金包銀納米比色傳感器製備方法及其檢測鈷離子的方法與流程
2023-06-19 09:31:36 2
本發明涉及鈷離子檢測的技術領域，具體涉及一種金包銀納米比色傳感器的製備方法及其檢測鈷離子的方法。
背景技術：
鈷是人體必需的微量元素之一，在體內的主要儲存部位是骨髓中，其生理功能在於它能刺激造血系統加速造血並參與造血過程，促進腸道對鐵的吸收；並對蛋白質的新陳代謝有一定作用；還可促進部分酶的合成，並有助於增強其活性。人體缺鈷可出現紅細胞數減少，導致巨細胞性貧血。儘管鈷是一種重要的元素，在含量較高的情況下，它仍會在人體中導致一些毒性效應，如食欲不振、血管舒張，貧血和心肌病等。因此，有必要開發一個敏感性好且簡單、快速的方法來監測微量鈷水平。
目前各種各樣的分析方法都已經應用到鈷離子的檢測中，常用的標準方法主要有：原子吸收光譜法、電感耦合等離子體質譜法、電化學分析法、紫外可見分光光度法、螢光光譜法。但是，這些方法價格高昂，需要大量的樣品預處理，使得現場和實時監控鈷離子變得困難。因此，需要開發一個簡單、快速、敏感的方法實時、現場監測不同的鈷樣本。
技術實現要素：
本發明所要解決的技術問題是，克服現有技術的不足，提供一種金包銀納米比色傳感器製備方法及其檢測鈷離子的方法。
本發明解決其技術問題採用的技術方案是，
本發明之金包銀納米比色傳感器製備方法，包括以下步驟：
（1）將超純水加入恆溫磁力攪拌器的三口燒瓶中，在105～120℃油浴環境下，加熱沸騰5～10 min，然後加入氯金酸溶液和硝酸銀溶液，使氯金酸與硝酸銀的摩爾比為1:11.8～12.5，繼續加熱攪拌5～10min；再加入檸檬酸鈉溶液，使氯金酸與檸檬酸鈉的摩爾比為1:28.5～30.5，加熱攪拌1～2h，至溶液呈黃色；停止加熱，繼續攪拌至室溫，即得到金包銀溶液，避光4～6℃保存備用；
所得金包銀溶液中含有金包銀顆粒；
所述超純水，作為溶劑加入，其加入量並沒有嚴格限制，一般其加入量相當於氯金酸溶液體積的80－150倍。
（2）向步驟（1）中製備得到的金包銀溶液中加入甘氨酸-氫氧化鈉溶液，使pH=9～10，置於20～25℃恆溫振蕩器內搖動5 min～10 min，即得到甘氨酸穩定的金包銀納米比色傳感器，避光4～6℃保存備用。其中，金包銀溶液中的金包銀顆粒與甘氨酸-氫氧化鈉溶液中的甘氨酸的摩爾比為1:200～1000。
進一步地，步驟（1）中，所述金包銀溶液顏色為黃色。
再進一步地，步驟（1）中，所述氯金酸溶液的摩爾濃度為20～50 mmol/L。所述硝酸銀溶液摩爾濃度為0.1～0.2 mol/L。所述檸檬酸鈉溶液的摩爾濃度為0.3～0.5 mol/L。步驟（2）中，所述甘氨酸-氫氧化鈉溶液的摩爾濃度為0.1～0.2 mol/L。
本發明之金包銀納米比色傳感器檢測鈷離子的方法，即甘氨酸穩定的金包銀納米比色傳感器檢測鈷離子的方法，包括以下步驟：
取離心管，往每個離心管中依次加入900～950 μL超純水、30～50μL待測溶液、10～20 μL 0.1～0.3 mol/L的乙二胺溶液、15～25 μL 50～100 mmol/L的硫代硫酸鈉溶液、1～3 mL 所製備的甘氨酸穩定的金包銀納米比色傳感器，置於20～25℃恆溫振蕩器內搖動10min～30min，觀察反應溶液顏色變化或者檢測溶液的UV-Vis光譜變化，定性定量分析鈷離子的存在或含量。
