专利名称：一种利用表面改性的金纳米颗粒检测汞离子的方法
技术领域：
本发明属于汞离子检测领域，尤其涉及一种利用表面改性的金纳米颗粒来可视化检测汞离子的方法。
背景技术：
汞离子作为一种常见重金属离子，对人体和环境都有很大的危害。目前用于汞离子检测的技术主要有1.利用有机小分子；2.电化学；3.电感耦合等离子体质谱 (ICP-MS) ；4.原子吸收光谱(AA) ；5.基于金纳米颗粒的可视化检测。其中，利用有机小分子检测主要包括利用有机染料和荧光分子检测，有机染料因其较低的摩尔吸收系数，导致利用有机染料检测汞离子的灵敏度不高。利用荧光分子检测汞离子需要使用价格昂贵的发光设备。电化学检测、ICP-MS和AA也均需要价格昂贵的仪器，且操作繁琐。迅猛发展的纳米技术，为金属离子的检测带来契机，因为金纳米颗粒具有很高的摩尔吸收系数，通常比有机小分子要高1000倍以上，所以运用金纳米颗粒来可视化检测金属离子通常具备较高的灵敏度。目前，运用金纳米颗粒检测汞离子的技术很多，包括在金纳米颗粒表面修饰含有胸腺嘧啶的DNA，胸腺嘧啶能与汞离子特异性结合，从而导致纳米颗粒聚集，如下文中所列的非专利文献[1-4]所述。这种方法的缺点是DNA价格昂贵，不稳定，易降解，保存条件苛刻，需要通过控制外部条件如控制温度或加入特异性的酶，从而精确控制DNA与汞离子的结合能力。且检测灵敏度不够高，一般在IOOnM(纳摩尔每升)以上。另外检测速度较慢， 通常需要几分钟至几十分钟。另一种方法是在金纳米颗粒表面修饰含有羧基结尾的硫醇，如下文中所列的非专利文献5所述，通过汞离子与羧基螯合形成复合物，从而导致纳米颗粒聚集。这种方法的缺点是羧基还能与其他金属离子比如镉离子、铅离子螯合，所以选择性不好，需要加入掩蔽剂才能提高选择性。上文中所述的非专利文献1. J. S. Lee, M. S. Han, C. A. Mirkin, Angew. Chem. Int. Ed. ，2007,46,4093. Colorimetric Detection of Mercuric Ion (Hg2+) in Aqueous Media using DNA—Functionalized Gold Nanoparticles.2. D. Li, A. ffieckowska, I. Willner, Angew. Chem. Int. Ed.，2008，47，927. Optical Analysis of Hg2+ Ions by Oligonucleotide-Gold-Nanoparticle Hybrids and DNA-Based Machines.3. J. Liu, Y. Lu, J. Am. Chem. Soc. ,2003, 125,6642. A Colorimetric Lead Biosensor Using DNA zyme-Directed Assembly of Gold Nanoparticles.4. X. Xue, F. Wang, X. Liu, J. Am. Chem. Soc.，2008，130,3244. One-step, room temperature, colorimetric detection of mercury (Hg2+)using DNA/nanopartic1e conjugates.
5. C. C. Huang，H. Τ. Chang，Chem. Commun.，2007，1215. Parameters for selective colorimetric sensing of mercury (II) in aqueous solutions using mercaptopropionic acid-modified gold nanoparticles.
