水溶液中陽離子的檢測方法
2023-09-12 18:50:25 3
專利名稱：水溶液中陽離子的檢測方法
技術領域：
本發明涉及離子檢測方法，尤其涉及一種水溶液中陽離子的檢測方法。
技術背景
水與人類的生存、健康和發展息息相關，水環境汙染和水資源短缺是全球淡水 資源正面臨的兩大問題。中國的人均水資源佔有量僅為世界平均水平的1/4，隨著我國經 濟的迅速發展，人口的增加，人民生活水平的逐步提高，工業化和城市化步伐的加快， 用水量急劇增加，汙水排放量也相應增加，加劇了淡水資源的短缺和水環境的汙染。因 此，保護併合理利用有限的水資源，減少和治理水環境汙染，已經成為關係人類生存、 發展和亟待解決的問題之一。
許多毒性陽離子如Hg2+、Pb2+、Cd2+、Cu2+、Co2+、Cr3+、Ni2+、Pd2+、Mn2+、 Mn3+以及Ag+·廣泛存在於自然界的水資源體系中。隨著經濟社會的不斷發展和人類對能 源需求的不斷增加，環境汙染已經成為一個不可忽視的問題。工業「三廢」(廢水、廢 氣、廢渣)對環境造成了很大破壞，特別是工業廢水的排放對水資源的汙染尤其突出。 工礦、化工、電池、電鍍等行業的工業廢水中含有大量的重金屬離子，個別企業將這些 廢水不加處理或者稍加處理就排放到水體中，導致重金屬離子在水體中富集、累積，引 起水質汙染。含有重金屬離子的汙水被人類直接飲用，或者被用來進行水產養殖和農作 物灌溉等，直接或間接影響人類的生存和健康。
舉例來說，Hg2+是無機汞最穩定的存在形式，容易對人或動物的大腦、神經系 統、腎臟和內分泌系統等產生很嚴重的破壞；此外，河流湖泊和海洋中的微生物能夠將 無機汞離子轉換成甲基汞(CH3Hg+)在生物體內累積起來，通過食物鏈進入人或其它動 物體內，直接威脅人類的健康。被汙染的飲用水中若1 2+含量過高，會危害人體的腦組 織和神經傳導系統，成為潛在的致癌物，尤其影響兒童的智力和身體發育；由於Pb2+對 人類健康可能構成的長期危害，世界衛生組織已經將飲用水中Pb2+含量上限標準設定為 10yg/L。此外，其它毒性陽離子在人體內累積到一定濃度，同樣會造成人體器官和組織 的損傷，引起人體中毒甚至是死亡，嚴重威脅人類的生命安全。
目前，檢測水溶液體系中汞離子或其它毒性陽離子的方法主要包括1)基於檢 測螢光生色團，遺傳工程改性的細菌以及共軛高分子和金納米粒子的傳感方法；2)電 分析化學方法，如毛細管電泳、離子選擇性電極法或循環伏安法；3)電感耦合等離子 體-質譜連用技術(ICP-MS)等。以上方法在檢測水溶液體系中毒性陽離子時，樣品制 備步驟複雜、樣品水溶性差、離子幹擾嚴重，而且通常需要大型昂貴的儀器設備。這些 限制對水溶液體系中毒性陽離子的快速檢測非常不利，因為很多條件不具備或技術不成 熟的單位或個體無法對水質進行檢測，導致汙染源擴大；而且，利用這些方法不能實現 對水質的實時、實地檢測。
為了減少環境汙染，保證人類健康生存和保持經濟社會的可持續發展，做到早 檢測、早治理，降低水汙染治理的成本，將水體汙染對人類的危害控制在最低程度，必須做到能夠快速、實時檢測水體中的Hg2+、Pb2+、 Cu2+、Ni2+、Mn2VMn3+, Ag+等毒性陽 離子。因此，發展一種靈敏度高、選擇性好、操作簡單和成本低的水溶液體系中毒性陽 離子的快速檢測方法顯得尤為迫切和重要。發明內容
本發明所要解決的技術問題是如何快速、準確和簡單地檢測水溶液體系中的 毒性陽離子。
