用于铅离子检测的智能微囊、便携式可视化铅离子检测装置及检测方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种用于铅离子检测的智能微囊，该智能微囊呈球状，由囊壁和囊壁内的智能纳米凝胶溶液组成，所述囊壁为具有弹性的交联高分子凝胶网络，Pb

Intelligent microcapsule, portable visual lead ion detection device and detection method for lead ion detection

【技术实现步骤摘要】
用于铅离子检测的智能微囊、便携式可视化铅离子检测装置及检测方法
本专利技术属于离子检测领域，涉及用于铅离子检测的智能微囊及其制备方法，便携式可视化铅离子检测装置，以及铅离子简捷检测方法。
技术介绍
铅离子(Pb2+)是一种有毒的重金属离子，水体中的铅离子含量超标时会严重危害自然环境和人体健康，如美国Flint市曾出现的铅中毒引起的水危机事件。人体摄入过量铅离子会造成一系列生理、生化指标的变化，影响人体系统器官的正常功能，甚至是致癌。因此，有效检测铅离子对保护环境和人类健康具有重要意义。在检测铅离子时，关键的问题是如何便捷地将铅离子浓度的信号转换并放大为更直观的检测信号。传统的铅离子检测方法，如原子吸收光谱法、电感耦合等离子质谱法、原子荧光光谱法和溶出伏安法等，由于存在着样品前处理复杂、检测仪器精密昂贵以及检测时需要专业操作人员等问题而受到了一定的限制。基于离子识别的智能材料能够对离子进行识别并做出相应的响应，进而将检测到的离子浓度信号转化为流量信号、电信号以及光信号等。其中，冠醚因分子中具有大环空腔结构，能特异性识别铅离子，并作为主体分子，通过离子-偶极作用与铅离子形成具有一定稳定性的“主-客体”配合物，为铅离子检测提供了新的思路。目前，基于N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM)与冠醚构建的智能材料(PNB)的铅离子检测系统，有凝胶光栅和微悬臂梁等光学检测系统、智能微阀流量检测系统以及可视化检测装置等，由于不能同时满足高效、便携式简捷检测铅离子而在实际应用场景中受到了较大的限制。基于智能微阀的流量检测系统，如智能开关膜和微芯片，其主要检测原理是通过把智能材料识别铅离子后发生的分子链伸缩变化或体积变化转换为溶液流量变化。智能开关膜是通过在膜上接枝PNB高分子或者将PNB微球涂覆在商业膜或无纺布上等方式使之功能化，通过PNB识别铅离子前后膜孔大小的改变而将铅离子浓度的变化转换为跨膜通量的变化。微芯片系统是将智能微凝胶固定在微通道中，从而把微凝胶识别响应铅离子后的体积溶胀转换为流量变化，实时在线检测微量Pb2+。基于智能微阀的流量检测方法能在一定浓度范围内实现铅离子的检测，但是检测时需流量传感器来转换传送铅离子浓度信号，需要配备流量检测系统，检测过程复杂且不经济，无法实现铅离子的便携简捷检测。凝胶光栅系统是利用智能微凝胶构建的周期性光栅结构，检测时是将凝胶光栅响应铅离子后的体积变化转换为光栅衍射效率的变化，目前利用该方法能够检测到10-9mol/L的铅离子，且该方法对于铅离子检测具有较高的灵敏度和选择性，但凝胶光栅制作难度较大，检测时需要配备较高要求的光学测试平台，无法实现便携简捷检测。可视化检测铅离子系统通过将凝胶识别响应铅离子后的体积变化引起的西(PE)膜形变转换为染色液体的指示液柱长的变化来定量检测铅离子，该检测方法虽然简单，但其受PE膜弹性灵敏度以及指示液通道尺寸的限制，只能检测到10-3mol/L的铅离子，灵敏度有待提高。综上，基于智能材料开发简捷检测痕量浓度Pb2+的方法目前仍具有很大的挑战，因此，基于智能凝胶材料开发可实现痕量浓度Pb2+的便携式检测装置及便捷检测方法具有重要意义。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有铅离子检测技术存在的不足，提供用于铅离子检测的智能微囊及其制备方法，并以该智能微囊为基础，提供便携式可视化铅离子检测装置以及铅离子简捷检测方法，以简化铅离子的检测操作，降低铅离子检测难度和成本，实现痕量铅离子的简捷可视化定量检测。