纳米金试纸膜及其在氯离子检测中的应用的制作方法

本发明涉及氯离子技术领域，尤其是涉及一种纳米金试纸膜及其在氯离子检测中的应用。

背景技术

氯化钠(nacl)是人体生命活动中不可缺少的重要物质。它对于体内水分和渗透压的平衡、肠胃消化功能、体内酸碱平衡等都起着至关重要的作用。过量摄入食盐会导致一系列疾病，目前被关注最多的就是高血压、胃癌、哮喘、骨质疏松等疾病，盐(钠)的过量摄入已被列为第八个影响人体健康的因素。世界卫生组织建议每人每天食盐摄入量是5g。

目前氯化钠的主要检测方法有：滴定法、离子色谱法、毛细管电泳法等。滴定法的优点在于测得结果有着较高的准确度，且操作简便；缺点就是没有较好的灵敏度、重现性差、误差大；离子色谱法，其优点主要适用于测定水溶液中的各种离子含量，精密度及准确度好，操作简便，样品前处理方便，且避免有毒化学品对人体的侵害，可以提高分析效率，但离子色谱法价格昂贵，不适宜于实际生产的应用；毛细管电泳法具有简便、快速、准确度高、稳定性好等特点，被广泛应用于注射剂含量的测定。

世界卫生组织提出，检验装置应当具有价格适中、灵敏、有特异性、用户友好、快速、不用附加设备、结果可面向终端用户的特点。通过研究发现，纸基比色法具有灵敏度高、快速便捷适合现场检测、特异功能性强、不用附加设备、价格适中、操作简便、结果易分析获取等优点。然而相关技术中，采用纸基比色法检测氯化钠的技术鲜有报道。

鉴于此，本发明提供了一种纳米金试纸膜检测氯离子的方法解决上述技术问题。

技术实现要素：

本发明的目的是克服上述技术缺陷，提供一种可用于检测氯离子的纳米金试纸膜，其具有检测灵敏度高、速度快、操作简单等优点。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种纳米金试纸膜，在pvdf膜表面负载上纳米金颗粒。

进一步地，所述纳米金试纸膜的制备方法包括如下步骤：

步骤s1：纳米金溶液制备，将氯金酸溶液加入到沸腾的pvp水溶液中，并在沸腾条件下加入适量柠檬酸三钠，溶液颜色由浅黄色至灰色最后变为深酒红色，待溶液完全变成深酒红色时停止加热，将溶液冷却至室温得到纳米金溶液；

步骤s2：纳米金试纸膜制备，取pvdf膜放入到步骤s1制备的纳米金溶液中进行超声，超声结束后，取出负载纳米金颗粒的pvdf膜，风干得到纳米金试纸膜。

进一步地，步骤s2中，超声温度为45-55℃，超声作用时间为80-140min。

进一步地，步骤s1中，pvp水溶液由70ml超纯水和50ml浓度为0.1mm的pvp溶液配制形成；氯金酸溶液加量为5ml,其浓度为24.28mm；柠檬酸三钠的加量为12.5ml，其质量分数为1％。

进一步地，步骤s1中，所述纳米金溶液的最大吸收峰值为527nm。

基于所述纳米金试纸膜，本发明还提供一种纳米金试纸膜在氯离子检测中的应用。

一种氯离子的检测方法，包括如下步骤：

步骤s1：取待测样品与硝酸溶液混合；

步骤s2：取所述纳米金试纸膜，加入到步骤s1的混合溶液中，反应5-75min，当纳米金试纸膜褪色，即可定性检测到氯离子。

进一步地，步骤s2还包括：通过imagej软件对反应后的纳米金试纸膜进行光强值分析，获取其光学信号，实现定量检测待测溶液中氯离子浓度。

进一步地，步骤s1中，硝酸溶液的浓度为3-9mol/l。

进一步地，步骤s2中，反应时间为55min。

相较于现有技术，本发明提供的纳米金试纸膜及其在氯离子检测中的应用，有益效果在于：

一、本发明通过使纳米金颗粒均匀附着在pvdf膜上得到一种色泽均匀的红色aunps-pvdf(aunps为纳米金颗粒的简称，pvdf表示聚偏氟乙烯)纳米金试纸膜；且基于氯离子可将纳米金颗粒在硝酸溶液中刻蚀作用，构建出一种对氯离子具有良好响应的检测方法，实现对氯离子的快速检测，该检测方法的检测灵敏度高，且操作简单。

