一种基于荧光比色和微流控技术的铅离子快速检测方法技术

本发明专利技术属于水产品中重金属安全检测技术领域，具体涉及一种基于荧光比色和微流控技术的铅离子快速检测方法；具体步骤为：荧光探针碳量子点‑铜纳米簇溶液的制备、微控流芯片的制备、图像采集平台的搭建，通过暗箱图像采集装置用于采集微流控芯片荧光颜色图像、荧光信息的获取、定量模型的构建和实际样品的检测；本发明专利技术将碳量子点‑铜纳米簇纳米复合体系与微流控技术相结合，制备微流控芯片，降低了试剂和样品消耗，大大节约了检测成本，提高了铅离子含量的检测效率；本发明专利技术首次将荧光比色、微流控芯片技术和数字图像处理技术相结合，实现水产品中铅离子的快速可视化检测，相比于其他快速检测手段，具有检测准确度高，稳定性强等优点。

A Rapid Detection Method of Lead Ion Based on Fluorescence Colorimetry and Microfluidic Technology

【技术实现步骤摘要】
一种基于荧光比色和微流控技术的铅离子快速检测方法
本专利技术属于水产品中重金属安全检测
，具体涉及一种基于荧光比色和微流控技术的铅离子快速检测方法。
技术介绍
随着社会经济的快速发展，重金属元素被广泛地应用于生产生活中的各个领域，如电子制造、农业和冶金业等。由于重金属元素降解困难，容易在环境中积累并导致生态环境破坏。在自然水体中，重金属元素会通过生物富集作用被水生生物吸收积累，并通过食物链由人体摄入。研究表明，长期摄入过量的重金属会损害肝脏、肾脏和神经系统，危害人体健康。铅离子(铅离子)是水产品中的一种典型重金属污染物，由其造成的重金属污染事件时有发生。目前，铅离子的检测方法主要有原子吸收光谱法(AAS)、电感耦合等离子质谱法(ICP-MS)、电化学法等，这些方法检测灵敏度高，结果准确，但是检测过程繁琐、操作复杂且仪器设备昂贵，需要在实验室条件下进行，难以满足现场快速检测和日常检测的需求。鉴于铅离子对人体造成的危害，以及现有检测方法的不足，开发一种快速便捷检测水产品中铅离子含量的方法对维护食品安全和保障人类健康具有很重要的现实意义。近年来，基于荧光比色的重金属离子检测法因其简单快速、抗环境干扰能力强等优点而备受关注。如专利技术专利CN201710370061.0公开了一种方酸染料检测铜离子的比色/荧光探针，可用于含水介质中的铜离子检测，表现出较好的检测灵敏度。然而，现有的荧光比色法检测重金属离子具有两方面的不足：一是荧光传感材料合成过程繁琐，用量大且价格昂贵；二是人为将荧光颜色与标准比色卡比对得到检测结果，虽然检测成本低、操作方便，但准确度低、误差较大。微流控技术可以在几平方厘米芯片上加工出微米级通道或其他微结构，内部高度集成了生物化学反应的过程，不仅可实现一定浓度范围内重金属离子的快速定量分析，而且可以降低试剂和样品消耗，提高检测准确率，有利于设备的微型化。数据图像处理技术是指将图像信号转换成数字信号并利用计算机对其进行处理的过程，可以无失真的复制，通过有线和无线网络实现快速传输，并被计算机理解和处理等优点。随着现代信息技术的快速发展，数字图像处理技术得到了迅速的发展，并广泛地应用于生物医学工程、工业自动化控制和科学研究等领域。为了克服现有检测方法的不足，本专利技术提出结合荧光比色、微流控技术和数字图像处理技术用于水产品中铅离子的检测。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术的不足，本专利技术旨在解决所述问题之一，本专利技术提供一种快速检测铅离子的方法，结合荧光比色、微流控技术和数字图像处理技术，实现水产品中铅离子的快速可视化检测。为了实现以上目的，本专利技术的具体步骤如下：步骤一：荧光探针的制备；取50～200mg蚕丝置于瓷钵中，加入2～10mL聚乙二醇(分子量为200)和100～300μL浓硫酸(质量分数为98％)，混合搅拌5～15min，微波加热5～20s，得到碳量子点原液；取5～15mL碳量子点溶液，向该溶液中加入2～8mL硝酸铜溶液(10～30mM)，并调节pH值为9-11，磁力搅拌，溶液呈浅紫色，制备得到碳量子点-铜纳米簇溶液；步骤二：S1、制备微流控芯片，所述微流控芯片包括样品接口、反应池、样品与反应池连接通道、微泵接口、反应池与微泵接口连接通道；所述样品接口的一端通过样品与反应池连接通道与反应池相连通；反应池的另一端通过反应池与微泵接口连接通道与微泵接口连接；S2、取步骤一制备的碳量子点-铜纳米簇溶液加入反应池，利用真空冷冻干燥机进行脱水处理；步骤三：搭建暗箱图像采集装置用于采集微流控芯片荧光颜色图像；所述装置包括芯片固定平台、微流控芯片放置区、显色区域、紫外环形光源和图像采集装置；所述芯片固定平台上表面中部设有凹槽，所述微流控芯片放置区位于芯片固定平台上表面中部的凹槽处；所述显色区域固定在微流控芯片放置区上；所述图像采集装置位于显色区域的正上方；所述紫外环形光源环绕在图像采集装置外围；步骤四：荧光信息的获取；S1、首先配置不同浓度的铅离子标准样品，然后分别吸取不同浓度的铅离子标准样品于不同的微流控芯片反应池中，与碳量子点-铜纳米簇溶液混合，得到铅离子标准样品混合液；S2、打开步骤三所述暗箱图像采集装置的紫外环形光源，预热反应后，通过图像采集装置对微流控芯片反应池中铅离子标准样品混合液的荧光颜色进行图像采集，获得不同铅离子标准样品混合液微控流芯片的RGB图像；S3、对步骤S2采集的微控流芯片RGB图像通过滤波、形态学运算、RGB转化为Lab颜色模式，其中L亮度，a为红色到绿色的颜色通道，b为黄色到蓝色的颜色通道；然后以Lab颜色模式中的单通道a的平均灰度值做归一化处理，得到归一化处理后的数据值；步骤五：定量模型的构建；以不同铅离子标准样品的浓度为自变量，以步骤四提取得到的不同浓度铅离子标准样品混合液对应的各单通道a的平均灰度值归一化处理后的数据值为因变量，线性拟合构建标准曲线；步骤六、样品的检测；首先对样品预处理得到消化液；接下来按照步骤四进行操作，区别是将铅离子标准样品替换为消化液，得到单通道a的平均灰度值的归一化处理数据，带入步骤五构建的标准曲线中，实现未知样品中铅离子含量的检测。