本专利技术的主要技术构思是：基于本专利技术提供的智能微囊在特异性识别Pb2+后会诱导渗透压增大导致智能微囊溶胀的特性，设计了一种含有该智能微囊且带有刻度的便携式可视化铅离子检测装置，将智能微囊特异性识别响应Pb2+后的体积变化转换并放大为智能微囊的体积变化，从而建立智能微囊的溶胀行为与Pb2+浓度的对应关系，得到Pb2+的定量检测模型，实现了痕量浓度Pb2+的简捷可视化定量检测。为实现上述专利技术目的，本专利技术提供的技术方案如下：一种用于铅离子检测的智能微囊，该智能微囊呈球状，由囊壁和囊壁内的智能纳米凝胶溶液组成，所述囊壁为具有弹性的交联高分子凝胶网络，Pb2+和水分子能经过渗透扩散跨囊壁传输进入智能微囊的内部，智能纳米凝胶能特异性地识别Pb2+并实现等温溶胀，该智能微囊的直径为毫米级。上述用于铅离子检测的智能微囊的技术方案中，所述智能纳米凝胶优选为聚(N-异丙基丙烯酰胺-共聚-苯并-18-冠-6-丙烯酰胺)纳米凝胶球或者聚(N-异丙基丙烯酰胺-共聚-丙烯酸-接枝-氨基苯并-18-冠-6-醚)纳米凝胶球。进一步地，所述聚(N-异丙基丙烯酰胺-共聚-苯并-18-冠-6-丙烯酰胺)纳米凝胶球是在以2,2’-偶氮二异丁基脒二盐酸盐为引发剂、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺为交联剂、纯水为溶剂的条件下，将苯并-18-冠-6-丙烯酰胺与N-异丙基丙烯酰胺在加热条件下经热引发自由基沉淀聚合反应制备得到的；制备时单体苯并-18-冠-6-丙烯酰胺占总单体苯并-18-冠-6-丙烯酰胺与N-异丙基丙烯酰胺的总摩尔质量的8％～30％；所述聚(N-异丙基丙烯酰胺-共聚-丙烯酸-接枝-氨基苯并-18-冠-6-醚)纳米凝胶球是先以过硫酸铵或过硫酸钾为引发剂、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺为交联剂、纯水为溶剂，将N-异丙基丙烯酰胺与丙烯酸在加热条件下经沉淀聚合反应制备得到聚(N-异丙基丙烯酰胺-共聚-丙烯酸)凝胶球，并通过添加表面活性剂调节该凝胶球的尺寸，然后将调整尺寸后的凝胶球与4-氨基苯并-18-冠-6进行1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐缩合反应制备得到的；制备时单体丙烯酸占总单体N-异丙基丙烯酰胺与丙烯酸的总摩尔质量含量范围为15％～30％，聚(N-异丙基丙烯酰胺-共聚-丙烯酸)凝胶球与4-氨基苯并-18-冠-6的摩尔比为(1.3～5.6):1。上述用于铅离子检测的智能微囊的技术方案中，囊壁内的智能纳米凝胶溶液中，智能纳米凝胶的浓度与智能微囊对Pb2+的响应性有关，为了实现本专利技术方法对浓度低于10-6mol/L的Pb2+的检测，通常，囊壁内的智能纳米凝胶溶液中，智能纳米凝胶的浓度范围为1～50mg/mL，为了进一步提高智能微囊对Pb2+的响应性，囊壁内的智能纳米凝胶溶液中，智能纳米凝胶的浓度范围优选为5～30mg/mL。上述用于铅离子检测的智能微囊的技术方案中，该智能微囊在室温下的去离子水中的直径优选为3～5mm，智能微囊的囊壁厚度与智能微囊的稳定性、Pb2+和水分子的跨囊壁传输阻力有关，优选地，智能微囊的囊壁厚度为智能微囊在室温下的去离子水中的直径的0.5％～5％。上述用于铅离子检测的智能微囊的技术方案中，所述具有弹性的交联高分子凝胶网络是指在交联剂存在下发生溶胶-凝胶转化形成的反应产物，也可以是光引发剂存在的条件下通过光照引发光聚合高分子发生聚合反应形成的聚合的反应产物。常见的交联高分子包括海藻酸钙、交联壳聚糖、聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA)和N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM)等。本专利技术还提供了上述用于铅离本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于铅离子检测的智能微囊，其特征在于，该智能微囊呈球状，由囊壁和囊壁内的智能纳米凝胶溶液组成，所述囊壁为具有弹性的交联高分子凝胶网络，Pb