二、本发明提供的纳米金试纸膜，对氯离子具有较好的选择性，对hso4^-、br^-、ch3coo^-、hg²⁺、cu²⁺、f^-、i^-、pb²⁺等离子具有良好的抗干扰能力，对氯离子的检测专一性非常强。

三、本发明提供的氯离子的检测方法，氯化钠的最低检测限度可达0.01％。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是不同超声温度条件下aunps分布在pvdf膜上均匀程度的裸眼可视化图；

图2是不同超声温度条件下aunps分布在pvdf膜上均匀程度的光强值分析图；

图3是不同超声作用时间条件下aunps分布在pvdf膜上均匀程度的裸眼可视化图；

图4是不同超声作用时间条件下aunps分布在pvdf膜上均匀程度的光强值分析图；

图5是不同反应体系对纳米金试纸膜的颜色响应图；

图6是不同浓度氯化钠与硝酸混合液对纳米金试纸膜的颜色响应裸眼可视化图；

图7是纳米金试纸膜在不同浓度氯化钠与硝酸混合液反应体系中反应5min条件下的光强值分析图；

图8是纳米金试纸膜在不同浓度氯化钠与硝酸混合液反应体系中反应35min条件下的光强值分析图；

图9是纳米金试纸膜在不同浓度氯化钠与硝酸混合液反应体系中反应55min条件下的光强值分析图；

图10是纳米金试纸膜在不同浓度氯化钠与硝酸混合液反应体系中反应75min条件下的光强值分析图；

图11是纳米金试纸膜对氯离子选择性的裸眼可视图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例中的技术方案，并使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应该被视为在本文中具体公开。

首先，对本发明提供的纳米金试纸膜及其制备方法进行阐述。

一种纳米金试纸膜，在pvdf膜表面负载上纳米金颗粒。其制备方法，包括如下步骤：

步骤s1：纳米金溶液制备，将氯金酸溶液加入到沸腾的pvp水溶液中，并在沸腾条件下加入适量柠檬酸三钠，溶液颜色由浅黄色至灰色最后变为深酒红色，待溶液完全变成深酒红色时停止加热，将溶液冷却至室温得到纳米金溶液；

具体地，取250ml三口烧瓶置于磁力加热搅拌器、固定冷凝回流装置，向其中加入70ml超纯水和50ml浓度为0.1mm的pvp溶液，在140℃下加热至沸腾，待完全沸腾后，迅速加入5ml浓度为24.28mm的氯金酸溶液，再次煮沸后，迅速加入12.5ml柠檬酸三钠(质量分数1％)，溶液颜色由浅黄色至灰色最后变为深酒红色，待溶液完全变成深酒红色即可停止加热，将三口烧瓶移开油浴，继续冷凝回流搅拌纳米金溶液至室温，待冷却后吸取上述溶液2ml于比色皿中，利用紫外可见分光光度计对上述溶液进行扫描，测定其最大吸收峰，在527nm左右即可；将剩余溶液倒入玻璃瓶中，4℃冷藏保存。

需要说明的是，以上所有玻璃仪器均用王水浸泡过夜，超纯水洗净并烘干备用。

步骤s2：纳米金试纸膜制备，取pvdf膜放入到步骤s1制备的纳米金溶液中进行超声，超声结束后，取出负载纳米金颗粒的pvdf膜，风干得到纳米金试纸膜。

具体的，取直径为6mm的pvdf膜加入到2ml步骤s1制备得到的纳米金溶液中进行超声，超声温度控制为30-60℃，超声作用时间控制为20-140min；

反应结束后，冷却至室温取出纳米金试纸膜，在超纯水中漂洗，自然风干即可。

以下分别通过调整超声温度、超声作用时间，获得最优的实验条件。其中，最优实验条件以使aunps在pvdf膜上均匀分布，通过利用imagej软件分析负载纳米金颗粒的pvdf膜上的光强值表达。光强值波动变化越小，则表示aunps负载分散越均匀稳定，反之则越不均匀。

