一种汞离子探针及其制备方法和应用与流程

本发明属于有机分子分析检测技术，涉及一种用于特异性识别和检测水样中汞离子的有机小分子汞离子探针。

背景技术：

汞离子作为一种对环境及生物体有毒的重金属离子，不仅对人类的消化系统、神经系统、肝脏以及其他器官有严重损伤，特别是对孕妇和胎儿损害更为严重，即便是很低的浓度也会造成严重损害。美国环境保护署(epa)和世界健康组织(who)规定，在饮用水中能检测到的汞离子浓度必须小于2ppb。然而，在复杂的环境及生物体系中实时测定低浓度的汞离子仍然具有巨大的挑战，除此之外汞污染也是非常严重，为了处理汞污染，人们不仅需要开发新材料检测更低浓度的汞离子，更重要的是能将其从溶液中快速去除。所以，发展一种方法，能高灵敏度、高选择性的用于环境及食品中汞离子的检测，并同时达到去除汞离子的目的，将具有非常重要的意义。

现有技术中检测汞离子的方法包括荧光、原子发射方法、icp-ms等，但是这些方法都具有检出限较高，检测范围比较窄，不能达到epa和who的要求；样品前处理步骤比较繁琐，检测成本较高；灵敏度低，不能将汞离子从溶液中去除等局限性。现有技术中能够去除汞离子的方法，又存在响应时间长，从而无法达到真正意义上去除汞离子的目的。此外，还没有任何文献报道在检测较低浓度汞离子的同时，能够将其从溶液中去除。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术中的缺陷，设计并合成一种高灵敏性、高选择性检测汞离子的有机功能分子苯基硫脲(phenythiourea,pt)，并首次应用于电化学领域，制备汞离子探针gc/hd/auns/pt+mb，所述汞离子探针gc/hd/auns/pt+mb能够对汞离子进行检测，具有高灵敏度、高特异性、高准确度等的特点；且所述汞离子探针gc/hd/auns/pt+mb具有稳定性高、重现性好等特点。

本发明提出了一种有机功能分子苯基硫脲，其结构如式(a)所示：

本发明提出了一种汞离子探针gc/hd/auns/pt+mb的制备方法

(1)有机功能分子苯基硫脲(phenythiourea,pt)的合成

在有机溶剂中，乙二胺、异硫氰酸苯酯进行加成反应，得到有机功能分子苯基硫脲(phenythiourea,pt)；反应过程如反应式(1)所示：

步骤(1)中，所述有机溶剂选自乙醇、甲醇、甲苯；优选地，为乙醇。

步骤(1)中，所述乙二胺、异硫氰酸苯酯的摩尔比为10:1～2；优选地，为10:1。

步骤(1)中，所述加成反应的温度为0～30℃；优选地，为室温25℃。

步骤(1)中，所述加成反应的时间为3h～8h；优选地，为室温5h。

步骤(1)中，优选地，先将乙二胺溶解在有机溶液中，形成混合溶液1；然后将异硫氰酸苯酯溶解在乙醇溶液中，形成混合溶液2；最后，将混合溶液2逐滴加入到冰浴的混合溶液1中。

步骤(1)中，制备的有机功能分子pt能够与汞离子特异性结合，可进一步修饰到电极上，用于制备性能稳定的汞离子探针。

(2)纳米金球的合成

在溶剂中，haucl4和柠檬酸钠进行还原反应，得到纳米金球。

步骤(2)中，所述溶剂选自水溶液。

步骤(2)中，所述haucl4、柠檬酸钠的摩尔比为1:2～4；优选地，为1：3.88。

步骤(2)中，所述还原反应的温度为10℃～30℃；优选地，为室温25℃。

步骤(2)中，所述还原反应的时间为10min～25min；优选地，为室温15min。

步骤(2)中，优选地，先将haucl4溶液用油浴加热到沸腾，然后，向其中加入还原剂柠檬酸钠溶液，快速搅拌，等溶液颜色从亮黄变成酒红色之后停止加热，移去油浴，在室温下持续搅拌15分钟，得到所述纳米金球，然后保存到冰箱；低温能够使纳米金球溶液保存更长久。

