一种基于硫化铜纳米材料的超灵敏汞污染比色检测方法

1.本发明涉及环境和食品分析及检测领域。更具体地，涉及一种基于硫化铜纳米材料的超灵敏汞污染比色检测方法。


背景技术：

2.汞污染对环境和人体健康具有极大的危害。传统的汞污染检测方法往往依赖于大型昂贵的仪器设备，难以满足快速、实时检测的实际需要(寇冬梅等.环境科学与技术.2008,31,24-28)。与传统检测方法相比，汞离子微纳比色/荧光传感器具有操作简单、检测快速、不依赖于大型仪器等优点(沈洋等.化学进展.2019,31,536-549)。
3.基于汞离子可以诱导增强rgo-pei-pd纳米复合物的类酶活性的原理，卢小泉团队实现了废水和血清中超痕量汞离子的裸眼比色检测(zhang s.et al.analytical chemistry.2017,89,3538-3544)。刘锦淮等人以特异性核酸适配体作为汞离子识别因子，利用碳纳米材料石墨烯的荧光淬灭和纳米金的荧光增强协同效应，发展了一种新型杂交式的“淬灭/增强荧光”机制，实现了对饮用水中汞离子选择性的高灵敏度的光学探测(kong l.et al.chemical communications.2011,47,10389-10391)。虽然目前汞离子微纳比色传感器的设计及其在水体中汞离子的检测应用方面已经取得了一定的进步，但是由于一些环境、食品和生物样品中汞离子含量较少且检测干扰因素多，实现复杂样品基质中汞污染的超灵敏检测仍然是汞离子微纳传感器研究的重点和难点。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种不依赖于大型仪器、成本低廉、选择性好、灵敏度高，适用于复杂样品基质中汞污染分析的比色检测方法。
5.为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
6.步骤一，将cus纳米材料分散于含汞离子的样品溶液中，进行汞离子的选择性吸附富集；
7.步骤二，通过抽滤法进行过滤浓缩；使得吸附有汞离子的cus纳米材料得到富集，提高检测灵敏度；
8.步骤三，向滤膜中加入显色剂和双氧水，进行显色反应。
9.步骤四，通过观测反应体系的颜色和/或吸光度值，实现对待测样品中汞离子的含量检测。
10.在本发明中，所述cus纳米材料具有三个功能，包括汞离子的选择性识别，汞离子富集浓缩的载体以及比色检测信号的放大/输出。cus纳米材料具有拟酶催化活性，能够催化无色显色剂生成有色产物。而当cus纳米材料吸附汞离子后，其催化活性会受到抑制。通过观测反应体系的颜色和吸光度值，可实现对待测样品中汞离子的含量检测。
11.可选地，所述cus纳米材料选自cus纳米颗粒、cus纳米球、cus纳米线、cus纳米片、cus纳米花和cus纳米棒中的一种。
12.可选地，所述cus纳米材料直径为5nm-500nm(例如可以为10nm、50nm、100nm、150nm、200nm、250nm、300nm、350nm、400nm、450nm等等，或任意直径之间的任意范围)。
13.可选地，所述cus纳米材料的加入量为100ng-1mg(例如可以为200ng、500ng、1μg、50μg、100μg、200μg、500μg、1mg等等，或任意加入量之间的任意范围)。
14.可选地，步骤一中，所述吸附富集汞离子的时间为1-30min，
15.可选地，步骤二中，所述过滤浓缩通过抽滤法实现，浓缩倍数为1-20000(例如可以为100、500、1000、2000、5000、10000、15000等等，或任意倍数之间的任意范围)。
16.可选地，所述显色反应结果的分析方式选自裸眼观察法、手机app读取颜色法、颜色传感器读数法和紫外-可见分光光度计测试法中的一种。
17.本发明的有益效果如下：
18.其一，与传统大型仪器检测法相比，本发明采用比色分析法，不依赖于大型仪器、成本低廉、便携、适用于现场汞污染检测。
19.其二，本发明中利用cus纳米材料可实现对汞离子的选择性吸附，快速富集和高效浓缩，使得该方法对汞离子具有良好的选择性，且检测灵敏度可达到50ppt。这一灵敏度可与原子荧光光谱仪和电感耦合等离子体质谱仪等大型仪器检测法相媲美。
20.其三，本发明设计的吸附-富集-浓缩-检测集成方法具有良好的抗干扰性，适用于复杂样品基质中汞污染的选择性灵敏检测。
附图说明
21.下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
22.图1.本发明的汞离子比色检测原理图。汞离子能够置换cus表面的铜离子形成hgs，从而抑制cus的显色催化活性。据此，通过观测显色反应的颜色即可实现汞离子的检测。
23.图2.本发明设计的吸附-富集-浓缩-检测集成方法流程图。
24.图3.实施例1中的汞离子检测结果数据曲线。
25.图4.实施例2中的汞离子检测结果标准曲线。