超声温度条件优化：

向4支2ml离心管中各加入2mlaunps，依次向各离心管加入1片直径为6mm的pvdf膜，将上述样品分别置于30、40、50、60℃的超声波清洗机中超声加热60分钟，待反应结束后，冷却至室温取出纸片，在超纯水中漂洗，风干拍照，用imagej软件分析其光强值。

请参阅图1，是不同超声温度条件下aunps分布在pvdf膜上均匀程度的裸眼可视化图。由图1可以看出，随着超声温度的升高，溶液中金纳米的颜色逐渐变浅，与之对应是试纸膜颜色加深，这主要是因为金纳米本身的颜色可在一定程度上反应出纳米金粒子的浓度和本身的性质，所以通过裸眼可以判断出，当温度在45-55℃时，金纳米颗粒较为良好地负载到纸片上。

但是由于裸眼观察会具有一定的误差和不确定性，所以对处理好的纸片进行拍照后，利用imagej软件对纸片颜色进行光强数值分析。分析结果如图2，是不同超声温度条件下aunps分布在pvdf膜上均匀程度的光强值分析图。由图2可以看出，在25℃和35℃时，其光强值波动剧烈，是由于局部区域颜色分布不均匀，说明金纳米颗粒此时并没有较好的固定在pvdf膜表面；当温度上升到45℃后，整体光强值不再有较大波动，说明此时的金纳米颗粒较为均匀的固定在试纸膜上；当温度再次上升到55℃时，光强值基本不再发生明显改变，

上述光强值分析结果与裸眼可视化判断大体一致。本实施方式中，优选的超声温度为45-55℃；更优选地，超声温度为45℃。

超声作用时间条件优化：

向7支2ml离心管中各加入2mlaunps，然后依次加入1片直径为6mm的pvdf膜，将上述样品置于最佳反应温度下(45℃)，超声时间依次为20、40、60、80、100、120、140min，待反应结束后，冷却至室温取出纸片，在超纯水中漂洗，风干拍照，用imagej软件分析其光强值。

请参阅图3，是不同超声作用时间条件下aunps分布在pvdf膜上均匀程度的裸眼可视化图。由图3可以看出，在20-100min范围内，随着超声时间的延长，裸眼观察纳米金溶液颜色基本没有太大改变，但是其对应的纸片颜色分布却逐渐均匀，在100分钟时颜色明显变浅，纸片颜色达到最均匀，当时间继续增加时，溶液和纸片颜色都没有较大变化。

同样，利用imagej软件对试纸膜颜色进行光强数值分析，以确定超声作用时间对pvdf膜上纳米金颗粒均匀程度的影响。对处理好的纳米金纸片膜采用同超声温度一样的处理方法进行光强数值分析，分析结果如图4，是不同超声作用时间条件下aunps分布在pvdf膜上均匀程度的光强值分析图。

由图4可以看出，超声作用时间达80min，光强值不再有较大波动。本实施方式中，优选的超声作用时间是80-140min；更优选地，超声作用时间为100min。

然后，对本发明提供的纳米金试纸膜应用于氯离子检测的检测原理进行阐述。

强酸不能溶解金(au)，所以也不能溶解aunps。但是，在hno3和cl^-的共同作用下产生的亚硝酰氯(nocl)却可以溶解aunps，主要是nocl具有比浓硝酸更强的氧化能力，可使aunps中的au失去电子而被氧化，同时高浓度的cl^-与其金属离子可形成稳定的络离子[au(cl)x]^-，从而使aunps中的au标准电极电位减小，反应向au溶解的方向进行。其反应方程式为：

hno3+3hcl＝2h2o+cl2+nocl

au+cl2+nocl＝aucl+no↑

aucl3+hcl＝h[auclx]

其中x取值为2或4，具体取决于cl^-浓度、ph值和氧化剂的性质，络合物的稳定性取决于aunps和cl^-浓度以及该体系的电化学电位。因此，pvdf膜负载的金纳米颗粒随着时间的推移逐渐被刻蚀至完全，肉眼可识别颜色变化，即由红色变淡到褪去，再通过灰度数值变化，实现了对cl^-的可视化检测。

