天然水中痕量Cu2+的富集与比色快速检测方法

技术领域

本发明属于痕量Cu2+技术领域，特别涉及天然水中痕量Cu2+的富集与比色快速检测方法。

背景技术

有毒重金属的检测是环境监测和临床检验的一项重要议题。铜离子是生物代谢过程中参与电荷转移反应的必需元素。但是，游离的铜离子可以催化Fenton反应或Haber-Weiss反应而生成不可控的活性氧，从而破坏DNA或蛋白质等生物大分子，危害人体健康。

目前已经发展了多种Cu2+的检测方法，包括原子吸收法，质谱法，电化学法，荧光法，比色法等。其中比色法，尤其是基于纳米金（AuNPs）的比色传感方法逐渐引起人们的注意，该方法操作简单、易于肉眼观察而且无需复杂昂贵的检测仪器。但是，以AuNPs可控聚集为基础的Cu2+比色传感法通常是通过化学作用实现AuNPs与特定配体结合，即交联聚集方式，但该方法经常会引入有毒化学试剂，且操作繁琐费时。而非交联聚集则是将单链DNA（ssDNA）直接吸附在AuNPs表面，反应速度更快，样品前处理更简单，近年来已成为人们关注的热点。非交联聚集方式可以通过减小粒子间的静电排斥、静电位阻等作用来实现，如通过杂交形成双链DNA、DNA裂解（酶切裂解或DNA氧化裂解）等方式[1,2]。如杨等人基于Cu2+对脱氧核酶的识别和水解断裂作用引发AuNPs聚集，从而实现Cu2+的传感检测[3]。尽管酶切技术显著提高了待测物的检测灵敏度，但同时核酸酶或蛋白酶的使用也增加了体系的成本和复杂性。本发明将采用AuNPs无标记比色传感技术实现Cu2+的检测。

天然水中重金属离子含量低，存在形态复杂，例如被水体中胶体吸附的重金属和水体中存在的稳定络合物。在检测前对水体中痕量进行累积、富集对提高检测限和检测灵敏度是必要的。本发明采用薄膜扩散梯度技术实现Cu2+的预富集，提高检测灵敏度。

发明内容

本发明的目的在于解决上述问题，提供天然水中痕量Cu2+的富集与比色快速检测方法，以提高检测限和检测灵敏度。

为了解决上述问题，本发明采用的技术方案如下：

天然水中痕量Cu2+的富集与比色快速检测方法，其特征在于，其按照如下步骤进行：

（1）配置不同浓度的Cu2+标准溶液，用薄膜扩散梯度技术对Cu2+标准溶液进行分离、富集，对富集到的Cu2+用纳米金无标记比色方法进行检测标定；

（2）薄膜扩散梯度技术对天然Cu2+进行分离、富集；

（3）将富集后的结合相用pH为4.5~6.0盐酸溶液进行分解，得到分解液；

（4）用纳米金无标记比色方法对分解液进行检测。

进一步的，所述薄膜扩散梯度技术采用羧甲基纤维素钠溶液为结合相，醋酸酯纤维素薄膜为扩散相，利用DGT富集装置对Cu2+进行分离、富集。

进一步的，所述羧甲基纤维素钠溶液的质量百分浓度为0.1~1.5%。

进一步的，所述醋酸酯纤维素薄膜厚度为0.14~0.28mm。

进一步的，所述DGT富集装置包括一端开口的容器、开窗的盖体，容器内部装满结合相，容器的开口端放置醋酸酯纤维素薄膜，盖体盖在容器的开口端，盖体压紧醋酸酯纤维素薄膜，盖体与容器紧密结合。

进一步的，所述无标记比色方法具体操作过程为：

（1）将40~50 mL单链DNA溶液与50 mL抗坏血酸钠溶液混合，单链DNA溶液的质量/体积浓度为0.125 mg /mL ，抗坏血酸钠溶液的质量浓度为80 mM；

（2）加入5 mL步骤（3）中的Cu2+分解液，振荡10~20分钟；

（3）加入250 mL 纳米金溶液，振荡10~20分钟；

（4）向溶液中加入80 mL 超纯水H2O和70 mL 50 mM Tris-HCl溶液，振荡10~20分钟，其中Tris-HCl溶液的质量浓度为50 mM，pH 调节至7.5~7.9；

上述混合液混合均匀后，用紫外可见吸收光谱测定溶液在700nm和525nm处的吸收度比值。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

（1）通过薄膜扩散梯度技术对天然水中Cu2+进行富集，实现了天然水中Cu2+检测信号放大，具有较高的灵敏度，检出限为23 nM。

（2）通过纳米金比色传感法对天然水中的Cu2+具有良好的选择性，且能用于实际样品中Cu2+的检测。

（3）本发明操作简单，成本低廉，反应快速，选择性好。

（4）可实现紫外可见吸收光谱对痕量Cu2+的检测，同时可实现Cu2+的肉眼快速检测。

说明书附图

附图说明：图1为本发明所述DGT富集装置的结构示意图。

具体实施方式

下面对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

具体实施例一：DGT富集装置，参阅说明书附图1所示：

DGT富集装置包括一端开口的容器1、前开窗的盖体2，容器1内部装满结合相3，容器1的开口端放置醋酸酯纤维素薄膜4，盖体2盖在容器1的开口端，盖体2压紧醋酸酯纤维素薄膜4，盖体2与容器1紧密结合，为了盖体2与容器1结合紧密，容器开口处设有螺栓柱，螺栓柱贯穿容器，盖体盖上容器后，螺母将盖体压紧。溶液不能从盖体与容器的接缝处渗入容器内部，溶液只能从盖体的开窗处透过醋酸酯纤维素薄膜4与容器内部的结合相快速结合。

