一种利用金纳米颗粒阵列组装检测镉离子的方法技术

本发明专利技术公开了一种利用金纳米颗粒阵列组装检测镉离子的方法。将油相和表面修饰有半胱氨酸的金纳米颗粒水相溶液注入容器后，加入待测镉离子，通过震荡乳化，将两相分散为乳浊液；静置，表面修饰有半胱氨酸的金NP在镉离子的连接作用下，在油‑水界面组装为二维纳米阵列，从而通过界面反射谱定量检测镉离子。本发明专利技术的优点在于：（1）在互不相溶的两相界面上，将在三维溶液中捕获到镉离子的NP富集组装为二维纳米阵列，提高了检测灵敏度；（2）通过将两相震荡乳化为乳浊液，所形成的无数小液滴提高了界面面积，缩短了NP和镉离子的扩散距离，加速了检测的动力学过程，从而缩短了检测时间；（3）通过两相界面处NP阵列的反射谱，得到镉离子浓度，简便快捷。

【技术实现步骤摘要】
一种利用金纳米颗粒阵列组装检测镉离子的方法
本专利技术涉及一种利用金纳米颗粒（NP）阵列组装及所产生的界面反射谱变化来检测镉离子的方法，属于化学传感器及环境分析化学领域。
技术介绍
伴随着经济的发展，每年有数以万吨计的重金属会随着工业废水废物排入江河湖海。由于其不可降解性和在生物体内易于富集的特性，这些重金属离子，尤其是镉离子，极大地威胁着水体生态环境和渔业养殖，并通过食物链，间接影响居民的身体健康。对海洋污染物，尤其是重金属污染物的检测将成为未来科学利用海洋资源，可持续发展海洋经济的重要基石之一。由于海洋污染物具有污染源种类多、散播范围广、持续时间长的特点，有针对性地发展快速、稳定、灵敏的传感器并探寻新颖的传感方法和原理是目前海洋污染物传感的当务之急。尽管现代物理检测方法，比如电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）、原子吸收光谱（AAS）可以有效地检测多种重金属，但它们精细的设备结构和复杂的制样过程很大程度上限制了其在野外原位监测中的应用。贵金属纳米颗粒（NP），由于其光、电特性和极大的比表面积，广泛应用于色比、荧光、拉曼等光学传感领域，带来了极高的探测灵敏度和灵活性。其中一个应用较广且灵活实用的传感原理，是利用待测物与NP的相互作用，直接或间接地控制NP组装的间距、形态来改变NP间的光学耦合作用，读出光学检测信号。目前，多种DNA、冠醚、多肽、氨基酸、芳香族化合物等被发现与某些重金属离子具有较强的亲和性，被负载于NP表面，应用于相应的重金属传感器之中。在镉离子检验中，较为典型且应用广泛的一种检测方法为：在单一液相利用镉离子导致的NP分散/团聚变化而产生的体相吸收光谱变化来探测待测物[Y.Wu,S.Zhan,L.Wang,P.Zhou,SelectionofaDNAaptamerforcadmiumdetectionbasedoncationicpolymermediatedaggregationofgoldnanoparticles,Analyst,2014,139(6):1550-1561.]。尽管这些基于体相NP团聚的方法易通过肉眼读出，但由于触发NP团聚待测物浓度极低地分散在三维体相中，且NP迁移率和扩散系数也较低，导致团聚反应的动力学速率较慢，光学信号会随时间变化，平衡态需要等待较长时间，因而检测结果均一性和可重复性不佳，检测极限也有待改进[F.Chai,C.Wang,T.Wang,L.Li,Z.Su,ColorimetricDetectionofPb2+UsingGlutathioneFunctionalizedGoldNanoparticles,ACSAppliedMaterials&Interfaces,2010,2(5):1466-1470.]。因此，如何发展出基于NP的快速、稳定、灵敏的镉离子光学传感器仍是一个亟待解决的问题。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的目的是提供一种快速、稳定、灵敏的利用金NP阵列组装检测镉离子的方法。本专利技术的基本原理：油相和含有负载半胱氨酸（cysteine）NP的水相注入容器后，由于两相互不相溶，且密度不同，上半部分为水相，下半部分为油相，且在两相中间会形成一个明晰的界面。虽然相界面势阱会陷落NP，但由于NP表面带负电，在没有镉离子存在的情况下，NP之间的静电排斥力会阻碍NP靠近相界面，从而导致NP在相界面排列稀疏，入射光可直接穿透相界面而无明显的反射信号。在加入待测镉离子后，通过震荡乳化，将两相分散为乳浊液。由于相界面被增大几个数量级，此时会有更多的NP进入相界面，出现界面富集效应。由于处于相界面的NP在油相一侧表面会失去部分负电，从而导致界面上的NP间静电斥力减小。此时，镉离子较单一水相时有更大的机会将周围负载半胱氨酸的NP链接在一起。当停止震荡，乳浊液中的小液滴界面会重新汇合为一个大平面界面。由于界面势阱深度与NP当量尺寸成正比，所有被镉离子链接在一起的NP阵列被富集于此。而未被镉离子连接的单NP因静电排斥力而离开界面，重新分散回水相。由于NP阵列可形成很强的表面等离子共振耦合，宏观上表现为反射峰增强，波长红移，对入射光有明显的反射效应。并且镉离子浓度越高，反射信号就越强，从而建立定量关系。本专利技术的具体技术方案如下：一种利用金NP阵列组装检测镉离子的方法，其特征在于通过震荡乳化，将表面修饰有半胱氨酸的金NP在镉离子的连接作用下，组装在油-水界面，通过静置后测得的界面反射谱，定量检测镉离子。其具体步骤为：1）通过柠檬酸钠还原氯金酸制备球形金NP；2）在步骤1）中制得的金NP溶液中加入半胱氨酸（cysteine），以修饰金NP表面；3）离心去除步骤2）中多余的半胱氨酸，加水重分散并调节溶液pH值，得到表面修饰有半胱氨酸的金NP水相溶液；4）将表面修饰有半胱氨酸的金NP水相溶液与油相注入容器，加入待测镉离子，并震荡乳化；5）静置，表面修饰有半胱氨酸的金NP被镉离子链接在水-油两相界面组装为二维阵列，测量界面反射谱峰强和波长，根据标准曲线，计算镉离子浓度。其中，步骤1）中所述的球形金NP直径为10-100nm。步骤2）中所述半胱氨酸的最终浓度为0.1-10µM。步骤3）中所述溶液pH值为7-9；纳米颗粒离心速度为1000-5000RCF，离心时间为10-100分钟。步骤4）中所述的油相是二氯乙烷、甲苯、邻二氯苯、三氯甲烷中一种或几种。步骤4）中的NP水相溶液及油相混合前还可以分别加入一定浓度的电解质促进剂；所述水相溶液中的电解质促进剂包括Li离子、Na离子、K离子、Mg离子、Cl离子、硫酸根离子或乙醇中的一种或多种，浓度为1µM–10mM；所述油相中的电解质促进剂包括四（五氟苯基）硼酸酯[tetrakis(pentafluorophenyl)borate]、双(三苯基膦)铵[bis(triphenylphosphoranylidene)ammonium]或四正丁基四苯基硼酸铵（tetrabutylammoniumtetraphenylborate）中的一种或多种，浓度为1µM-10mM。步骤5）中所述的震荡乳化时间为1-10分钟。步骤6）中的静置时间为1-10分钟。步骤6）中标准曲线的建立方法为配制一系列不同浓度镉离子的标准溶液，根据界面反射光谱最大反射峰的反射率与镉离子浓度呈线性关系建立标准曲线。本专利技术中镉离子的检测线性范围为0-1000ppb。相比于传统的基于NP在单一体相团聚反应的检测方法，本专利技术的优点在于：（1）在互不相溶的两相界面上，将在三维溶液中捕获到镉离子的NP富集组装为二维纳米阵列，提高了检测灵敏度；（2）通过将两相震荡乳化为乳浊液，所形成的无数小液滴提高了界面面积，缩短了NP和镉离子的扩散距离，加速了检测的动力学过程，从而缩短了检测时间；（3）通过两相界面处NP阵列的反射谱，得到镉离子浓度，简便快捷。附图说明图1是本专利技术的组装及检测原理图。图2是本专利技术实施例1中制得的表本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用金纳米颗粒阵列组装检测镉离子的方法，其特征在于包括如下步骤：/n1）通过柠檬酸钠还原氯金酸制备球形金纳米颗粒；/n2）在步骤1）中制得的金纳米颗粒溶液中加入半胱氨酸，以修饰金纳米颗粒表面；/n3）离心去除步骤2）中多余的半胱氨酸，加水重分散并调节溶液pH值，得到表面修饰有半胱氨酸的金纳米颗粒水相溶液；/n4）将面修饰有半胱氨酸的金纳米颗粒水相溶液与油相注入容器，加入待测镉离子，并震荡乳化；/n5）静置，表面修饰有半胱氨酸的金纳米颗粒被镉离子链接在水—油两相界面，组装为二维阵列，测量界面反射谱峰强和波长，根据标准曲线，计算镉离子浓度。/n