為解決上述問題，本發明提供水溶液中陽離子的檢測方法，包括步驟提供兩 份相同的含有耦合有核酸分子的納米金或納米銀的檢測溶液；將等體積的不含所述陽離 子的水和被檢測水溶液分別加入所述兩份檢測溶液中，形成相應的第一混合溶液和第二 混合溶液；分別對所述第一混合溶液和第二混合溶液進行升溫；根據所述第一混合溶液 和所述第二混合溶液的顏色變化來判斷被檢測水溶液中是否存在所檢測的陽離子。
判斷的方法具體為如果所述第一混合溶液和第二混合溶液在不同溫度下變 色，則判定所述水溶液中含有被測陽離子；如果所述第一混合溶液和第二混合溶液在相 同溫度下變色，則判定所述水溶液中不含有被測陽離子。
如果被測陽離子為Pb2+，則所述核酸分子的序列為
5，-CATCTCTTCTCCGAGCCGGTCGAAATAGTGAGT-3，和
5，-ACTCACTATrAGGAAGAGATG-3，，
所述核酸分子序列中的rA為腺苷核糖核酸。
判斷所述被檢測水溶液中是否含有Pb2+離子的方法具體為如果所述第一混合 溶液在36°C下變色而第二混合溶液在高於36°C下變色，則判定所述水溶液中含有Pb2+離 子；如果所述第一混合溶液和第二混合溶液在36°C下變色，則判定所述水溶液中不含有Pb2+離子。
如果被測陽離子為Cu2+，則所述核酸分子的序列為
5，-CACATTASTGTTGTA-3，禾口 3，-GTGTAATSACAACAT-5，，
所述核酸分子序列中的S為鄰羥基苯甲醛。
判斷所述被檢測水溶液中是否含有Cu2+離子的方法具體為如果所述第一混合 溶液在36°C下變色而所述第二混合溶液在高於36°C下變色，則判定所述水溶液中含有 Cu2+離子；如果所述第一混合溶液和第二混合溶液在36°C下變色，則判定所述水溶液中 不含有Cu2+離子。
如果被測陽離子為Ni2+，則所述核酸分子的序列為
5，-CTTTCTPurPTCCCT_3，禾口 5，-AGGGAPurPAGAAAG_3，，
所述核酸分子序列中的Purp為六吡啶基嘌呤。
判斷所述被檢測水溶液中是否含有Ni2+離子的方法具體為如果所述第一混合 溶液在29°C下變色而所述第二混合溶液在高於^rc下變色，則判定所述水溶液中含有 M2+離子；如果所述第一混合溶液和第二混合溶液在29°C下變色，則判定所述水溶液中 不含有Ni2+離子。
如果被測陽離子為Mn2+或Mn3+，則所述核酸分子的序列為
5' -CGGCCSSSSSSSSSSCGCGC-3，和
3，-GCCGGSSSSSSSSSSGCGCG-5，，
所述核酸分子序列中的S為鄰羥基苯甲醛。
判斷所述被檢測水溶液中是否含有Mn2+或Mn3+離子的方法具體為如果所述第 一混合溶液在下變色而所述第二混合溶液在高於下變色，則判定所述水溶液中 含有Mn2+或Mn3+離子；如果所述第一混合溶液和第二混合溶液在下變色，則判定 所述水溶液中不含有Mn2+或Mn3+離子。
如果被測陽離子為Ag+，則所述核酸分子的序列為
5』 -CACSTTASTGTSGTA-3』 禾口 3』 -GTGSAATSACASCAT-5 『，
所述核酸分子序列中的S為鄰羥基苯甲醛。
判斷所述被檢測水溶液中是否含有Ag+離子的方法具體為如果所述第一混合 溶液在23°C下變色而所述第二混合溶液在高於23°C下變色，則判定所述水溶液中含有 Ag+離子；如果所述第一混合溶液和第二混合溶液在23°C下變色，則判定所述水溶液中 不含有Ag+離子。
