溶液中痕量鎳離子高靈敏選擇性檢測的過濾比色分析方法

2023-08-01 07:26:46 1

專利名稱：溶液中痕量鎳離子高靈敏選擇性檢測的過濾比色分析方法
技術領域：
本發明涉及比色方法，具體地說是一種溶液中痕量鎳離子高靈敏選擇性檢測的過濾比色分析方法。
背景技術：
鎳，因其優良的機械強度，較好的延展性，超強的記憶本領，以及穩定的化學性質而被廣泛應用於鋼鐵、冶金、油漆、國防、電子、化學以及陶瓷等工業，給生產帶來了革命性的變革。各種鎳的汙染也隨之流失到環境中，給人們的生活帶來威脅。鎳雖是人體生命活動所必須的金屬元素，每人每天可能的鎳需要量為25 35 μ g，鎳在體內參與酶的組成與代謝，能促進胰島素分泌，降低血糖。然而，過量的鎳對人體造成的危害確是不容忽視的。過量鎳的攝入可導致心肌、腦部、肝肺以及腎功能的性變，甚至引發癌症。因此，在工業分析、 環境檢測、藥物篩選及生命科學各領域均需要對鎳的含量進行測定。我國在新的《生活飲用水衛生標準》中對日常飲用水中鎳離子的含量進行了明確規定，不可超出20ng/L，相應的 《汙水綜合排放標準》中，更是嚴格限制汙水中鎳離子的排放不可超過lmg/L。國際上目前廣泛採用的鎳離子定性定量檢測技術包括分光光度法、原子吸收光譜法、電感耦合等離子體發射光譜法、電感耦合等離子體質譜法、陽極溶出伏安法、等離子體感應光譜法等。這些方法能夠成功檢測水中痕量鎳離子汙染物，但普遍成本較高，需要大型儀器和熟練的操作人員，且一般在現場採樣，然後送到實驗室進行離線分析，存在耗時，分析步驟複雜，分析儀器昂貴，採樣頻率低以及樣品不易保存等缺點。在有些情況下，需要及時知道環境汙染情形，以便迅速制定相應的處理對策；並且具有多種形態的重金屬離子，其各化學形態之間往往處於動態平衡，繁瑣的樣品前處理(預分離、富集、衍生等)也會導致不同化學形態的重新分配，從而大大影響測定結果。面對這些難題，最理想的解決方法就是原位實時檢測。目前市面上也有一些商品化的鎳離子檢測試紙，有些採取浸潤含指示劑的有機溶液並晾乾製得，未充分考慮指示劑的固定，導致試紙易脫色；另一些採用在製造試紙過程中將指示劑與紙漿混合進行製備，製作過程繁瑣，且檢測靈敏度不甚理想。

發明內容
本發明的目的在於提供一種溶液中痕量鎳離子高靈敏選擇性檢測的過濾比色分析方法。為實現上述目的，本發明採用的技術方案為製備沉澱反應溶液，具體按如下過程製備1)指示劑溶液的製備將丁二酮肟，環己二酮肟，二甲酚橙，或雙硫腙等指示劑按照0. 1-lOmg/mL的濃度溶於PH = 6-8的水溶液中。2)鎳標準溶液的製備
採用娃哈哈飲用純淨水，將分析純氯化鎳按照最小200nM的濃度梯度差配製 50ηΜ-20 μ M的系列鎳離子標準溶液。3)沉澱反應將0. I-IOmL上述①中的指示劑溶液加入到②的鎳標準溶液中，充分混勻後靜置 ^ 10分鐘，得懸浮分散有紅色沉澱的溶液。所述微孔纖維素膜在鎳離子檢測中的應用，採用比色法測定，流通池的設計流通池包括上方腔體、下方腔體、微孔纖維素酯膜，於下方腔體底部設置有透明玻璃視窗，上方腔體扣合於下方腔體上，微孔纖維素酯膜設置於上方腔體和下方腔體之間，並於上方腔體和下方腔體上分別設有出樣口和進樣口 ；通過微孔纖維素酯膜過濾溶液中生成的沉澱；採用CCD、數位相機或掃描儀等彩色成像設備提取微孔纖維素膜過濾沉澱前後的顏色，通過Photoshop 等軟體對膜過濾前後產生的顏色進行數位化處理，得到指示劑反應前後圖像對應的RGB值，將反應後圖像的RGB值減去反應前圖像的RGB值，提取「差減圖像」 的AR，八6，和ΔB值，然後濾除AR和ΔB，僅提取ΔG的值，與相對應的鎳離子標準溶液濃度構建標準濃度曲線，用於對未知濃度鎳溶液的分析。