM、0 · 3mM、0 · 6mM、0 · 9mM、1 · 2mM、1 · 8mM和2 · 4mM)的 十二烷基苯磺酸钠水溶液和0.5mL 0.3mM的双硫腙(溶剂为0.5M NaOH水溶液)混合于30mL 去离子水中，得到不同配方的指示剂。取上述指示剂〇.3mL和0.1 mL浓度为0.5μΜ的含Cd2VK 溶液混合，考察上述指示剂与含Cd2+水溶液混合后的颜色变化，挑选出反应快速、颜色变化 明显的指示剂配方。
[0212] 本实施例优选结果为:十二烷基苯磺酸钠和双硫腙摩尔比以3:1混合时，所得到指 示剂检测Cd2+的效果最好，类似图6。
[0213] b、金属离子检测方法
[0214] 取3mL上述优选的指示剂和ImLlO种金属离子水溶液（其浓度为废水排放浓度上 限，见表1)混合，观察颜色变化。
[0215] c、传感通道的选取
[0216] (1)信号采集:使用数码相机采集上述指示剂和金属离子水溶液混合前后的样品 图像，类似图7。
[0217] (2)信号处理:使用Photoshop软件剪切有效图片，然后提取指示剂和10种金属离 子水溶液混合前后的样品图像的颜色变化数据，即A RGB的变化数据(类似图8)，以此构建 三通道（ARGB)传感器。
[0218] d传感器区分检测多种金属离子
[0219]将上述采集的三通道（ARGB)数据导入多变量统计软件(MVSP)、或层序聚类分析 (HCA)软件中，实现上述10种金属离子的区分检测，类似图9和图10。
【主权项】
1. 一种利用单一指示剂区分多种金属离子的方法，其特征在于，包括以下步骤： (1) 将金属离子指示剂和表面活性剂混合，或金属离子指示剂和NaOH水溶液混合，得到 单一指示剂； 所述金属离子指示剂为硫氰酸盐、高锰酸盐、钼酸铵、氨水、过氧化氢、邻二氮菲、双硫 腙、三氯氰胺、偶氮胂中的至少一种； 表面活性剂为硬脂酸、十二烷基苯磺酸钠、季铵化物、卵磷脂、氨基酸型、甜菜碱型、月旨 肪酸甘油酯、司班、吐温、洁尔灭中的至少一种； (2) 将单一指示剂与不同的金属离子水溶液分别进行混合，采集混合前后的图像，并提 取混合前后图像的颜色变化数据； (3) 将待检测的金属离子水溶液与单一指示剂混合，采集待检测的金属离子水溶液与 单一指示剂混合前后的图像的颜色变化，并与步骤(2)的颜色变化数据进行比对，得到待检 测的金属离子水溶液中的金属离子种类。2. 如权利要求1所述的利用单一指示剂区分多种金属离子的方法，其特征在于，金属离 子包括= Fe(III)、Mo(VI)、Cu(II)、Co(II)、Cr(III)、Cr(VI)、Fe(II)、Pb(II)、Zn(II)、Hg (II)、Cd(II)、Mn(II)、Ag(I)、Cd(II)、Mn(II)、Ni(II)、Th(IV)、Zr(IVWPU(IV)。3. 如权利要求1所述的利用单一指示剂区分多种金属离子的方法，其特征在于，步骤 (2)提取颜色变化数据时，首先对单一指示剂与金属离子水溶液混合前后的图像进行剪切， 得到有效图像，然后分别提取有效图像的RGB三个通道的颜色变化。4. 如权利要求1所述的利用单一指示剂区分多种金属离子的方法，其特征在于，将步骤 (2)得到的颜色变化数据导入多变量统计软件或层序聚类分析软件中，建立数据库，将待检 测金属离子水溶液与单一指示剂混合前后的图像的颜色变化与数据库中的数据做比对，得 到检测结果。5. 如权利要求1所述的利用单一指示剂区分多种金属离子的方法，其特征在于，金属离 子指示剂和表面活性剂混合，得到单一指示剂。6. 如权利要求1所述的利用单一指示剂区分多种金属离子的方法，其特征在于，金属离 子指示剂为双硫腙，表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵； 金属离子指示剂为偶氮胂，表面活性剂为洁尔灭； 金属离子指示剂为三氯氰胺，表面活性剂为吐温； 金属离子指示剂为邻二氮菲，表面活性剂为司班85; 金属离子指示剂为过氧化氢，表面活性剂为脂肪酸甘油酯； 金属离子指示剂为氨水，表面活性剂为甜菜碱型表面活性剂； 金属离子指示剂为钼酸铵，表面活性剂为氨基酸型表面活性剂； 金属离子指示剂为高锰酸盐，表面活性剂为卵磷脂类表面活性剂； 金属离子指示剂为硫氰酸盐，表面活性剂为硬脂酸类表面活性剂； 金属离子指示剂为双硫腙，表面活性剂为十二烷基苯磺酸钠。
【文档编号】G01N21/78GK105891199SQ201610030572
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年1月18日
【发明人】冷玉敏, 林恒伟, 宋玉玲, 冷超粮, 马春华
【申请人】南阳师范学院