在核酸分子耦合在納米金的情況下，所述變色為變為鮮紅色；而在核酸分子耦 合在納米銀的情況下，所述變色為變為橙黃色。
本發明基於納米-核酸共聚物體系，利用核酸與陽離子相互絡合作用而導致體 系熔融溫度升高，使得溶液顏色變化滯後的特性，通過肉眼或簡單的儀器設備判別溶液 顏色的變化，即可快速檢測水溶液體系中的毒性陽離子。本發明請求保護的方法操作簡 單、檢測成本低、檢測靈敏度高。適合於在汙水排水口水質檢測、汙水處理後水質檢 測、生活用水/工業用水檢測、戶外活動緊急用水安全檢測、農牧場人畜飲用水檢測、 養殖漁業水質檢測、取水口水質檢測、湖泊河流水質調查、汙染分布、汙染源追蹤、科 學實驗中的溶液陽離子檢測、農田灌溉、花卉種植用水水質檢測、液態食品/飲料/純 淨水檢測以及公共浴池/遊泳館水質檢測等。只要水溶液體系中毒性陽離子的濃度在 lX10_6mol/L以上，利用該方法均可實現方便、靈敏和快速的檢測。
具體實施方式
在本發明的具體實施方式
中，包括檢測溶液製備實施例及測試實施例。其中檢 測溶液製備實施例給出多個檢測溶液的製備過程及參數，而測試實施例給出多個應用制 備的檢測溶液對水溶液中的陽離子進行檢測的過程及參數。
檢測溶液的製備包括以下幾個步驟
(1)金納米粒子或銀納米粒子的製備；
(2)根據被檢測的陽離子選擇包含特定序列的核酸分子；
(3)利用巰基實現特定序列核酸分子與金納米粒子或銀納米粒子的偶聯；
(4)檢測溶液的配製。
上述步驟中，金納米粒子或銀納米粒子的製備方法已為本領域技術人員所熟 知，在此不再贅述。
本發明中包含特定序列的核酸分子可以從英國的Link Technologies公司或者美國 的 TriLink BioTechnologies 公司等購買。
以下檢測溶液製備實施例將對利用巰基實現特定序列核酸分子與金納米粒子或銀納米粒子的偶聯以及檢測溶液的配製過程進行詳細描述。
檢測溶液製備實施例1
(1)將11.468gN HP04和0.509gNaH2P04溶於500mL超純水中，配製二硫鍵裂 解緩衝液，並以緩衝液為溶劑配製O.lmol/L的二硫蘇糖醇(DTT)溶液lmL。
(2)取步驟(1)中配製的溶液100 μ L加入到5nmol凍幹的核酸分子中，核酸序 列為
5，-CATCTCTTCTCCGAGCCGGTCGAAATAGTGAGT-3，禾口
5，-ACTCACTATrAGGAAGAGATG-3，，
其中rA為腺苷核糖核酸；
用箔紙包裹並在室溫下靜置3h後，對其進行反覆離心和凍幹處理。
(3)取步驟⑵中修飾的核酸分子4hmol加入到ImL濃度為17nmol/L的直徑為 12nm的金納米粒子溶液中，用箔紙包裹並在室溫下攪拌12h;然後將適量磷酸鹽調節緩 衝液，例如可以是0.562g Na2HPO4和0.125gNaH2P04溶於50mL超純水中的緩衝液加入到 金納米粒子溶液中，使磷酸鹽的濃度為9mm0l/L，用箔紙包裹並在室溫下攪拌30min ； 最後將溶液反覆離心並分散在200 μ L洗滌緩衝液，例如可以是lOmmol/L的磷酸鹽緩衝 液和150mmol/L的NaCl溶液混合而成的緩衝液中。
