一种重金属镉的荧光检测方法与流程

本发明涉及一种重金属的检测方法，尤其涉及一种重金属镉的荧光检测方法，属于重金属的检测领域。

背景技术：

据2018年10月《环境科学》最新报道表示，近20多年中国粮食主产区土壤中重金属污染呈现上升趋势，点位超标率增加了14％，重金属污染以镉(cd)、镍(ni)、铜(cu)和汞(hg)为主，其中，镉(cd)的污染比重增加趋势最为显著，从7.16％增加到21.49％，点位超标增加了14％，区域监测显示中国南方污染比北方污染更为严重。

重金属镉的污染源主要来自工业、矿业和农业灌溉用水。重金属镉元素具有不可生物降解和不可移动的特点，通常可在人体内沉积达10年，对人类的神经系统、免疫系统和生殖系统等造成严重损害。其生物传导路径是土壤和水体中的镉可通过食物链而富集，尤其是畜产品和鱼类，最后被人体吸收，对人体造成伤害，重金属镉的污染已是一个不可忽视的问题。因此，如何快速高效检测样品中的镉元素是我们面临的待解决的问题。

重金属镉的主要检测方法包括电感耦合等离子体质谱(inductivelycoupledplasmamassspectrometry，icp-ms)、电感耦合等离子体原子发射光谱(inductivelycoupledplasmaatomicemissionspectroscopy，icp-aes)、原子吸收分光光度(atomicabsorptionspectroscopy,aas)等。这些检测方法具有灵敏度高、准确度高的特点，但是这些检测方法需配备大型仪器设备和专业的分析人员，且样品前处理复杂、测试费用高。因此亟需要一种操作简单、成本低、灵敏度高的重金属镉的检测方法。

荧光分析法设备简单、直观、选择性好、实时原位、灵敏度高、可检测的下限浓度较低(可达10-12m数量级甚至更低)，而且检测既可以在溶液中进行又可以在界面上进行，因此正成为食品、药品和环境监测中备受青睐的方法。荧光分析法的关键不仅在于检测仪器的性能，更为重要的是必须具有快速响应、高灵敏性、高可靠性的荧光标记材料。

技术实现要素：

本发明的目的之一是提供一种用于检测重金属镉的荧光标记纳米材料；

本发明的目的之二是应用所制备的荧光标记纳米材料构建一种重金属镉的荧光检测方法，该荧光检测方法具有操作简单、成本低、灵敏度高、稳定性强和重现性好等优点。

本发明的上述目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明首先提供了一种用于检测重金属镉的荧光标记纳米材料，其制备方法包括：

(1)制备fe3o4磁性纳米材料；(2)将fe3o4磁性纳米材料进行环氧乙烷化得到环氧乙烷化的fe3o4磁性纳米材料；(3)将环氧乙烷化的fe3o4磁性纳米材料进行胺基化反应得到胺基化的fe3o4磁性纳米材料；(4)将胺基化的fe3o4磁性纳米材料用荧光剂进行荧光标记得到功能化的fe3o4磁性纳米材料。

作为一种优选的实施方案，步骤(1)中所述的fe3o4磁性纳米材料的制备方法可参考以下方法：将六水合三氯化铁、柠檬酸钠、无水醋酸钠和乙二醇以1:0.2:16:87的摩尔比混合，在搅拌下加热直至所得溶液呈红褐色，在水热反应釜中反应8～16小时，制得fe3o4磁性纳米材料；其中，所述的反应温度优选为160℃～200℃。

作为一种优选的实施方案，步骤(2)中将fe3o4磁性纳米材料进行环氧乙烷化的反应包括：

将fe3o4磁性纳米材料、乙醇和水以1：130：136的摩尔比进行超声混合后，按照四氧化三铁：原硅酸四乙酯以1：0.05-1.2质量比加入原硅酸四乙酯在室温下搅拌反应；将所得到的反应液与环氧乙烷按照1：2-6摩尔比反应得到环氧乙烷化的fe3o4磁性纳米材料；其中，所述的反应时间可以为1-6小时，优选为2小时；所述的室温可以为10-40℃，优选为20-25℃。

作为一种优选的实施方案，步骤(3)中所述胺基化反应包括：将环氧乙烷化的磁性纳米材料与四氢呋喃以及乙二胺按照1：30：18摩尔比进行超声混合反应，将上步反应溶液与乙二胺按照1：1-4摩尔比混合得到胺基化的磁性纳米材料；优选的，所述反应的温度为50℃～80℃，反应时间为1～8小时。

作为一种优选的实施方案，步骤(4)中将胺基化化的fe3o4磁性纳米材料用荧光剂按照以下标记方式进行标记：将胺基化的磁性纳米材料与二氧化硅按照1：134的摩尔比例超声分散在丙酮溶液中，按照胺基与丹磺酰氯1：2-6比例加入丹磺酰氯和三乙胺溶液在室温下避光进行反应；其中，所述的荧光剂优选为丹磺酰氯；所述的室温可以为10-40℃，优选为20-25℃；所述的反应时间优选为10～12小时。