具體操作過程為，1)標準比色卡的製備首先配製濃度從50ηΜ-20 μ M的一系列的鎳離子標準溶液， 根據檢測精度要求，系列標準溶液間的濃度梯度差最小為200-1000ηΜ ；將10-1000微升含0. 1-lmg/mL鎳離子指示劑的溶液加入到50-100mL上述配製的不同濃度梯度鎳標準溶液中，靜置> 10分鐘後，採用蠕動泵將溶液泵入流通池，過濾溶液中生成的沉澱；每次檢測更換新的微孔纖維素酯膜；將過濾後膜上的顏色按其對應的鎳離子標準溶液濃度製成標準比色卡；提取膜顏色變化前後的紅、綠、藍(RGB)值進行差減，得到變化圖像的AR，AG, ΔΒ值；濾去AR與ΔΒ值，將AG值對與之對應的鎳標準溶液濃度做曲線，得到鎳離子標準濃度曲線圖；2)樣品溶液比色檢測用帶有0. 45士0. 2 μ m微孔濾膜過濾頭的注射器吸取50_100mL待測樣品，以除去樣品中大顆粒或絮狀雜質；移除過濾頭，將溶液轉移到燒杯中；用0. 01-0. 5M稀鹽酸或氫氧化鈉溶液調節過濾後樣品溶液的PH值為6-8。取50-100mL上述溶液，加入含0. 1-lOmg/mL鎳離子指示劑的溶液，經過彡10分鐘
後，溶液趨於穩定；採用蠕動泵將溶液泵人流通池，過濾溶液中生成的沉澱；將過濾後膜上的顏色與標準比色卡比對，得出大致濃度。提取膜顏色變化前後的紅、綠、藍(RGB)值進行差減，得到變化圖像的八R，AG, ΔΒ值。濾去八R與ΔΒ值，將ΔG值代入鎳標準溶液曲線中，求得與之相對應的準確待測鎳溶液濃度。本發明具有如下優點1.該方法通過對鎳離子與指示劑生成分散懸浮於溶液中的沉澱進行過濾，對過濾出的沉澱顏色進行比色，通過彩色數碼設備採集圖像，將其數位化。將直觀的顏色數位化後，使得定量測定成為可能，同時也進一步提升了靈敏度，微小的肉眼難以看見的顏色變化可以通過數位化後的差值更直觀的顯現出來。2.溶液中的直接沉澱反應，無需將指示劑固定在膜上，解決了膜的使用壽命問題， 大大增強了方法的可操控性。3.單一通道Δ G值的提取有效過濾了紅藍兩通道上的幹擾，提取沉澱顏色的特徵光譜波段，使該方法具有非常好的選擇性。4.標準濃度曲線的建立，使得對未知樣品濃度的精確定量成為可能；排除了單一依靠比色卡，肉眼估計近似濃度的缺陷。


圖1為流通池單元的結構示意圖；圖2為標準比色卡以及標準濃度曲線。圖3 為各種共存離子(12 種金屬離子Pb2+，Hg2+，Cd2+，CrO42", Zn2+, Cu2+，Co2+，Fe3+, K+，Na+，Ca2+，Mg2+;6 種陰離子S042_，N03_，N02_，F_，Ac_，C032_)幹擾情況下，鎳離子溶液(5 μ M) 經該方法比色測定後的綠色通道AG值。相對於沒有共存離子幹擾情況，小於6%的相對偏差證實了該方法極好的選擇性。(白色柱為各種幹擾金屬離子與鎳指示劑反應後採取同樣方法得到的綠色通道AG值)