(4)取步驟(3)中製備的特定序列核酸修飾的金納米粒子溶液100 μ L，離心並分 散在500 μ L檢測緩衝液，例如可以是10mmol/L的磷酸鹽溶液、150mmol/L的NaCl溶 液和0.1%的十二烷基磺酸鈉6DS)混合而成的緩衝液中，反覆離心數次；最後將其分散 在適量的檢測緩衝液中，使特定序列核酸修飾的金納米粒子的濃度為lnmol/L，儲存待用。
檢測溶液製備實施例2
其餘步驟與實施例1相同，只將實施例1中的金納米粒子變為銀納米粒子。
檢測溶液製備實施例3
其餘步驟與實施例1相同，只將實施例1中的核酸序列變為
5， -CACATTASTGTTGTA-3，禾口 3， —GTGTAATSACAACAT—5，，
其中S為鄰羥基苯甲醛。
檢測溶液製備實施例4
其餘步驟與實施例3相同，只將實施例3中的金納米粒子變為銀納米粒子。
檢測溶液製備實施例5
其餘步驟與實施例1相同，只將實施例1中的核酸序列變為
5， -CTTTCTPurPTCCCT_3，禾口 5， -AGGGAPurPAGAAAG_3，，
其中Purp為六吡啶基嘌呤。
檢測溶液製備實施例6
其餘步驟與實施例5相同，只將實施例5中的金納米粒子變為銀納米粒子。
檢測溶液製備實施例7
其餘步驟與實施例1相同，只將實施例1中的核酸序列變為
5' -CGGCCSSSSSSSSSSCGCGC-3，禾口
3，-GCCGGSSSSSSSSSSGCGCG-5，，
其中S為鄰羥基苯甲醛。
檢測溶液製備實施例8
其餘步驟與實施例7相同，只將實施例7中的金納米粒子變為銀納米粒子。
檢測溶液製備實施例9
其餘步驟與實施例1相同，只將實施例1中的核酸序列變為
5』 -CACSTTASTGTSGTA-3』 禾口 3』 -GTGSAATSACASCAT-5 『，
其中S為鄰羥基苯甲醛。
檢測溶液製備實施例10
其餘步驟與實施例9相同，只將實施例9中的金納米粒子變為銀納米粒子。
檢測實施例1
首先，準備兩個同樣規格的試管A和B;
然後，向兩試管中分別加入相同且等量的前述製備的包含以下序列的核酸修飾 的金納米粒子以及10mmol/L的磷酸鹽溶液、150mmol/L的NaCl溶液和0.1 %的SDS組 成檢測溶液
5，-CATCTCTTCTCCGAGCCGGTCGAAATAGTGAGT-3，禾口
5，-ACTC ACTATrAGGAAGAGATG-3，
其中rA為腺苷核糖核酸；接著，分別向試管A和B中加入等體積的超純水和待 檢測水樣；
最後，將試管A和B放置在水浴裝置中，調節水浴裝置的升溫速率為1°C / min ；
當水浴溫度升高到36°C時，如果試管A和B中溶液的顏色同時變為鮮紅色，則 判定檢測水樣中不含陽離子Pb2+ ；
如果試管A中溶液的顏色在36°C時變為鮮紅色，而試管B中溶液的顏色在大約 50°C左右時才變為鮮紅色，則判定檢測水樣中含有陽離子Pb2+。
檢測實施例2
其他步驟與實施例1相同，只將實施例1中的由特定序列核酸修飾的金納米粒子 換為由核酸特定序列修飾的銀納米粒子；
當水浴溫度升高到36°C時，如果試管A和B中溶液的顏色同時變為橙黃色，則 判定檢測水樣中不含陽離子Pb2+ ；
如果試管A中溶液的顏色在36°C時變為橙黃色，而試管B中溶液的顏色在大約 50°C左右時才變為橙黃色，則判定檢測水樣中含有陽離子Pb2+。
檢測實施例3
其餘步驟與實施例1相同，只是將核酸序列變為如下序列 5，-CACATTASTGTTGTA-3 『禾口 3，-GTGTAATSACAACAT-5，，