以下通过具体的实验分析本发明提供的纳米金试纸膜检测氯离子的可行性。

为了证明纳米金试纸膜检测氯离子实验的可行性，将制作好的纳米金试纸膜分别置于以下条件中：(1)1.25ml浓硝酸溶液(12mol/l)；(2)1.25ml氯化钠标准溶液(2％)；(3)250μl氯化钠(2％)和1ml浓硝酸(12mol/l)混合液。然后分别置于室温下反应55min，观察纳米金试纸膜的褪色情况。

请参阅图5，是不同反应体系下纳米金试纸膜的颜色响应图。其中a表示浓硝酸溶液反应体系下纳米金试纸膜的颜色响应；b表示氯化钠标准溶液反应体系下纳米金试纸膜的颜色响应；c表示氯化钠与浓硝酸混合溶液反应提下下纳米金试纸膜的颜色响应。由图5可以看出，当氯化钠或者浓硝酸单独存在时，试纸膜上的纳米金颗粒不会被刻蚀，从而颜色不会发生改变；但当氯化钠和浓硝酸同时存在时，cl^--hno3-aunps体系发生刻蚀作用，试纸膜发生褪色，即试纸膜颜色的变化与cl^-的加入有关，以此证明本发明提供的纳米金试纸膜检测氯离子的可行性。

接下来，对本发明提供的纳米金试纸膜在氯离子检测中的应用进行详细阐述。

一种氯离子的检测方法，包括如下步骤：

步骤s1：取待测样品与硝酸溶液混合；

步骤s2：取上述纳米金试纸膜，加入到步骤s1的混合溶液中，反应5-75min，当纳米金试纸膜褪色，即可定性检测到氯离子；

通过imagej软件对反应后的纳米金试纸膜进行光强值分析，获取其光学信号，实现定量检测待测溶液中氯离子浓度。

以下通过具体的实验描述本发明提供的纳米金试纸膜对氯离子的灵敏度检测及选择性测定，并通过灵敏度检测获取检测工艺中的优化条件参数。

灵敏度检测：

1、裸眼比色法对氯离子检测灵敏度的研究

取多个纳米金试纸膜，分别加入到不同浓度的氯化钠和硝酸溶液中，在自然光条件下，裸眼观察不同浓度氯化钠与硝酸混合液对纳米金试纸膜的颜色响应，如图6所示。

由图6可以看出，当氯化钠和硝酸单独存在时，纳米金试纸膜的颜色不会发生任何变化，说明纳米金颗粒的刻蚀氧化不是由于硝酸的氧化性而导致的；

当硝酸浓度在0-1mol/l之间时，随着氯化钠浓度的升高，纳米金试纸膜的颜色几乎没有发生变化，分析可能是由于此时硝酸浓度较低，不能够提供足够的no3^-，所以导致没有足够的nocl来氧化纳米金颗粒(no3^-+cl^-→nocl)；

将硝酸浓度提高到3mol/l时，氯化钠浓度在0.5％时候就可以明显将金纳米全部氧化，此时，纳米金试纸膜就呈现出最原始纸片的白色。

为了获得更好的灵敏度，我们将浓硝酸浓度逐渐提高，随着硝酸浓度的不断升高，可检测的氯化钠浓度越低，在硝酸浓度达到9mol/l后，氯化钠的检测下限不再发生明显改变，分析可能是由于no3^-和cl^-的结合能力达到极限，所以不会再产生更多的nocl，或者是由于纳米金试纸膜表面负载纳米金颗粒的能力有限，足够的nocl已经将金纳米全部氧化。所以在氯化钠浓度达到0.01％时，即使提高硝酸的浓度，其检测限也基本不再发生改变。

裸眼检测的检测下限往往存在很大的局限性，当氯化钠浓度降低到0.01％时，金纳米试纸片的颜色在人眼观察范围内几乎没有任何差异。并且由于受光照、人眼对于光和颜色的敏感度差异，最终的检测结果也会因为光线等外界因素和观察者的不同而存在较大差异，因此，裸眼比色法检测氯化钠只能进行定性检测而不是定量分析。