具體實施例方式標準比色卡以及標準濃度曲線的建立1)指示劑溶液的製備將環己二酮肟按照0. 8mg/mL的濃度溶於pH = 7的水溶液中。2)鎳標準溶液的製備採用娃哈哈飲用純淨水，將氯化鎳按照最小200nM的濃度梯度差配製50ηΜ_20 μ M 的系列鎳離子標準溶液。3)沉澱反應將ImL上述①中的指示劑溶液加入到②的鎳標準溶液中，充分混勻後靜置10分鐘，得懸浮分散有紅色沉澱的溶液。如圖1所示，樣品溶液經蠕動泵泵入有機玻璃底座102的流通池下方腔體202後， 在蠕動泵的壓力下，透過微孔纖維素酯膜301，經有機玻璃底座101的流通池上方腔體201 後流出。流通池底部為透明玻璃視窗401，成像系統經由溶液透過膜的方向取像。將該溶液通過蠕動泵泵入流通池，溶液經蠕動泵泵入有機玻璃底座的流通池下方腔體後，在蠕動泵壓力下，透過硝酸醋酸混合纖維素酯膜，經流通池上方腔體後流出。沉澱則被硝酸醋酸混合纖維素酯膜有效地過濾出來，形成均一的紅色薄膜附著在硝酸醋酸混合纖維素酯膜上。每次檢測更換新的微孔纖維素酯膜；採用CCD、數位相機或掃描儀等彩色成像設備提取硝酸醋酸混合纖維素酯膜過濾沉澱前後的顏色，如圖2所示，將過濾後膜上的顏色按其對應的鎳離子標準溶液濃度製成標準比色卡；通過Wiotoshop 等軟體對膜過濾前後產生的顏色進行數位化處理，得到指示劑反應前後圖像對應的RGB值，將反應後圖像的RGB值減去反應前圖像的RGB值，提取「差減圖像」的AR，AG，和ΔΒ值，然後濾去AR和ΔΒ，僅提取Δ G的值，如圖2所示，與相應的鎳離子標準溶液濃度構建標準濃度曲線，用於對未知濃度鎳溶液的分析。4)比色讀取用帶有0. 45 μ m微孔濾膜過濾頭的注射器吸取50mL含有鎳離子的待測樣品，以除去樣品中的大顆粒或絮狀雜質；移除過濾頭，將溶液轉移到燒杯中。加入ImL的0. 8mg/mL 指示劑溶液到濾去雜質後的鎳離子樣品溶液中，靜置10分鐘。將硝酸醋酸混合纖維素酯膜裝配於流通池中，將靜置反應後的樣品溶液經蠕動泵勻速泵入流通池(3mL/min)，通過數位相機或掃描儀採集5分鐘後硝酸醋酸混合纖維素酯膜的顏色變化。與標準比色卡對照，讀取近似的濃度值。提取膜顏色變化前後的紅綠藍(RGB)值進行差減，得到變化圖像的AR， AG, ΔΒ值。將AG值代入鎳標準溶液曲線中，求得與之對應的待測鎳溶液精確濃度。
權利要求
1.溶液中痕量鎳離子高靈敏選擇性檢測的過濾比色分析方法，採用比色法測定，包括沉澱的生成，沉澱的過濾，顏色的提取，以及紅、綠、藍(RGB)三個通道中綠色通道的比對， 其特徵在於1)向含有痕量鎳離子的樣品溶液中加入0.1-lOmg/mL鎳離子指示劑，紅色沉澱緩慢生成，經過> 10分鐘後，溶液趨於穩定；2)將懸浮分散有紅色沉澱的溶液經由蠕動泵泵入流通池，流通池包括上方腔體、下方腔體、微孔纖維素酯膜，於下方腔體底部設置有透明玻璃視窗，上方腔體扣合於下方腔體上，微孔纖維素酯膜設置於上方腔體和下方腔體之間，並於上方腔體和下方腔體上分別設有出樣口和進樣口 ；通過微孔纖維素酯膜過濾溶液中生成的沉澱；3)於流通池底部的玻璃視窗處設有彩色成像設備，彩色成像設備採集微孔纖維素酯膜過濾沉澱前後的顏色變化，提取沉澱過濾前後圖像，與標準比色卡比對，得出鎳大致濃度範圍；提取圖像的紅、綠、藍(RGB)值，然後過濾掉紅藍通道後，取綠色通道值與綠色通道標準曲線比對，得出鎳的準確濃度。