优选的，步骤二的S1中所述微流控芯片采用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材质。优选的，步骤二的S2中所述碳量子点-铜纳米簇溶液的用量为100～400μL；所述脱水处理的时间为24～48h。优选的，步骤三中所述图像采集装置位于显色区域的正上方5-10cm；所述紫外环形光源是半径为5-8cm的环形灯管。优选的，步骤四的(1)中所述铅离子标准样品的浓度为0～50μM；所述铅离子标准样品与碳量子点-铜纳米簇溶液的体积比为1:3。优选的，步骤四的(2)中所述预热反应的时间为3～6min。优选的，步骤四的(3)中所述归一化处理公式为：其中Xnorm为归一化后的数据，X为原始数据，Xmax、Xmin分别为原始数据集的最大值和最小值。本专利技术的有益效果在于：(1)本专利技术采用碳量子点-铜纳米簇纳米复合体系为荧光传感材料，相比于传统的有机染料，提高了传感材料的选择性和光稳定性。(2)本专利技术将碳量子点-铜纳米簇纳米复合体系与微流控技术相结合，制备微流控芯片，降低了试剂和样品消耗，大大节约了检测成本，提高了铅离子含量的检测效率。(3)本专利技术借助数字图像处理技术，实现了铅离子的智能化检测，相比传统人工比色检测，具有准确、稳定等优点，解决了人工判断主观性强。准确性差的缺陷。(4)本专利技术首次将荧光比色、微流控芯片技术和数字图像处理技术相结合，实现水产品中铅离子的快速可视化检测，相比于其他快速检测手段，具有检测准确度高，稳定性强等优点。附图说明图1为微流控芯片结构示意图。图2为暗箱图像采集装置结构示意图。图3为实施例1中添加不同浓度铅离子时的单通道图像。图4为实施例1中平均灰度归一化值与铅离子浓度在0-50μM内的线性关系。其中，1-样品接口、2-反应池、3-样品与反应池连接通道、4-微泵接口、5-反应池与微泵接口连接通道，6-芯片固定平台、7-微流控芯片放置区、8-显色区域、9-紫外环形光源和10-图像采集装置。具体实施方式：下面结合具体实施例对本专利技术进行详细描述。实施例1：步骤一：荧光探针的制备；取100mg蚕丝置于10mL瓷钵中，加入6mL的聚乙二本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于荧光比色和微流控技术的铅离子快速检测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：制备得到碳量子点‑铜纳米簇溶液，作为荧光探针；步骤二：S1、制备微流控芯片，所述微流控芯片包括样品接口(1)、反应池(2)、样品与反应池连接通道(3)、微泵接口(4)、反应池与微泵接口连接通道(5)；所述样品接口(1)的一端通过样品与反应池连接通道(3)与反应池(2)相连通；反应池(2)的另一端通过反应池与微泵接口连接通道(5)与微泵接口(4)连接；S2、取步骤一制备的碳量子点‑铜纳米簇溶液加入反应池(2)，利用真空冷冻干燥机进行脱水处理；步骤三：搭建暗箱图像采集装置用于采集微流控芯片荧光颜色图像；所述装置包括芯片固定平台(6)、微流控芯片放置区(7)、显色区域(8)、紫外环形光源(9)和图像采集装置(10)；所述芯片固定平台(6)上表面中部设有凹槽，所述微流控芯片放置区(7)嵌入芯片固定平台(6)上表面中部的凹槽处；所述显色区域(8)固定在微流控芯片放置区(7)上；所述图像采集装置(10)位于显色区域(8)的正上方；所述紫外环形光源(9)环绕在图像采集装置(10)外围；步骤四：S1、首先配置不同浓度的铅离子标准样品，然后分别吸取不同浓度的铅离子标准样品于不同的微流控芯片反应池(2)中，与反应池(2)中的碳量子点‑铜纳米簇溶液混合，得到铅离子标准样品混合液；S2、打开步骤三所述暗箱图像采集装置的紫外环形光源(9)，预热反应后，通过图像采集装置(10)对微流控芯片反应池(2)中铅离子标准样品混合液的荧光颜色进行图像采集，获得不同浓度的铅离子标准样品混合液对应的微控流芯片的RGB图像；S3、对步骤S2采集的微控流芯片RGB图像通过滤波、形态学运算、RGB转化为Lab颜色模式，其中L亮度，a为红色到绿色的颜色通道，b为黄色到蓝色的颜色通道；然后以Lab颜色模式中的单通道a的平均灰度值做归一化处理，得到归一化处理后的数据值；步骤五：以不同铅离子标准样品的浓度为自变量，以步骤四提取得到的不同浓度铅离子标准样品混合液对应的各单通道a的平均灰度值归一化处理后的数据值为因变量，线性拟合构建标准曲线；步骤六：首先对样品预处理得到消化液接下来按照步骤四进行操作，区别是将铅离子标准样品替换为消化液，得到单通道a的平均灰度值的归一化处理数据，带入步骤五构建的标准曲线中，实现未知样品中铅离子含量的检测。...