对于薄膜扩散梯度技术：在搅拌很好的溶液中，扩散边界层的厚度与扩散层的厚度相比可忽略不计。结合相的络合能力很强，在结合相和扩散层的交界处金属离子的浓度为零。本体溶液中金属离子浓度的变化可忽略；有效扩散棉结为盖体开窗处的几何面积，即DGT取样器在最理想的模式下工作，Cu2+已恒定的扩散系数扩散通过醋酸酯纤维素薄膜。

本具体实施例容器内部腔体为半球体，其内部腔体直径为1.2cm，盖体前部开窗的直径为1.2cm，所选用的醋酸酯纤维素薄膜4厚度为0.14mm或者0.28mm。

具体实施例二：纳米金无标记比色方法，具体操作步骤为：

（1）将40~50mL单链DNA溶液与50mL抗坏血酸钠溶液混合，单链DNA溶液的质量/体积浓度为0.125 mg /mL ，抗坏血酸钠溶液的质量浓度为80 mM；

（2）加入5mL步骤（3）中的Cu2+分解液，振荡10~20分钟；

（3）加入250mL 纳米金溶液，振荡10~20分钟；

（4）向溶液中加入80 mL 超纯水H2O和70 mL 50 mM Tris-HCl溶液，振荡10~20分钟，其中Tris-HCl溶液的质量浓度为50 mM，pH 调节至7.5~7.9；

（5）混合液混合均匀后，用紫外可见吸收光谱测定溶液在700nm和525nm处的吸收度比值。

具体实施例三：Cu2+标准溶液的无标记比色方法进行检测标定

分别配置一系列CuCl2标准溶液10ml，其质量浓度分别为0.1、1.0、2.0、4.0、6.0、8.0、10.0 mM。组装好的DGT富集装置放置于标准溶液中，标准溶液中安装水泵促进水循环，DGT富集装置在标准溶液中富集24h。取出并拆开DGT富集装置，取出富集了Cu2+的结合相放置于试管中，并用pH为4.5~6.0盐酸溶液定容至3ml进行分解，得到分解液。分解液用纳米金无标记比色方法对Cu2+浓度进行标定。

通过纳米金无标记比色方法所检测出来的Cu2+浓度来计算得到结合相所富集得到的Cu2+量。然后以所富集Cu2+的量为纵坐标，标准溶液的浓度为横坐标，做标准曲线，其标准曲线的线性度为0.958。

具体实施例四：去离子水中加入CuCl2，配置成浓度为7.0 mM的待检测溶液，组装好的DGT富集装置放置于待检测溶液中24h，取出DGT富集装置，取出富集了Cu2+的结合相放置于试管中，并用pH为4.5~6.0盐酸溶液定容至3ml进行分解，得到分解液。分解液用纳米金无标记比色方法对Cu2+浓度进行标定。通过纳米金无标记比色方法所检测到的Cu2+浓度得到所富集到的Cu2+总质量，通过具体实施例三所标定的标准曲线，得到待检测溶液的Cu2+浓度为6.8 mM，其浓度检测的回收率为97.14%。

具体实施例五：用天然水外标加入CuCl2，外标浓度分别为0.1、1.0、2.0、4.0、6.0、8.0、10.0 mM。组装好的DGT富集装置放置于标准溶液中，标准溶液中安装水泵促进水循环，DGT富集装置在标准溶液中富集24h。取出并拆开DGT富集装置，取出富集了Cu2+的结合相放置于试管中，并用pH为4.5~6.0盐酸溶液定容至3ml进行分解，得到分解液。分解液用纳米金无标记比色方法对Cu2+浓度进行标定。

通过纳米金无标记比色方法所检测出来的Cu2+浓度来计算得到结合相所富集得到的Cu2+量。然后以所富集Cu2+的量为纵坐标，标准溶液的浓度为横坐标，做标准曲线，其标准曲线的线性度为0.932。

具体实施例六：用天然水外标加入CuCl2，外标加入浓度为8mM，配置成天然水待检测溶液。组装好的DGT富集装置放置于待检测溶液中24h，取出DGT富集装置，取出富集了Cu2+的结合相放置于试管中，并用pH为4.5~6.0盐酸溶液定容至3ml进行分解，得到分解液。分解液用纳米金无标记比色方法对Cu2+浓度进行标定。通过纳米金无标记比色方法所检测到的Cu2+浓度得到所富集到的Cu2+总质量，通过具体实施例三所标定的标准曲线，得到待检测溶液的Cu2+浓度为8.0 mM。

参考文献：

[1] Zhao W A, Brook M A, Li Y F. Design of gold nanoparticle-basedcolorimetric biosensing assays [J]. ChemBioChem, 2008, 9 (15): 2363-2371.

[2] Zhang L P, Hu B, Wang J H. Label-free colorimetric sensing ofascorbic acid based on Fenton reaction with unmodified gold nanoparticleprobes and multiple molecular logic gates [J]. Analytical Chimica Acta, 2012,717: 127-133.

[3] Wang Y, Yang F, Yang X R. Label-free colorimetric biosensing ofcopper (II) ions with unimolecular self-cleaving deoxyribozymes andunmodified gold nanoparticle probes [J]. Nanotechnology, 2010, 21 (20):205502-205507.

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中的描述仅为本发明的优选例，本发明并不受上述优选例的限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还可有各种变化和改进，这些变化和改进都落入本发明要求保护的范围内。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。