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於具體操作過程為，1)標準比色卡的製備首先配製濃度從50ηΜ-20μ M的一系列鎳離子標準溶液，根據檢測精度要求，系列標準溶液間的濃度梯度差最小為200-1000ηΜ ；將10-1000微升含有0. 1-lOmg/mL鎳離子指示劑的溶液加入到50_100mL上述配製的不同濃度梯度鎳標準溶液中，靜置> 10分鐘後，採用蠕動泵將溶液泵入流通池，過濾溶液中生成的沉澱；每次檢測更換新的微孔纖維素酯膜；將過濾掉沉澱後彩色成像設備採集的膜上顏色按其對應的鎳離子標準溶液濃度製成標準比色卡；提取膜顏色變化前後的紅、綠、藍(RGB)值進行差減，得到變化圖像的AR，AG，ΔΒ值； 濾去AR與ΔΒ值，將AG值對與之對應的鎳標準溶液濃度做曲線，得到鎳離子標準濃度曲線圖；2)樣品溶液比色檢測用帶有0.45士0.2 μ m微孔濾膜過濾頭的注射器吸取50_100mL 待測樣品，以除去樣品中大顆粒或絮狀雜質；移除過濾頭；將濾去雜質後的樣品溶液轉移到燒杯中，用0. 01-0. 5M稀鹽酸或氫氧化鈉溶液調節過濾後樣品溶液的pH值為6-8 ；取50-100mL上述溶液，加入含0. Ι-lOmg/mL鎳離子指示劑的溶液，經過彡10分鐘後， 溶液趨於穩定；採用蠕動泵將溶液泵人流通池，過濾溶液中生成的沉澱；將過濾後膜上的顏色與標準比色卡比對，得出大致濃度。提取膜顏色變化前後的紅、綠、藍(RGB)值進行差減，得到變化圖像的八R，AG, ΔΒ值。濾去AR與ΔΒ值，將Δ G值代入鎳標準溶液曲線中，求得與之相對應的準確待測鎳溶液濃度。
3.根據權利要求1或2所述的方法，其特徵在於所述彩色成像設備為CCD、數位相機或掃描儀。
4.根據權利要求1或2所述的方法，其特徵在於在樣品測試過程後，提取微孔纖維素酯膜過濾沉澱前後的圖像，選定均一的特定區域， 求得其對應的色彩平均RGB值，將直觀的圖像數位化，並進行差減；所生成的紅色沉澱的顏色能夠通過數位化的形式反映出來，為定量分析提供依據。
5.根據權利要求1或2所述的方法，其特徵在於所述鎳離子指示劑為丁二酮肟、環己二酮肟、二甲酚橙、或雙硫腙。
6.根據權利要求1或2所述的方法，其特徵在於所述微孔纖維素酯膜為醋酸纖維素膜，硝酸纖維素膜或醋酸硝酸混合纖維素酯膜；孔徑Φ = 0.45士0.2μπι。
全文摘要
本發明涉及比色分析，是一種溶液中痕量鎳高靈敏選擇性檢測的過濾比色分析方法鎳離子指示劑與含有痕量鎳離子的溶液反應，產生懸浮分散於溶液中的沉澱，通過蠕動泵將含有該沉澱的溶液泵入流通池中，溶液通過夾在流通池中間的微孔膜後被過濾出來。採用電子成像設備捕捉沉澱過濾出來前後膜的顏色。提取膜顏色變化前後圖像的紅、綠、藍(RGB)三個通道中的綠色通道變化值，構建鎳離子與之相對應的濃度梯度標準曲線。在樣品測試過程中，將所得樣品的綠色通道變化值與曲線中的值比對，從而對未知樣品中的鎳離子進行定量的選擇性分析。該方法可檢測低至nM級的鎳離子濃度，並可有效排除多達18種離子共存幹擾，具有極高的選擇性。
文檔編號G01N21/82GK102478526SQ201010563769
公開日2012年5月30日 申請日期2010年11月29日 優先權日2010年11月29日
發明者關亞風, 馮亮, 張玥, 沈錚 申請人:中國科學院大連化學物理研究所