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种灵敏度高、选择性好、成本低且高效的检测水中汞离子的方法。为达到上述目的，本发明提供一种利用表面改性的金纳米颗粒检测汞离子的方法，利用表面被11-巯基-1-三甲基铵改性的金纳米颗粒的溶液作为检测试剂，将该检测试剂与待测水溶液混合，并使混合溶液为酸性，通过水溶液颜色的变化来判断水溶液中汞离子是否存在，若混合溶液的颜色由红色变为紫色或者蓝色，则待测水溶液中有汞离子存在， 若混合溶液的颜色无变化，则待测水溶液中无汞离子存在。根据本发明所提供的方法，其中将上述检测试剂与待测水溶液混合并在太阳光下照射，再通过水溶液颜色的变化来判断水溶液中汞离子是否存在。根据本发明所提供的方法，其中金纳米颗粒的直径为13nm(纳米)左右。根据本发明所提供的方法，其中上述混合溶液的优选pH值为1 2. 5，更优选pH 值为1。本发明的读出形式为可视化，不需要依赖任何大型仪器，简单，快速，成本低，具有优秀的选择性，灵敏度高，所能检测到的汞离子浓度范围为3X IO-8M 1 X IO-2M(摩尔每升)，可以用来检测饮用水中的汞离子含量是否超标。
以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中
图1.汞离子导致的金纳米颗粒聚集示意图。
图2.本发明中金纳米颗粒发生聚集后的TEM照片。
图3.金纳米颗粒在酸性(a)和碱性(b)环境中的吸光度。
图4.最低检测浓度与PH值的关系。
图5.汞离子浓度不同的溶液的吸光度。
图6.所合成的金纳米颗粒的TEM(透射电镜)照片，大小约为13纳米。
图7.太阳光辅助条件下，不同浓度汞离子的吸光度。
图8.不同金属离子的溶液在520nm处的吸光度变化值。
具体实施例方式为了证明本方法在汞离子检测中的有效性，在以下实施例中，利用汞离子浓度已知的待测水溶液进行检测。另外，利用紫外-可见分光光度计测定金纳米颗粒的聚集过程， 以对肉眼检测提供更加科学和精确的佐证。实施例1.根据本发明提供的汞离子检测方法的一个具体实施步骤包括1)配制待测水溶液，该待测水溶液的汞离子浓度为1 μ M(微摩尔每升)、pH值为1。2)利用表面被11-巯基-1-三甲基铵修饰的金纳米颗粒的溶液作为检测试剂，将体积为5 μ L、金纳米颗粒浓度为150ηΜ的该种检测试剂加入到体积为495 μ L的酸性待测水溶液中，形成混合溶液，使得金纳米颗粒的最终浓度为1. 5ηΜ，汞离子的浓度基本没有发生变化。3)溶液颜色迅速由红色变为蓝色，表明金纳米颗粒发生了聚集，在8小时之后，聚集后的金纳米颗粒在瓶底形成黑色沉淀，上清液为无色水溶液。根据本发明提供的方法，本实施例所用的检测试剂，是利用11-巯基-1-三甲基铵作为配体分子修饰到金纳米颗粒表面而形成。将金纳米颗粒的表面化学修饰上11-巯基-ι-三甲基铵，巯基通过金-硫键与金表面共价连接，三甲基铵则暴露于金纳米颗粒的最外层(如图1示)。该功能化的金纳米颗粒能均勻分散于水溶液中，使水溶液显红色。由于汞离子与巯基有很强的结合能力，在酸性环境中，配体分子末端的三甲基铵、酸性环境中的氢离子和汞离子三者之间的静电排斥力，使得汞离子在溶液中的运动加剧，能促使汞离子与金表面的巯基结合，从而将配体分子从金纳米颗粒表面取代下来(见图1)。金纳米颗粒表面配体分子的减少，会导致金纳米颗粒发生聚集(图幻，聚集后的水溶液颜色呈现为紫色或蓝色。通过水溶液颜色是否变化即可判断水溶液中汞离子是否存在，从而达到检测汞离子的目的。由于其他金属离子与巯基的结合能力较弱，所以不会将配体从金纳米颗粒上取代下来，故本体系具有优秀的选择性。其中，本实施例所述的方法中，也可以先将上述检测试剂与待测水溶液混合后，再用酸(例如盐酸、硫酸等)调整PH值，只要该检测过程是在酸性环境中进行即可。这是由于金纳米颗粒表面的季铵盐带正电荷，能与酸性环境中的氢离子发生静电排斥，从而能使金纳米颗粒均勻分散在水中，在紫外-可见光谱中，吸收曲线不会发生变化。而在碱性环境中，金纳米颗粒表面的正电荷与碱性环境中的氢氧根负离子通过偶极-偶极相互作用，从而使金纳米颗粒聚集，其吸收曲线的变化表现为吸收峰红移，由520nm红移到600nm左右， 并形成一个宽峰(见图幻。