26.图5.实施例3中的汞离子检测结果照片。
27.图6.实施例3中的汞离子检测结果标准曲线。
28.图7.实施例4中的汞离子选择性检测结果的照片和数据柱状图。
具体实施方式
29.为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
30.实施例1
31.向0.5ml含有不同浓度(0-3ppm)汞离子的样品溶液中加入100ng cus纳米颗粒(平均粒径5nm)，室温下吸附富集1min后依次加入50μl邻苯二胺(10mmol/l)和5μl双氧水溶液(30％)。显色反应进行30min后，使用紫外-可见分光光度计记录每个溶液的吸光度信号并绘图。如图3所示，随着汞离子浓度增加，样品的吸光度差值也逐渐增加。当汞离子浓度超过
1ppm之后，样品的吸光度差值趋于稳定。实验证明该方法可以定量检测样品中的汞离子浓度。
32.实施例2
33.向0.1l含有不同浓度(0-400ppb)汞离子的样品溶液中加入10μg cus纳米片(平均粒径50nm)，室温下吸附富集15min。利用抽滤法将纳米材料浓缩至滤膜中(容积0.5ml)，浓缩倍数200倍。依次加入50μl 2,2'-联氮-双-3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸(10mmol/l)和5μl双氧水溶液(30％)。显色反应进行30min后，使用紫外-可见分光光度计记录每个溶液的吸光度信号并绘图。如图4所示，样品的吸光度差值与汞离子浓度呈现线性关系。因此证明了该方法可以定量检测样品中的汞离子浓度。
34.实施例3
35.向10l含有不同浓度(0-4ppb)汞离子的样品溶液中加入1mg cus纳米花(平均粒径500nm)，室温下吸附富集30min后。利用抽滤法将纳米材料浓缩至滤膜中(容积0.5ml)，浓缩倍数20000倍。依次加入50μl四甲基联苯胺(10mmol/l)和5μl双氧水溶液(30％)。显色反应进行30min后，可根据样品的颜色，利用裸眼观察法定性分析汞离子的浓度。如图5所示，随着样品中汞离子浓度增加，滤膜中显色液的颜色逐渐变浅。另外使用颜色传感器测量每个样品的rgb信号并绘图。如图6所示，随着样品中汞离子浓度增加，显色液的r+g-b值与汞离子浓度呈现线性关系。因此证明了该方法可以定量检测样品中的汞离子浓度，检测限可以达到50ppt。
36.实施例4
37.向2ml含有相同浓度(1ppm)不同金属离子的样品溶液中加入10μg cus纳米球(平均粒径200nm)，室温下吸附富集10min后依次加入50μl四甲基联苯胺(10mmol/l)和5μl双氧水溶液(30％)。显色反应进行30min后，首先根据样品颜色，使用裸眼观察法即可分辨出含汞离子的样品。另外使用紫外-可见分光光度计记录每个溶液的吸光度信号并进行绘图比较。含汞离子的样品颜色较浅，吸光度差值较大。而含有其他离子的样品颜色和空白样品颜色都较深。由此可见，该方法对汞离子具有良好的选择性。
38.实施例5
39.首先采取500ml河水样品并对其进行过滤处理，然后加入10μg cus纳米球(平均粒径200nm)，室温下吸附富集30min。利用抽滤法将纳米材料浓缩至滤膜中(容积0.5ml)，浓缩倍数1000倍。依次加入50μl四甲基联苯胺(10mmol/l)和5μl双氧水溶液(30％)。显色反应进行30min后，使用紫外-可见分光光度计分析得到河水样品中汞离子的浓度，并将该测试结果与利用电感耦合等离子体质谱仪测试结果进行比较。如表1所示，利用本发明的方法测得河水中含有汞离子208ppt，而利用电感耦合等离子体质谱仪测得的河水中含有汞离子181ppt，二者的相对偏差为9.6％，证明本发明的方法具有良好的可靠性，并且适用于环境样品中汞离子的检测。
40.实施例6
41.首先称取1g虾样品，采用酸消解法消解固体样品，之后使用氢氧化钠溶液调节ph至3.6并定容至1l待测。量取2ml待测样品并向其中加入10μg cus纳米球(平均粒径200nm)，室温下吸附富集30min后依次加入50μl四甲基联苯胺(10mmol/l)和5μl双氧水溶液(30％)。显色反应进行30min后，使用紫外-可见分光光度计分析得到虾样品中汞离子的浓度，并将
该测试结果与利用电感耦合等离子体质谱仪测试结果进行比较。如表1所示，利用本发明的方法测得虾中总汞浓度为19ppm，而利用电感耦合等离子体质谱仪测得的虾中总汞浓度为18ppm，二者的相对偏差为5.3％，证明本发明的方法具有良好的可靠性，且适用于食品样品中汞离子和总汞污染的检测。
42.表1.实施例5和6中河水和虾样品中汞离子浓度检测结果。
43.样品本发明的检测方法电感耦合等离子体质谱仪相对偏差河水208ppt181ppt9.6％虾19ppm18ppm5.3％
44.显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。