本发明进一步应用所述的荧光标记fe3o4磁性纳米材料构建了一种重金属镉的荧光检测方法，该荧光检测方法包括：

(1)配制不同浓度的cd²⁺的标准溶液；

(2)将荧光标记fe3o4磁性纳米材料与不同浓度的cd²⁺的标准溶液进行避光反应，得到不同浓度cd²⁺浓度的标准荧光发射光谱；

(3)将荧光标记fe3o4磁性纳米材料与待检测的样品溶液进行避光反应得到荧光发射光谱；其中，荧光标记fe3o4磁性纳米材料与待检测的样品溶液的体积比优选为20:1；

(4)将所得到的荧光发射光谱与标准荧光发射光谱进行比对，根据比对结果判定样品溶液中是否含有cd²⁺或者进一步对样品溶液中含有cd²⁺的浓度给出定量结果。

本发明方法所制备的荧光标记纳米材料稳定性好、吸附性强，通过功能化增加磁性纳米材料的活性位点和提高吸附性，具有快速响应、高灵敏性、高可靠性等优点，能够显著提高金属镉等检测的灵敏度和准确度；本发明方法所制备的荧光标记纳米材料与重金属镉通过螯合作用，导致荧光淬灭，当检测溶液中含有cd²⁺时，随着cd²⁺的浓度增大，其荧光强度逐渐变弱，通过测定320nm处磁性纳米材料的荧光强度对样品溶液中的重金属镉实现定性或定量检测；本发明方法检测灵敏度高，检出限可达到10ppb，具有操作简单、灵敏度高、稳定性好等诸多优点。

附图说明

图1不同浓度cd²⁺的标准荧光发射光谱。

图2在镉离子浓度10ppb时铜离子、钾离子和镉离子的荧光响应趋势。

图3应用本发明方法对干草样品中cd²⁺含量进行荧光检测的结果。

具体实施方式

以下结合具体实施例来进一步描述本发明，本发明的优点和特点将会随着描述而更为清楚。但这些实施例仅是范例性的，并不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围下可以对本发明的细节和形式进行修改或替换，但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。

实施例1荧光标记的fe3o4磁性纳米材料的制备

纳米磁性材料fe3o4@sio2的制备：取2.2g六水合三氯化铁、0.47g柠檬酸钠、10.8g无水醋酸钠和40ml乙二醇，超声振荡30min，然后在搅拌下加热至160℃，反应1小时至反应液呈红褐色，然后在高压釜(200℃)中反应10小时，在室温下冷却后，制得磁性纳米材料fe3o4溶液；然后用乙醇和纯水清洗并进行真空干燥；取0.2g磁性纳米材料fe3o4、60ml乙醇、20ml超纯水，超声振荡30min，然后边搅拌边加入20ml，0.0897mmol/l原硅酸四乙酯乙醇溶液，在室温(20-25℃)下反应2小时。

fe3o4@sio2@epoxy@nh2的制备：取0.2g磁性纳米材料fe3o4@sio2分散在20ml乙醇溶液，在上述反应液中边搅拌边加入20ml，0.782mol/l环氧乙烷乙醇溶液，室温反应2小时，制得fe3o4@sio2@epoxy的溶液；取0.15g的fe3o4@sio2@epoxy、20ml四氢呋喃、10ml乙二胺，超声振荡30分钟，加入20ml,1.56mol/l的乙二胺，加热至60℃反应2小时，制得fe3o4@sio2@epoxy@nh2溶液，然后用乙醇和纯水清洗并进行真空干燥。

fe3o4@sio2@epoxy@nh2@dns的制备：取0.1g的fe3o4@sio2@epoxy@nh2和40ml丙酮，超声振荡30分钟，边搅拌边加入8.86ml三乙胺以及20ml，0.24mol/l丹磺酰氯丙酮溶液，在室温下避光反应12小时，制得fe3o4@sio2@epoxy@nh2@dns的溶液，然后用丙酮和纯水清洗并得到fe3o4@sio2@epoxy@nh2@dns的水溶液。