所以本发明中的检测必须在酸性环境中完成，碱性环境会对汞离子检测有干扰。因此，酸性环境中氢离子的浓度对汞离子的检测有很大影响。为了证明这种影响， 发明人研究了在不同PH值条件下的最低检测浓度。具体试验步骤包括1)配制一系列浓度递减的汞离子水溶液(A1, Α^··Αη)，汞离子浓度范围在 0. 5μΜ 8mM之间；2)将50 μ L上述检测试剂分别加入到体积为4950 μ L的一系列浓度递减的汞离子水溶液(AnA^An)中，形成混合溶液(M1;M^Mn)，检测试剂中金纳米颗粒浓度为150ηΜ，使得上述混合溶液中金纳米颗粒的最终浓度为1. 5ηΜ ；3)将混合溶液M1分为若干份(Μη，Μ12···Μ1ω)，利用盐酸调整每一份上述混合溶液 (M11, M12-Mlffl)的ρΗ值，使每一份上述混合溶液的ρΗ值不等，且范围在1 7之间；4)对其他汞离子浓度的上述混合溶液(M2,…^)重复步骤3)。5)找出每一 PH值所对应的能检测到的最低汞离子浓度，制成如图4所示图表。从图4中可看出，ρΗ值越低，所能检测到的汞离子浓度就越低。在ρΗ值为1.0时， 所能达到的最低检测浓度为1 μ Μ(微摩尔每升)，随着ρΗ值增大，最低检测浓度也增高，在PH 2. 5 7.0之间时，所能达到的最低检测浓度约为5mM(毫摩尔每升)。因此，为了达到较好的灵敏度，检测试剂与待测水溶液的混合溶液的PH值优选为1 2. 5，更优选pH值为 1. 0。随着汞离子浓度降低，溶液颜色变化越来越不明显，在上述混合溶液优选pH值为 1. 0的条件下，能肉眼辨别颜色变化的最低检测浓度为1 μ Μ,即本发明在无任何仪器辅助下的最低检测浓度为ι μ μ。为了验证该灵敏度的结果，申请人用紫外-可见分光光度计测试了汞离子浓度不同的溶液(汞离子浓度分别为0 μ Μ，1 μ Μ，2 μ Μ，3 μ Μ，4 μ Μ)吸光度的变化，520nm处的吸光度随着汞离子浓度降低而增大，同时640nm左右的吸光度值随着汞离子浓度降低而减小(图5)，说明其颜色变化越来越不明显。本发明在无任何仪器辅助下的最低检测浓度为1 μ Μ，在紫外-可见分光光度计的辅助检测下，可进一步降低检测浓度，提高检测灵敏度。本实施例所述的方法中，上述检测试剂与待测水溶液的混合溶液中，金纳米颗粒的最终浓度不限于1. 5ηΜ，例如可在1 IOnM范围内。检测试剂中金纳米颗粒浓度也不限于 150ηΜ，只要与待测溶液混合后，能够使金纳米颗粒的最终浓度在1 IOnM范围内即可，但检测试剂中的金纳米颗粒浓度不宜过低，否则会大大降低上述混合溶液中汞离子的浓度， 从而可能造成溶液颜色变化不明显，影响汞离子的检测。本实施例所述的方法中，金纳米颗粒的直径可以为13nm左右(见图6)。金纳米颗粒的制备可采用现有的柠檬酸钠还原氯金酸制备法、电化学还原法、辐射还原法等。金纳米颗粒的表面改性方法包括配体交换法、NaBH4还原法等。实施例2.根据本发明提供的汞离子检测方法还可以利用太阳光辅助照射以提高灵敏度，其具体实施步骤包括1)配制待测水溶液，该待测水溶液的汞离子浓度为30nM(纳摩尔每升)、pH值为 1。2)利用表面被11-巯基-1-三甲基铵修饰的金纳米颗粒的溶液作为检测试剂，用太阳光照射该检测试剂30秒后，立即将体积为5 μ L (微升)、金纳米颗粒浓度为150ηΜ的上述检测试剂加入到体积为495 μ L的待测水溶液中，形成混合溶液，使得金纳米颗粒的最终浓度为1. 5ηΜ，汞离子的浓度基本没有发生变化。3)溶液颜色迅速由红色变为蓝色，表明金纳米颗粒发生了聚集。根据本发明所提供的方法，照射太阳光后，由于金纳米颗粒吸收光子后，会发生光热转换，使金纳米颗粒表面的能量增高，从而活化金纳米颗粒表面的金-硫键，使汞离子更容易打断金-硫键，将配体分子从金表面脱附，导致金纳米颗粒聚集，从而实现更低浓度下的汞离子检测，提高灵敏度。其中根据本发明的实施例，也可以先将上述检测试剂与待测水溶液混合后，再照射太阳光。还可以在上述检测试剂与待测水溶液混合的同时照射太阳光。太阳光照射时间不限于30秒，例如在20秒到40秒范围内。太阳光可以是自然太阳光，也可以是太阳光激发器发射出的光，太阳光激发器的功率例如可以为300W。发明人还研究了在太阳光辅助条件下，本发明所能达到的最低检测浓度。具体方法包括