【技术特征摘要】
1.一种基于荧光比色和微流控技术的铅离子快速检测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：制备得到碳量子点-铜纳米簇溶液，作为荧光探针；步骤二：S1、制备微流控芯片，所述微流控芯片包括样品接口(1)、反应池(2)、样品与反应池连接通道(3)、微泵接口(4)、反应池与微泵接口连接通道(5)；所述样品接口(1)的一端通过样品与反应池连接通道(3)与反应池(2)相连通；反应池(2)的另一端通过反应池与微泵接口连接通道(5)与微泵接口(4)连接；S2、取步骤一制备的碳量子点-铜纳米簇溶液加入反应池(2)，利用真空冷冻干燥机进行脱水处理；步骤三：搭建暗箱图像采集装置用于采集微流控芯片荧光颜色图像；所述装置包括芯片固定平台(6)、微流控芯片放置区(7)、显色区域(8)、紫外环形光源(9)和图像采集装置(10)；所述芯片固定平台(6)上表面中部设有凹槽，所述微流控芯片放置区(7)嵌入芯片固定平台(6)上表面中部的凹槽处；所述显色区域(8)固定在微流控芯片放置区(7)上；所述图像采集装置(10)位于显色区域(8)的正上方；所述紫外环形光源(9)环绕在图像采集装置(10)外围；步骤四：S1、首先配置不同浓度的铅离子标准样品，然后分别吸取不同浓度的铅离子标准样品于不同的微流控芯片反应池(2)中，与反应池(2)中的碳量子点-铜纳米簇溶液混合，得到铅离子标准样品混合液；S2、打开步骤三所述暗箱图像采集装置的紫外环形光源(9)，预热反应后，通过图像采集装置(10)对微流控芯片反应池(2)中铅离子标准样品混合液的荧光颜色进行图像采集，获得不同浓度的铅离子标准样品混合液对应的微控流芯片的RGB图像；S3、对步骤S2采集的微控流芯片RGB图像通过滤波、形态学运算、RGB转化为Lab颜色模式，其中L亮度，a为红色到绿色的颜色通道，b为黄色到蓝色的颜色通道；然后以Lab颜色模式中的单通道a的平均灰度值做归...

【专利技术属性】
技术研发人员：李文亭，石吉勇，邹小波，史永强，胡雪桃，石海军，黄晓玮，李志华，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32