其中S為鄰羥基苯甲醛。當水浴溫度升高到36°C時，如果試管A和B中溶液的 顏色同時變為鮮紅色，則判定檢測水樣中不含陽離子Cu2+ ；
如果試管A中溶液的顏色在36°C時變為鮮紅色，而試管B中溶液的顏色在大約 71°C左右時才變為鮮紅色，則判定檢測水樣中含有陽離子Cu2+。
檢測實施例4
其他步驟與實施例3相同，只將實施例3中的由特定序列核酸修飾的金納米粒子 換為由核酸特定序列修飾的銀納米粒子；
當水浴溫度升高到36°C時，如果試管A和B中溶液的顏色同時變為橙黃色，則 判定檢測水樣中不含陽離子Cu2+ ；
如果試管A中溶液的顏色在36°C時變為橙黃色，而試管B中溶液的顏色在大約 71°C左右時才變為橙黃色，則判定檢測水樣中含有陽離子Cu2+。
檢測實施例5
其餘步驟與實施例1相同，只是將核酸序列變為如下序列
5， -CTTTCTPurPTCCCT_3，禾口 5， -AGGGAPurPAGAAAG_3，，
其中Purp為六吡啶基嘌呤。
當水浴溫度升高到時，如果試管A和B中溶液的顏色同時變為鮮紅色，則 判定檢測水樣中不含陽離子Ni2+ ；
如果試管A中溶液的顏色在時變為鮮紅色，而試管B中溶液的顏色在大約 46°C左右時才變為鮮紅色，則判定檢測水樣中含有陽離子Ni2+。
檢測實施例6
其他步驟與實施例5相同，只將實施例5中的由特定序列核酸修飾的金納米粒子 換為由特定序列核酸修飾的銀納米粒子；
當水浴溫度升高到^TC時，如果試管A和B中溶液的顏色同時變為橙黃色，則 判定檢測水樣中不含陽離子Ni2+ ；
如果試管A中溶液的顏色在時變為橙黃色，而試管B中溶液的顏色在大約 46°C左右時才變為橙黃色，則判定檢測水樣中含有陽離子Ni2+。
檢測實施例7
其餘步驟與實施例1相同，只是將核酸序列變為如下序列
5' -CGGCCSSSSSSSSSSCGCGC-3，禾口
3，-GCCGGSSSSSSSSSSGCGCG-5，，
其中S為鄰羥基苯甲醛。
當水浴溫度升高到時，如果試管A和B中溶液的顏色同時變為鮮紅色，則 判定檢測水樣中不含陽離子Mn2+或Mn3+ ；
如果試管A中溶液的顏色在時變為鮮紅色，而試管B中溶液的顏色在大約 69°C左右時才變為鮮紅色，則判定檢測水樣中含有陽離子Mn2+或Mn3+。
檢測實施例8
其他步驟與實施例7相同，只將實施例7中的由特定序列核酸修飾的金納米粒子 換為由特定序列核酸修飾的銀納米粒子；
當水浴溫度升高到時，如果試管A和B中溶液的顏色同時變為橙黃色，則 判定檢測水樣中不含陽離子Mn2+或Mn3+ ；
如果試管A中溶液的顏色在時變為橙黃色，而試管B中溶液的顏色在大約 69°C左右時才變為橙黃色，則判定檢測水樣中含有陽離子Mn2+或Mn3+。
檢測實施例9
其餘步驟與實施例1相同，只是將核酸序列變為如下序列
5，-CACSTTASTGTSGTA-3，禾口 3，-GTGSAATSACASCAT-5 『，
其中S為鄰羥基苯甲醛。
當水浴溫度升高到23°C時，如果試管A和B中溶液的顏色同時變為鮮紅色，則 判定檢測水樣中不含陽離子Ag+ ；
如果試管A中溶液的顏色在23°C時變為鮮紅色，而試管B中溶液的顏色在大約 45°C左右時才變為鮮紅色，則判定檢測水樣中含有陽離子Ag+。
檢測實施例10
其他步驟與實施例9相同，只將實施例9中的由特定序列核酸修飾的金納米粒子 換為由特定序列核酸修飾的銀納米粒子；