【技术特征摘要】
1.一种利用金纳米颗粒阵列组装检测镉离子的方法，其特征在于包括如下步骤：
1）通过柠檬酸钠还原氯金酸制备球形金纳米颗粒；
2）在步骤1）中制得的金纳米颗粒溶液中加入半胱氨酸，以修饰金纳米颗粒表面；
3）离心去除步骤2）中多余的半胱氨酸，加水重分散并调节溶液pH值，得到表面修饰有半胱氨酸的金纳米颗粒水相溶液；
4）将面修饰有半胱氨酸的金纳米颗粒水相溶液与油相注入容器，加入待测镉离子，并震荡乳化；
5）静置，表面修饰有半胱氨酸的金纳米颗粒被镉离子链接在水—油两相界面，组装为二维阵列，测量界面反射谱峰强和波长，根据标准曲线，计算镉离子浓度。


2.如利要求1所述检测镉离子的方法，其特征在于步骤1）中所述的球形金纳米颗粒直径为10-100nm。


3.如利要求1所述检测镉离子的方法，其特征在于步骤2）中所述半胱氨酸的最终浓度为0.1-10µM。


4.如利要求1所述检测镉离子的方法，其特征在于步骤3）中所述溶液pH值为7-9；纳米颗粒离心速度为1000-50...

【专利技术属性】
技术研发人员：王昕，汤耀，贾良宾，马晔，
申请(专利权)人：中国海洋大学，
类型：发明
国别省市：山东;37