2、光强值对氯离子检测灵敏度的研究

为了获得最佳灵敏度，运用imagej对纳米金试纸膜与氯化钠在不同反应时间(5、35、55、75min)下所获得的光强值进行分析。分析结果如图7-图10，其中图7是纳米金试纸膜在不同浓度氯化钠与硝酸混合液反应体系中反应5min条件下的光强值分析图；图8是纳米金试纸膜在不同浓度氯化钠与硝酸混合液反应体系中反应35min条件下的光强值分析图；图9是纳米金试纸膜在不同浓度氯化钠与硝酸混合液反应体系中反应55min条件下的光强值分析图；图10是纳米金试纸膜在不同浓度氯化钠与硝酸混合液反应体系中反应75min条件下的光强值分析图。

结合图7-图10可以看出，当只有硝酸或氯化钠存在时，随着时间的增长，纳米金试纸膜的光强值也不会发生改变，这一现象与裸眼观察的结果基本一致；

随着反应时间的增长，通过改变硝酸和氯化钠(cl^-)的浓度得到不同颜色的金纳米试纸膜，对应的光强值也会随着颜色的改变而改变，即不同条件下氯化钠(cl^-)浓度都有着最优反应。在5min时，当硝酸浓度在5mol/l以上时，裸眼观察到的氯化钠(cl^-)最低限为1％，而利用光强值对其分析时，最低检测限可到达0.1％。同时随着硝酸浓度不断增加，通过光强值可以得到的最低检测限为0.05％。通过研究发现，aunps在hno3和氯化钠(cl^-)同时存在下，金纳米的红外光谱发生移动，同时au⁰也被氧化到au³⁺；

随着反应时间的增长，刻蚀反应导致的氯化钠(cl^-)检测下限越来越低，在反应时间为35min时，氯化钠(cl^-)的最低限可达到0.01％。相对于5min时时，不仅检测限降低了5倍，而且在最低检测限处所需要的硝酸浓度也降低为3mol/l。

在55min和75min时，氯化钠在纳米金试纸膜上的响应程度逐渐减弱，通过光强值分析，其灵敏度基本不再改变，并且此时需要提供的no3^-浓度也没有差异，由此分析在氯化钠(cl^-)饱和时，no3^-对于体系的影响较小。

本实施方式中，反应时间55min时，可以达到最佳灵敏度。

选择性测定：

为了探究金纳米试纸片对氯离子的选择性，在相同实验条件下，将氯离子标准液替换为其他更高浓度的干扰离子溶液(hso4^2-、i^-、ch3coo^-、hg²⁺、cu²⁺、br^-、f^-、pb²⁺)，氯离子的浓度选用0.01％，而其他离子的浓度选用0.1％，将金纳米试纸片加入到其他离子与硝酸的混合溶液中，在相同条件下反应结束后，取出金纳米试纸自然风干后拍照。

请参阅图11，是纳米金试纸膜对氯离子选择性裸眼可视图。从图11可以看出，裸眼观察时，其他干扰离子并没有引起纳米金试纸膜颜色的改变，而氯离子却直接呈现出原始白色状态，说明此时氯离子已经将纳米金颗粒刻蚀完全，而其他离子对于纳米金试纸膜却几乎没有影响。因此，纳米金试纸膜对于氯离子具有较好的选择性。

综上，本发明通过超声的辅助作用使aunps均匀附着在pvdf膜上以得到一种色泽均匀的红色aunps-pvdf纳米金试纸膜；并基于氯离子可以将纳米金颗粒在硝酸溶液中的刻蚀作用，构建出了一种对氯离子具有良好响应的检测方法。通过imagej对反应后的图片进行光强值分析，获取其光学信号，实现氯离子的快速检测，且本发明提供的氯离子的检测方法具有良好的灵敏度。

本发明提供的氯离子的检测方法，可应用于氯化钠的浓度检测，如食品中氯化钠的含量检测；同样也可应用于其他氯盐的浓度检测。

以上结合附图对本发明的实施方式作出详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。对本领域的技术人员而言，在不脱离本发明的原理和精神的情况下对这些实施例进行的多种变化、修改、替换和变型均仍落入在本发明的保护范围之内。