(3)汞离子探针gc/hd/auns/pt+mb的制备

采用电沉积金和纳米金球放大信号的方法，通过优化修饰条件，使制备的汞离子探针gc/hd/auns/pt+mb对汞离子检测灵敏度高，线性范围宽。

(3.1)将玻碳电极浸入haucl4溶液中，选择电流时间曲线法，在-0.2v电位下沉积，得到gc/au电极；

(3.2)将gc/au电极浸入1,6-己二硫醇12h，得到gc/hd电极；

(3.3)将gc/hd电极浸泡在步骤(2)合成的纳米金球溶液中12h，得到gc/hd/auns电极；

(3.4)将gc/hd/auns电极浸入pt溶液中，并向其中加入edc和nhs作为催化剂，得到gc/hd/auns/pt电极；

(3.5)将gc/hd/auns/pt电极浸入hs-dna-mb(mb＝methyleneblue亚甲蓝)溶液中12h，得到汞离子探针gc/hd/auns/pt+mb。

步骤(3.1)中，所述沉积的时间为120s-200s；优选地，为180s。

步骤(3.1)中，所述haucl4溶液的浓度为5mmol/l-20mmol/l；优选地，为5mmol/l。

步骤(3.1)中，柠檬酸钠将haucl4还原为纳米金球。

步骤(3.2)中，先用乙醇将1,6-己二硫醇稀释，所述1,6-己二硫醇、乙醇的体积比为1:100到1:200；优选地，为1:100。

步骤(3.2)中，由于1,6-己二硫醇有两个巯基，利用1,6-己二硫醇中的巯基与金之间的强化学键(au-s)相互作用，实现1,6-己二硫醇一端与纳米金球相连的一端与沉积在电极表面上的纳米金颗粒的相连。

步骤(3.2)中，所述浸入的时间为2-5小时；优选地，为3小时。

步骤(3.3)中，所述纳米金球的浓度为1mmol/l-9mmol/l；优选地，为9mmol/l。

步骤(3.3)中，所述纳米金球的作用为提高检测灵敏度。

步骤(3.3)中，所述浸入的时间为8h-16h；优选地，为12h。

步骤(3.4)中，所述pt溶液的浓度为10mmol/l-30mmol/；优选地，为20mmol/l。

步骤(3.4)中，所述edc和nhs的用量为0.5mg和0.25mg。

步骤(3.4)中，所述pt溶液的作用为pt分子内的s原子能够特异性与汞离子结合，是本发明实现汞离子检测的基础；其次，pt分子中含有-nh2，其能够与柠檬酸钠还原的纳米金球表面的-cooh发生缩合反应生成酰胺键，因此，pt分子能够进一步连接到电极表面。

步骤(3.4)中，所述浸入的时间为12h-18h；优选地，为16h。

步骤(3.5)中，所述hs-dna-mb溶液的浓度为10mmol/l-50mmol；优选地，为30mmol/l。

步骤(3.5)中，所述hs-dna-mb溶液的作用为连接到电极表面，作为内参比，可以提高本发明最终制备的汞离子探针gc/hd/auns/pt+mb准确性。

步骤(3.5)中，所述浸入的时间为8h-16h；优选地，为12h。

在一个具体实施方式中，本发明汞离子探针gc/hd/auns/pt+mb的制备方法具体包括如下步骤：

(1)有机功能分子phenythiourea(pt)的合成

将0.5mol乙二胺溶解在30ml乙醇溶液中，接着将溶解在30ml乙醇中的0.05mol异硫氰酸苯酯溶液逐滴加入到冰浴的乙二胺溶液中，然后在室温下搅拌5个小时，过滤，得到白色固体产物。

(2)纳米金球的合成

合成纳米金球之前所有用到的玻璃器皿都要使用王水浸泡，用二次水洗净烘干待用。向一个250ml的圆底烧瓶中加入1mmhaucl4溶液100ml,用油浴加热到沸腾，然后，向其中加入10ml38.8mm的柠檬酸钠溶液，快速搅拌，等溶液颜色从亮黄变成酒红色之后停止加热，移去油浴，在室温下持续搅拌15分钟，保存到冰箱。