在上述方案中，所述反應溶液顏色由黃色變成淡綠色，且溶液有團聚現象，則待測樣品溶液中含有鈷離子，若所述溶液顏色沒有發生變化，且仍保持均勻分散的膠體溶液，說明待測樣品溶液中沒有鈷離子；若需要定量分析，檢測混合溶液中UV-Vis光譜變化，確定溶液中鈷離子的濃度。
在上述技術方案中，所述定量分析中，建立標準曲線進行定量檢測，包括以下步驟：
（1）配製不同濃度的鈷離子超純水溶液，其中，鈷離子的濃度分別為：0、0.05、0.1、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2 μmol/L；
（2）取9個離心管，往每個離心管中依次加入935 μL超純水、30μL不同濃度的鈷離子超純水溶液、15 μL 0.2mol/L的乙二胺溶液、20 μL 50 mmol/L的硫代硫酸鈉溶液、1mL 上述製備的甘氨酸穩定的金包銀納米比色傳感器，置於20℃恆溫振蕩器內搖動20 min，用紫外可見吸收光譜測定溶液的吸收光譜，以加鈷離子混合溶液的最大吸收峰的吸光度值為縱坐標，鈷離子濃度值為橫坐標繪製標準曲線（見附圖1），得出吸光度與濃度變化關係y=（-0.6585）*exp(-x/0.36156)+0.71298，相關係數R2為0.98937，可用於鈷離子的定量檢測。可根據待測樣品溶液中UV-Vis光譜變化，確定溶液中鈷離子的濃度。
在上述技術方案中，所述金包銀納米比色傳感器檢測鈷離子溶液的檢測範圍為：0.05～1.2 μmol/L。
本發明的設計原理和理論基礎：
（1）金包銀納米顆粒除了具備納米微粒所具有的小尺度、高比表面積等性質之外，還具有獨特的光學、電學和生物相容性。如金、銀納米粒子表面非常容易進行化學和生物分子的修飾，並具備很好的生物相容性，使其非常適合於體內體外生物檢測；金和銀均具有典型的表面等離子共振效應，通過金或銀納米粒子與檢測分子之間的物理或化學作用，可使檢測分子的表面等離子共振信號異常改變等等。
（2）膠體金包銀溶液的顏色很大程度上取決於顆粒間的距離，當顆粒間的距離顯著大於平均顆粒直徑時，溶液顯黃色；而當顆粒間距小於平均顆粒直徑時，溶液變為淡綠色。
（3）在金包銀納米顆粒溶液中加入的硫代硫酸鈉，其中帶負電的S2O32-吸附在金包銀納米顆粒的表面以確保金包銀納米顆粒的穩定，即使在高濃度的溶液中也保持穩定。帶負電的S2O32-的吸附也阻止了乙二胺（縮寫為en）中的氨基組吸附在金包銀納米表面，防止金包銀納米顆粒發生聚合。但是，當鈷離子加入之後這個平衡就會被打破。鈷離子在水中先和乙二胺反應形成的複合物Co(en)32+，隨著氧氣的溶解被氧化成Co(en)33+。然後Co(en)33+通過侵蝕S2O32-配體而吸附在金包銀納米顆粒的表面，在金包銀納米顆粒的表面形成帶正電荷的(en)2CoS2O3+，減少金包銀納米顆粒的表面電荷，誘導其聚合。這個過程伴隨著光譜和顏色變化。附圖3很好的解釋了上述所說的傳感機制，有效的證明了金包銀納米顆粒能夠作為比色傳感器。
（4）選擇性測試：
取9個離心管，往每個離心管中依次加入935 μL超純水、30μL的金屬離子溶液（以下中的一種：1.0 μmol/L氯化鈷，5.0 μmol/L氯化銅，100 μmol/L 硝酸銀、氯化鋇、氯化鐵、氯化鉀、硝酸錳、硝酸鉛、硝酸鋅）、15 μL 0.2mol/L 乙二胺、20 μL 50 mmol/L硫代硫酸鈉溶液、1mL 上述製備甘氨酸穩定的金包銀納米比色傳感器，置於20℃恆溫振蕩器內搖動20 min，然後檢測溶液的UV-Vis光譜，觀察並比較之間的區別，參見附圖4。