【技术特征摘要】
1.一种用于铅离子检测的智能微囊，其特征在于，该智能微囊呈球状，由囊壁和囊壁内的智能纳米凝胶溶液组成，所述囊壁为具有弹性的交联高分子凝胶网络，Pb2+和水分子能经过渗透扩散跨囊壁传输进入智能微囊的内部，智能纳米凝胶能特异性地识别Pb2+并实现等温溶胀，该智能微囊的直径为毫米级。


2.根据权利要求1所述用于铅离子检测的智能微囊，其特征在于，所述智能纳米凝胶为聚(N-异丙基丙烯酰胺-共聚-苯并-18-冠-6-丙烯酰胺)纳米凝胶球或者聚(N-异丙基丙烯酰胺-共聚-丙烯酸-接枝-氨基苯并-18-冠-6-醚)纳米凝胶球。


3.根据权利要求2所述用于铅离子检测的智能微囊，其特征在于，所述聚(N-异丙基丙烯酰胺-共聚-苯并-18-冠-6-丙烯酰胺)纳米凝胶球是在以2,2’-偶氮二异丁基脒二盐酸盐为引发剂、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺为交联剂、纯水为溶剂的条件下，将苯并-18-冠-6-丙烯酰胺与N-异丙基丙烯酰胺在加热条件下经热引发自由基沉淀聚合反应制备得到的；制备时单体苯并-18-冠-6-丙烯酰胺占总单体苯并-18-冠-6-丙烯酰胺与N-异丙基丙烯酰胺的总摩尔质量的8％～30％；
所述聚(N-异丙基丙烯酰胺-共聚-丙烯酸-接枝-氨基苯并-18-冠-6-醚)纳米凝胶球是先以过硫酸铵或过硫酸钾为引发剂、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺为交联剂、纯水为溶剂，将N-异丙基丙烯酰胺与丙烯酸在加热条件下经沉淀聚合反应制备得到聚(N-异丙基丙烯酰胺-共聚-丙烯酸)凝胶球，并通过添加表面活性剂调节该凝胶球的尺寸，然后将调整尺寸后的凝胶球与4-氨基苯并-18-冠-6进行1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐缩合反应制备得到的；制备时单体丙烯酸占总单体N-异丙基丙烯酰胺与丙烯酸的总摩尔质量含量范围为15％～30％，聚(N-异丙基丙烯酰胺-共聚-丙烯酸)凝胶球与4-氨基苯并-18-冠-6的摩尔比为(1.3～5.6):1。


4.根据权利要求1至3中任一权利要求所述用于铅离子检测的智能微囊，其特征在于，囊壁内的智能纳米凝胶溶液中，智能纳米凝胶的浓度为1～50mg/mL。


5.根据权利要求1至3中任一权利要求所述用于铅离子检测的智能微囊，其特征在于，该智能微囊在室温下的去离子水中的直径为3～5mm，智能微囊的囊壁厚度为智能微囊在室温下的去离子水中的直径的0.5％～5％。


6.根据权利要求1至3中任一权利要求所述用于铅离子检测的智能微囊，其特征在于，所述具有弹性的交联高分子凝胶网络是指在交联剂存在下发生溶胶-凝胶转化形成的反应产物。


7.权利要求1至5中任一权利要求所述用于铅离子检测的智能微囊的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)配制分散相、连续相和交联相流体
配制分散相流体：将智能纳米凝胶与黏度调节剂均匀分散于水中形成分散相流体，分散相流体中智能纳米凝胶的浓度为1～50mg/mL，黏度调节剂的浓度为2～20mg/mL；
配制连续相流体：将在交联后能形成高分子凝胶网络的物质和水溶性表面活性剂均匀分散于水中形成连续相流体，连续相流体中，在交联后能形成高分子凝胶网络的物质的浓度为2～30mg/mL，水溶性表面活性剂的浓度为2～50mg/mL；
配制交联相流体：将水溶性交联剂溶解于水中形成交联相流体，交联相流体中，水溶性交联剂的浓度为10～300mg/mL；
2)制备智能微囊
将分散相流体和连续相流体分别用注射...

【专利技术属性】
技术研发人员：褚良银，刘文英，巨晓洁，何帆，谢锐，汪伟，刘壮，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：四川;51