(3)电极修饰过程

先用0.1和0.05μm的al2o3打磨玻碳电极表面，接着在丙酮和水中超声冲洗，用氮气吹干。然后用电化学方法将玻碳电极浸入5mmhaucl4溶液中在-0.2v(ag/agcl作参比电极)沉积180s，得到gc/au,将au/gc电极浸入到50mm1,6-己二硫醇(1,6-hexanedithiol)12h,之后用乙醇将多余的1,6-己二硫醇洗掉，再用氮气将电极表面吹干，得到gc/hd电极。接着把gc/hd电极浸泡在上述合成的纳米金球溶液中12h,得到gc/hd/auns电极，然后将gc/hd/auns电极放入1mmpt溶液中并向其中加入edc和nhs作为催化剂，得到gc/hd/auns/pt电极浸入25μmhs-dna-mb溶液中12h,得到汞离子探针gc/hd/auns/pt+mb。

本发明还提出了如上所述方法制备得到的有机功能分子苯基硫脲(phenythiourea,pt)。

本发明还提出了如上所述有机功能分子苯基硫脲(phenythiourea,pt)在制备汞离子探针gc/hd/auns/pt+mb中的应用。

本发明还提出了如上所述方法制备得到的汞离子探针gc/hd/auns/pt+mb，其是一种比率型电化学传感器，可以应用水中汞离子的检测及高效率的去除(用于汞/痕量汞的高效率去除，去除效率高达99％)，所述比率型电化学传感器性能稳定，可以高选择性、高灵敏度检测痕量汞，同时能够避免其他金属离子，如cu²⁺、ag⁺、fe²⁺等的干扰，具有很好的选择性。

本发明还提出了如上所述方法制备得到的汞离子探针gc/hd/auns/pt在检测汞离子中的应用；其中，所述汞离子探针gc/hd/auns/pt可用于包括但不限于水样、生物样等中的汞离子的检测。

在15℃～28℃温度范围内(优选地，为室温25℃)，本发明汞离子探针gc/hd/auns/pt+mb与hg²⁺发生反应3～10分钟(优选地，为7分钟)，当施加电位的时候pt与hg²⁺发生氧化还原反应生成c9h11n13，本发明对产物进行质谱表征为[m+h]⁺162.1027.说明确实得到了预想的产物c9h11n13(如图4所示)。

通过方波伏安法测得电极在不同浓度的hg²⁺溶液中所产生的电流值，电流信号在hg²⁺的电流值记作jp，在内参比产生的电流值记作jpr，通过(jp/jpr)值与hg²⁺浓度关系可以得到其线性范围，进而可以根据这一线性关系来检测hg²⁺的浓度；相应的e＝1.266c+0.064，其中，e为jp/jpr，c为汞离子的浓度，单位是μm。

本发明还提出了如上所述方法制备得到的汞离子探针gc/hd/auns/pt+mb在去除汞离子中的应用；其中，所述gc/hd/auns/pt电极可用于包括但不限于水样、生物样等中的汞离子的去除。

本发明还提出了一种电化学方法同时检测和去除水中汞离子的方法，考察汞离子探针gc/hd/auns/pt+mb对不同汞离子浓度的电化学响应信号，并绘制工作曲线，以此来检测汞离子。具体步骤如下：

以铂丝作为对电极，ag/agcl电极作为参比电极，以本发明制备制备得到的汞离子探针gc/hd/auns/pt+mb作为工作电极，采用方波伏安法记录不同汞离子浓度下的电流信号，得到汞离子所产生的电流值与mb所产生的电流值的比值与汞离子浓度之间的线性关系。相应的线性关系方程式为：e＝1.266c+0.064，其中，e为jp/jp^r，c为汞离子的浓度，单位是μm。

测定汞离子浓度的同时，记录不同时间电流信号，计算汞离子的去除效率。如本发明一个具体实施方式中，测定汞离子初始浓度为1μm的不同时间测定的电流信号，如图10所示；其中，a为0分钟，b为1分钟，c为2分钟，d为3分钟，e为7分钟。