如圖4所示，通過反應後的圖像可以很明顯的看出只有Co2+才有顯著的響應，通過紫外光譜的掃描並對其比值進行測算也確實只有Co2+才有顯著的響應。事實上，Ag+、Ba2+、Cu2+、Fe3+、K+、Mn2+、Pb2+和Zn2+與en不能形成複合物，因此它們不能誘導金包銀納米顆粒的聚合。另一方面，即使Ag+、Ba2+、Cu2+、Fe3+、K+、Mn2+、Pb2+和Zn2+與en能形成複合物，但是其與en形成的穩定常數遠遠小於Co2+。因此可以證明該傳感器對鈷離子具有良好的選擇性。
本發明的有益效果在於：
（1）本發明製備的甘氨酸穩定的金包銀納米比色傳感器具有操作簡單、耗能低、快速且可視化等優點，適合於鈷離子的實時檢測。
（2）本發明中鈷離子誘導金包銀納米顆粒發生聚合，使得溶液顏色發生從黃色到淡綠色的明顯變化，因此可到達肉眼檢測鈷離子的目的。
附圖說明
圖1為不同濃度鈷離子中加入甘氨酸穩定的金包銀納米比色傳感器溶液中，UV-Vis光譜圖的最大吸收峰的吸光度值同鈷離子濃度之間的變化關係的標準曲線；
圖2為不同濃度鈷離子中加入甘氨酸穩定的金包銀納米比色傳感器，溶液的UV-Vis變化光譜圖；
圖3 為金包銀納米比色傳感器檢測鈷離子的原理圖；
圖4為不同金屬離子中加入甘氨酸穩定的金包銀納米比色傳感器，UV-Vis變化光譜圖。
具體實施方式
為了更好的解釋本發明，以下結合具體實施例進一步闡明本發明的主要內容，但本發明的內容不僅僅局限於以下實施例。
實施例1
本實施例之金包銀納米比色傳感器製備方法，包括以下步驟：
（1）將94 mL超純水加入恆溫磁力攪拌器的三口燒瓶中，在105℃的油浴環境下，加熱沸騰5min，然後加入1 mL 24.28 mmol/L的氯金酸溶液和3 mL 0.1 mol/L的硝酸銀溶液，使氯金酸與硝酸銀的摩爾比為1:12.36，繼續加熱攪拌10 min；再加入2 mL 0.35 mol/L檸檬酸鈉溶液，使氯金酸與檸檬酸鈉的摩爾比為1:28.83，加熱攪拌1 h，至溶液呈黃色；停止加熱，繼續攪拌至溫度冷卻到室溫，即得到金包銀溶液，避光4℃保存備用；
所得金包銀溶液中含有金包銀顆粒；所述金包銀溶液顏色為黃色；
（2）取30 mL步驟（1）中製備得到的金包銀溶液，加入70mL 0.1 mol/L的甘氨酸-氫氧化鈉溶液，使pH=9～10，置於20℃恆溫振蕩器內搖動5 min，即得到甘氨酸穩定的金包銀納米比色傳感器，避光4℃保存備用。其中，金包銀溶液中的金包銀顆粒與甘氨酸-氫氧化鈉溶液中的甘氨酸的摩爾比為1:600。
本實施之金包銀納米比色傳感器檢測鈷離子的方法，即甘氨酸穩定的金包銀納米比色傳感器檢測鈷離子的方法，包括以下步驟：
取5 mL的離心管，依次加入935 μL超純水、30μL待測樣品、15 μL 0.2mol/L的 乙二胺、20 μL 50 mmol/L的硫代硫酸鈉溶液、1mL 上述製備甘氨酸穩定的金包銀納米比色傳感器，置於20℃恆溫振蕩器內搖動20 min，若待測樣品溶液中沒有鈷離子或鈷離子的濃度＜0.05 μmol/L，則混合溶液沒有顏色變化，若待測溶液中鈷離子的濃度≥0.05 μmol/L，則顏色由黃色變綠色，則可以半定量檢測鈷離子濃度，若需要定量分析，檢測混合溶液中UV-Vis光譜變化，並結合附圖1的標準曲線，來確定溶液中鈷離子的濃度。