當水浴溫度升高到23°C時，如果試管A和B中溶液的顏色同時變為橙黃色，則 判定檢測水樣中不含陽離子Ag+ ；
如果試管A中溶液的顏色在23°C時變為橙黃色，而試管B中溶液的顏色在大約 45°C左右時才變為橙黃色，則判定檢測水樣中含有陽離子Ag+。
本發明雖然以較佳實施例公開如上，但其並不是用來限定權利要求，任何本領 域技術人員在不脫離本發明的精神和範圍內，都可以做出可能的變動和修改，因此本發 明的保護範圍應當以本發明權利要求所界定的範圍為準。
權利要求
1.水溶液中陽離子的檢測方法，其特徵在於，包括步驟提供兩份相同且等量的含有耦合有核酸分子的納米金或納米銀的檢測溶液； 將等體積的不含所述陽離子的水和被檢測水溶液分別加入所述兩份檢測溶液中，形 成相應的第一混合溶液和第二混合溶液；分別對所述第一混合溶液和第二混合溶液進行升溫；如果所述第一混合溶液和第二混合溶液在不同溫度下變色，則判定所述水溶液中含 有被測陽離子；如果所述第一混合溶液和第二混合溶液在相同溫度下變色，則判定所述水溶液中不 含有被測陽離子。
2.如權利要求1所述的水溶液中陽離子的檢測方法，其特徵在於被測陽離子為 Pb2+，所述核酸分子的序列為5' -CATCTCTTCTCCGAGCCGGTCGAAATAGTGAGT-3,禾口 5，-ACTCACTATrAGGAAGAGATG-3，，所述核酸分子序列中的rA為腺苷核糖核酸。
3.如權利要求1所述的水溶液中陽離子的檢測方法，其特徵在於被測陽離子為 Cu2+，所述核酸分子的序列為5，-CAC ATTASTGTTGTA-3 『禾口 3，-GTGTAATSACAACAT-5 『，所述核酸分子序列中的S為鄰羥基苯甲醛。
4.如權利要求1所述的水溶液中陽離子的檢測方法，其特徵在於被測陽離子為 Ni2+，所述核酸分子的序列為5， -CTTTCTPurPTCCCT-3 『禾口 5，-AGGGAPurPAGAAAG-3 『， 所述核酸分子序列中的Purp為六吡啶基嘌呤。
5.如權利要求1所述的水溶液中陽離子的檢測方法，其特徵在於被測陽離子為 Mn2+或Mn3+，所述核酸分子的序列為5，-CGGCCSSSSSSSSSSCGCGC-3，禾口 3，-GCCGGSSSSSSSSSSGCGCG-5，，所述核酸分子序列中的S為鄰羥基苯甲醛。
6.如權利要求1所述的水溶液中陽離子的檢測方法，其特徵在於被測陽離子為 Ag+，所述核酸分子的序列為5' -CACSTTASTGTSGTA-3『禾口 3』 -GTGSAATSACASCAT-5『，所述核酸分子序列中的S為鄰羥基苯甲醛。
7.如權利要求1至6中任一項所述的水溶液中陽離子的檢測方法，其特徵在於所述 核酸分子耦合於納米金，所述變色為變為鮮紅色。
8.如權利要求1至6中任一項所述的水溶液中陽離子的檢測方法，其特徵在於所述 核酸分子耦合於納米銀，所述變色為變為橙黃色。
全文摘要
本發明涉及水溶液中陽離子的檢測方法，基於納米-核酸共聚物體系，利用核酸與陽離子相互絡合作用而導致體系熔融溫度升高，使得溶液顏色變化滯後的特性，通過肉眼或簡單的儀器設備判別溶液顏色的變化，即可快速檢測水溶液體系中的毒性陽離子。
文檔編號C12Q1/68GK102021229SQ200910152440
公開日2011年4月20日 申請日期2009年9月14日 優先權日2009年9月14日
發明者吳愛國, 曾樂勇 申請人:中國科學院寧波材料技術與工程研究所