在本发明的一个具体实施方式中，使用上海辰华chi832电化学工作站应用于三电极体系，其中铂丝作为对电极，ag/agcl电极作为参比电极，(3)所修饰的汞离子探针gc/hd/auns/pt+mb作为工作电极，采用方波伏安法在0.05m-0.1m(优选地，为0.1m)pbs(ph＝7.4)溶液中电位窗从0.8v扫到-0.4v，记录在不同汞离子浓度下的电流信号。得到汞离子所产生的电流值与mb所产生的电流值的比值与汞离子浓度之间的线性关系。取300μl0.1mpbs(ph＝7.4)，汞离子起始浓度为1μm，记录不同时间汞离子的去除效率，1分钟、2分钟、3分钟、7分钟的去除效率分别为18％、67％、89％、99％。

在一个具体实施方式中，采用本发明的汞离子探针gc/hd/auns/pt+mb检测黄浦江水和自来水的汞离子浓度，先将黄浦江水样过滤，取5ml水样，调节ph＝7.4，然后使用方波伏安法，7分钟后测定电流大小，得到汞离子浓度为2.63±0.01ppb。同样的方法取5ml自来水样，调节ph＝7.4，然后使用方波伏安法，7分钟后测定电流大小，得到汞离子浓度为0.09±0.01ppb。

本发明的有益效果在于，(1)本发明设计合成及表征能够与汞离子特异性识别并与汞离子结合的有机功能分子苯基硫脲pt，所述pt用于检测汞离子，具有高灵敏性、高准确性、高选择性的特点，并首次应用于电化学领域，将其修饰到玻碳电极上，采用电沉积金和纳米金球放大信号的方法，通过优化修饰条件，巧妙构建汞离子探针gc/hd/auns/pt+mb(比率型电化学传感器)。本发明的汞离子探针gc/hd/auns/pt+mb的制备方法简单、成本低、样品无需复杂的前处理。(2)制备得到的所述汞离子探针gc/hd/auns/pt+mb线性检测范围宽，为1nm～1.3μm，灵敏度高，检测限低至0.12nm(0.024ppb)(这一数值远低于美国环境保护署(epa)和世界健康组织(who)规定的2ppb)；内参比hs-dna-mb的选择有利于减少测定误差，使得汞离子探针gc/hd/auns/pt+mb具有较高的准确性，通过方波伏安法测得修饰电极在不同浓度的hg²⁺溶液中所产生的电流值，电流信号在hg²⁺的电流值记作jp,在内参比的产生的电流值记作jp^r，通过(jp/jp^r)值与hg²⁺浓度关系可以得到其线性范围，进而可以根据这一线性关系来检测hg²⁺的浓度；本发明比率型电化学传感器能够避免其他金属离子如cu²⁺、ag⁺、fe²⁺等的干扰，具有很好的选择性。(3)与传统的检测方法如电感耦合等离子体质谱法(icp-ms)进行比较发现，本发明汞离子探针gc/hd/auns/pt+mb灵敏度更高，检测速度更快，设备简单，成本低，并且便于实现实时在线检测。(4)本发明汞离子探针gc/hd/auns/pt+mb可用于检测痕量汞离子，并能够实现在精确检测汞离子的同时达到对汞的高效去除，在7分钟内去除汞离子的效率高达99％，因此，无需对汞离子进行进一步的分离。因此，采用本发明汞离子探针gc/hd/auns/pt+mb，利用电化学探针方法，可以高选择性、高灵敏度、高准确性检测水中汞离子，特别适于水样(如湖水)、生物样中汞离子的检测和去除，对环境重金属的检测和去除具有重要意义。

附图说明

图1为实施例1制备的pt的核磁共振表征图。

图2为实施例1制备的纳米金球透射电镜图。

图3为实施例1制备的沉积金的电子扫描电镜图。

图4pt与hg²⁺反应产物的质谱图。

图5为无汞离子存在下swv响应信号曲线，其中，a为gc/au，bgc/hd，c为gc/hd/auns，d为gc/hd/auns/pt；以及汞离子探针gc/hd/auns/pt+mb在汞离子存在下的swv响应信号曲线(e)。