实施例2荧光标记的fe3o4磁性纳米材料的制备

纳米磁性材料fe3o4@sio2的制备：取2.2g六水合三氯化铁、0.47g柠檬酸钠、10.8g无水醋酸钠和40ml乙二醇，超声振荡30min，然后在搅拌下加热至180℃，反应0.5小时至反应液呈红褐色，然后在高压釜(200℃)中反应8小时，在室温下冷却后，制得磁性纳米材料fe3o4溶液；然后用乙醇和纯水清洗并进行真空干燥；取0.2g磁性纳米材料fe3o4、60ml乙醇、20ml超纯水，超声振荡30min，然后边搅拌边加入20ml，0.0897mmol/l硅酸四乙酯乙醇溶液，在室温(20-25℃)下反应5小时。

fe3o4@sio2@epoxy@nh2的制备：取0.2g磁性纳米材料fe3o4@sio2分散在20ml乙醇溶液，在上述反应液中边搅拌边加入20ml，0.782mol/l环氧乙烷乙醇溶液，室温反应2小时，制得fe3o4@sio2@epoxy的溶液；取0.15g的fe3o4@sio2@epoxy、20ml四氢呋喃、10ml乙二胺，超声振荡30分钟，加热至80℃反应1小时，制得fe3o4@sio2@epoxy@nh2溶液，然后用乙醇和纯水清洗并进行真空干燥。

fe3o4@sio2@epoxy@nh2@dns的制备：取0.1g的fe3o4@sio2@epoxy@nh2和40ml丙酮，超声振荡30分钟，边搅拌边加入8.86ml三乙胺以及20ml0.24mol/l丹磺酰氯丙酮溶液，在室温下避光反应12小时，制得fe3o4@sio2@epoxy@nh2@dns的溶液，然后用丙酮和纯水清洗并得到fe3o4@sio2@epoxy@nh2@dns的水溶液。

实施例3荧光标记的fe3o4磁性纳米材料的制备

纳米磁性材料fe3o4@sio2的制备：取2.2g六水合三氯化铁、0.47g柠檬酸钠、10.8g无水醋酸钠和40ml乙二醇，超声振荡30min，然后在搅拌下加热至150℃，反应1小时至反应液呈红褐色，然后在高压釜(160℃)中反应10小时，在室温下冷却后，制得磁性纳米材料fe3o4溶液；然后用乙醇和纯水清洗并进行真空干燥；取0.2g磁性纳米材料fe3o4、60ml乙醇、20ml超纯水，超声振荡30min，然后边搅拌边加入20ml，0.0897mmol/l硅酸四乙酯乙醇溶液，在室温(20-25℃)下反应1小时。

fe3o4@sio2@epoxy@nh2的制备：取0.2g磁性纳米材料fe3o4@sio2分散在20ml乙醇溶液，在上述反应液中边搅拌边加入20ml，0.782mol/l环氧乙烷乙醇溶液，室温反应2小时，制得fe3o4@sio2@epoxy的溶液；取0.15g的fe3o4@sio2@epoxy、20ml四氢呋喃、10ml乙二胺，超声振荡30分钟，加热至50℃反应5小时，制得fe3o4@sio2@epoxy@nh2溶液，然后用乙醇和纯水清洗并进行真空干燥。

fe3o4@sio2@epoxy@nh2@dns的制备：取0.1g的fe3o4@sio2@epoxy@nh2和40ml丙酮，超声振荡30分钟，边搅拌边加入8.86ml三乙胺以及20ml0.24mol/l丹磺酰氯丙酮溶液，在室温下避光反应11小时，制得fe3o4@sio2@epoxy@nh2@dns的溶液，然后用丙酮和纯水清洗并得到fe3o4@sio2@epoxy@nh2@dns的水溶液。

试验例1不同浓度cd²⁺的标准荧光发射光谱的构建

(1)配备1ppm，100ppb，10ppb的cd²⁺的标准溶液。(2)取实施例1制备的2ml10mmol/lfe3o4@sio2@epoxy@nh2@dns的水溶液和0.1ml不同浓度的cd²⁺的标准溶液避光反应1min，检测各反应系的荧光发射光谱，图1为本实施例的荧光光谱。

从图1可知：随着cd²⁺浓度的增加，反应液的荧光强度逐渐减小。从图2可知，在金属离子浓度为10ppb时，纳米磁性荧光探针对镉离子的响应最灵敏。

试验例2采用本发明构建的荧光检测方法对样品溶液中cd²⁺的定性和定量检测试验

1、检测方法

1.1称量0.2-0.3克干草样品溶于5-10毫升浓硝酸。侵泡12个小时后，梯度升温至190oc微波消解1.5小时；

1.2待冷却至室温后，将反应液转入反应容器，将反应溶液放入赶酸仪在150oc反应1-2小时至反应溶液体积小于1毫升；

1.3将所得反应液稀释至10ml，将所得溶液采用电感耦合等离子体质谱进行检测得反应溶液中镉离子浓度是20μgl^-1和200μgl^-1；

1.4取实施例1制备的1.8ml10mmol/lfe3o4@sio2@epoxy@nh2@dns的水溶液和0.2ml上述所得cd²⁺的溶液避光反应1min，检测各反应系的荧光发射光谱。

2检测结果

图3为检测各反应系的荧光发射光谱的荧光光谱结果。从图3的荧光光谱可见：随着cd²⁺浓度的增加，反应液的荧光强度逐渐减小，说明采用本发明建立的检测方法能够准确对样品中的cd²⁺进行定性或定量检测。