图6为汞离子探针gc/hd/auns/pt+mb在0.1mpbs溶液中加入不同汞离子浓度的swv响应变化图(a为0，b为1nm，c为10nm，d为0.1μm，e为0.5μm，f为1μm，g为1.3μm，h为1.7μm)。

图7为汞离子所产生的电流值与mb所产生的电流值的比值与汞离子浓度之间的线性关系(1nm～1.9μm)。

图8为含1.0μm汞离子在0.1mpbs溶液中的swv信号响应图(a)和7min后swv信号变化图(b)。

图9为实施例1中黄浦江水样的swv信号响应图(a)和7min后swv信号响应图(b)。

图10为本发明实施例1制备的汞离子探针gc/hd/auns/pt+mb测定初始浓度为1μm的汞离子时，不同时间对应的swv电流响应信号图，其中，a为0分钟，b为1分钟，c为2分钟，d为3分钟，e为7分钟。

图11为两种不同汞离子探针在1μm汞离子溶液中的电流信号；其中，a为未修饰纳米金球的汞离子探针(gc/hd/pt+mb)，b为本发明实施例1制备的汞离子探针(gc/hd/auns/pt+mb)。

图12为实施例1制备的汞离子探针(gc/hd/auns/pt+mb)的选择性实验。

具体实施方式

结合以下具体实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明。实施本发明的过程、条件、实验方法等，除以下专门提及的内容之外，均为本领域的普遍知识和公知常识，本发明没有特别限制内容。

实施例1汞离子探针gc/hd/auns/pt+mb的制备

先用0.1和0.05μm的al2o3粉打磨玻碳电极表面，接着在丙酮和水中超声冲洗，用氮气吹干。然后用电化学方法将玻碳电极浸入5mmhaucl4溶液中在-0.2v(ag/agcl作参比电极)沉积180s，得到gc/au，将au/gc电极浸入到50mm1,6-己二硫醇(1,6-hexanedithiol)12h,之后用乙醇将多余的1,6-己二硫醇洗掉，再用氮气将电极表面吹干，得到gc/hd电极。接着把gc/hd电极浸泡在上述合成的纳米金球溶液中12h，得到gc/hd/auns电极，然后将gc/hd/auns电极放入1mmpt溶液中并向其中加入edc和nhs作为催化剂，得到gc/hd/auns/pt电极浸入25μmhs-dna-mb溶液中12h，得到汞离子探针gc/hd/auns/pt+mb。

其中，制备的纳米金球的透射电镜图如图2所示。由图2可以看出，纳米金球的粒径均一，平均为12纳米左右，纳米金颗粒的均一性对本发明最终制备的汞离子探针gc/hd/auns/pt+mb的性能具有重要影响，纳米金颗粒太大或太小无法达到提高汞离子探针gc/hd/auns/pt+mb的灵敏度和稳定性并降低检出限的效果，如发明人尝试用金38面体和金纳米棒，并未达到本发明理想的高灵敏度、低检出限、高稳定性的效果。

图3为沉积时间选择180秒得到的沉积金的电子扫描电镜图，纳米颗粒的粒径在理想的30～150纳米之间。沉积时间太短或太长，不在120s-200s范围内时，都无法得到合适粒径的纳米金，因此会导致制备的汞离子探针gc/hd/auns/pt+mb无法达到高灵敏度、高准确性、低检出限的效果。

实施例2探针gc/hd/auns/pt+mb对汞离子的测定及去除

本发明制备制备得到的汞离子探针gc/hd/auns/pt+mb作为工作电极，采用方波伏安法记录不同汞离子浓度下的电流信号，得到汞离子所产生的电流值与mb所产生的电流值的比值与汞离子浓度之间的线性关系。

相应的线性关系方程式为：e＝1.266c+0.064。

同时记录不同时间电流信号，计算汞离子的去除效率。图10为本发明实施例1制备的汞离子探针gc/hd/auns/pt+mb测定初始浓度为1μm的汞离子时，不同时间对应的swv电流响应信号图，其中，a为0分钟，b为1分钟，c为2分钟，d为3分钟，e为7分钟。

pt与hg²⁺发生反应，当施加电位的时候pt与hg²⁺发生氧化还原反应生成c9h11n13，本发明对产物进行质谱表征为[m+h]⁺162.1027.说明确实得到了预想的产物c9h11n13(图4)。

实施例3黄浦江水样的汞离子浓度的检测及其去除

(1)电化学方法检测汞离子

以汞离子探针gc/hd/auns/pt+mb作为工作电极，采用方波伏安法在0.1mpbs(ph＝7.4)溶液中电位从0.8v扫到-0.4v，记录在不同汞离子浓度下的电流信号。得到汞离子所产生的电流值与mb所产生的电流值的比值与汞离子浓度之间的线性关系；e＝1.266c+0.064，其中，e为jp/jp^r，c为汞离子浓度，单位是μm。

(2)检测黄浦江水样的汞离子浓度并将其去除

先将黄浦江水样过滤，取5ml水样，调节ph＝7.4，然后使用方波伏安法，7分钟后测定电流大小，得到汞离子浓度2.67ppb(图9a)。然后取出此根电极，用另一新的工作电极测出水样中余下汞离子的浓度0.41ppb(图9b)。根据a，b曲线的电流值，通过线性方程得出汞离子浓度。

实施例4自来水中汞离子浓度的检测及其去除

(1)电化学方法检测汞离子

以汞离子探针gc/hd/auns/pt+mb作为工作电极，采用方波伏安法在0.1mpbs(ph＝7.4)溶液中从0.8v扫到-0.4v，记录在不同汞离子浓度下的电流信号。得到汞离子所产生的电流值与mb所产生的电流值的比值与汞离子浓度之间的线性关系。e＝1.266c+0.064，其中，e为jp/jp^r，c为汞离子浓度，单位是μm。

(2)检测自来水的汞离子浓度

取自来水5ml过滤，调节ph＝7.4，然后使用方波伏安法，7分钟后测定电流大小，带入线性方程得到汞离子浓度。

实施例5灵敏度测定

本发明实施例1制备的汞离子探针(汞离子探针gc/hd/auns/pt+mb)和未修饰纳米金球的汞离子探针(gc/hd/pt+mb)的比较。

如图11所示，a是未修饰纳米金球的汞离子探针(gc/hd/pt+mb)在1μm汞离子溶液中的电流信号，b是本发明制备的汞离子探针(gc/hd/auns/pt+mb)在1μm汞离子溶液中的电流信号。通过计算，与未修饰纳米金球的汞离子探针(gc/hd/pt+mb)相比，本发明修饰纳米金球的汞离子探针gc/hd/auns/pt+mb检测灵敏度提高近5.7倍(a的灵敏度为0.22acm^-2m^-1，b的灵敏度为1.25acm^-2m^-1)。因此，本发明汞离子探针(gc/hd/auns/pt+mb)可以应用于检测更低浓度的汞离子。

实施例6抗干扰实验

利用chi电化学工作站对本发明汞离子探针gc/hd/auns/pt+mb进行抗干扰测定，如图12所示，向hg²⁺(10nm)溶液中加入其它干扰离子(均为1μm)，包括：co²⁺，zn²⁺，k⁺，na⁺，mg²⁺，ca²⁺，ag⁺，ni²⁺，mn²⁺，cd²⁺，cu²⁺，fe³⁺和fe²⁺，所引起的电流变化值由黑色柱状图表示；向包含这些干扰离子的溶液(均为1μm)中加入hg²⁺(10nm)溶液所引起的电流变化值由斜纹柱状图表示；由图12可知，其他金属离子对于hg²⁺的测定干扰低于2.0％，可以忽略不计。结果表明，本发明hg²⁺探针gc/hd/auns/pt+mb对于hg²⁺具有很高的选择性。

实施例7与icp-ms测定结果的比较

检测值同icp-ms相比较，根据t(a＝0.1)检验法，本发明的测量值与icp-ms的测量值是一致的。

表1本发明探针对水样的检测和icp-ms检测的结果对比

本发明的保护内容不局限于以上实施例。在不背离发明构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中，并且以所附的权利要求书为保护范围。