1)配制一系列浓度递减的汞离子水溶液(A1, A^An)，汞离子浓度范围在OnM 600nM之间。2)将5 μ L上述检测试剂分别加入到体积为495 μ L的一系列浓度递减的汞离子水溶液(AnA^An)中，形成混合溶液(M1;MfMn)，检测试剂中金纳米颗粒浓度为150ηΜ，使得上述混合溶液中金纳米颗粒的最终浓度为1. 5ηΜ ；3)利用盐酸，将上述混合溶液(M1, M^ Mn)的ρΗ值调整为1。4)用300W的太阳光激发器发射出的太阳光照射上述混合溶液(M1JfMnMO秒。试验结果如图7所示，随着汞离子浓度的升高，670nm处的吸收峰逐渐增高，520nm 处的吸收峰逐渐降低。从上述试验结果中可看出，能使溶液颜色发生变化的最低汞离子浓度为30nM，见图7中虚线所示。该检测浓度是已知的可视化检测能达到的最低浓度为了证实本发明的选择性，发明人还研究了其他金属离子对本发明的干扰。这些离子包括 Al3+，Ba2+，Ca2+，Cd2+，Co2+，Cr2+，Cu2+，Fe2+，Fe3+，Hg2+，K+，Mg2+，Mn2+，Na+, Ni2+，Pb2+， Zn2+0将这些金属离子分别溶解于蒸馏水中，形成离子浓度均为100 μ M的水溶液，利用根据本发明的上述实施例1中所述的方法进行检测，发现只有汞离子能使溶液颜色发生变化， 而其他离子没有变化，从而验证了本发明具有很好的选择性。同时，通过紫外-可见分光光度计来测试其吸收值的变化，只有汞离子加入后的上述溶液的吸收值发生了变化，其吸收峰由520nm红移至600nm左右，并伴随着吸收峰的变宽。通过比较加入金属离子前后520nm 处的吸光度的变化，可以明显看到本发明对汞离子具有相当好的选择性(图8)。最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
权利要求
1.一种利用表面改性的金纳米颗粒检测汞离子的方法，包括1)利用表面被11-巯基-1-三甲基铵改性的金纳米颗粒的溶液作为检测试剂；2)将该检测试剂与待测水溶液混合，其中所得的混合溶液为酸性；3)通过混合溶液颜色的变化来判断待测水溶液中汞离子是否存在。
2.根据权利要求1所述的检测汞离子的方法，其特征在于，在上述步骤2)中，先将上述检测试剂与待测水溶液混合后，再调整混合溶液的PH值，使检测体系为酸性。
3.根据权利要求1所述的检测汞离子的方法，其特征在于，在上述步骤2)中，先调整待测水溶液的PH值，使其为酸性，再将上述检测试剂与待测水溶液混合。
4.根据权利要求2或3所述的检测汞离子的方法，其特征在于，上述检测试剂与待测水溶液的混合溶液的pH值为1 2. 5。
5.根据权利要求4所述的检测汞离子的方法，其特征在于，上述检测试剂与待测水溶液的混合溶液的PH值为1。
6.根据权利要求1所述的检测汞离子的方法，其特征在于，在上述步骤2)中，还包括太阳光照射。
7.根据权利要求6所述的检测汞离子的方法，其特征在于，在上述步骤2)中，先对检测试剂进行太阳光照射，再将上述检测试剂与待测水溶液混合。
8.根据权利要求6所述的检测汞离子的方法，其特征在于，将上述检测试剂与待测水溶液混合后，再在太阳光下照射。
9.根据权利要求1-3或6-8所述的检测汞离子的方法，其特征在于，上述金纳米颗粒的直径为13纳米左右。
10.根据权利要求1至3或6至8中任一项所述的检测汞离子的方法，其特征在于，检测试剂与待测水溶液的混合溶液中，金纳米颗粒的浓度在1 IOnM范围内。
全文摘要
本发明提供一种利用表面改性的金纳米颗粒检测汞离子的方法，利用表面被11-巯基-1-三甲基铵改性的金纳米颗粒的溶液作为检测试剂，将该检测试剂与待测水溶液混合，并调整混合溶液的pH值，使检测体系为酸性，通过水溶液颜色的变化来判断水溶液中汞离子是否存在。还可加以太阳光辅助照射，以提高检测的灵敏度。本发明灵敏度高且具有优秀的选择性，读出形式为可视化，不需要依赖任何大型仪器。本发明可用于检测饮用水。
文档编号G01N21/78GK102374986SQ201010253948
公开日2012年3月14日 申请日期2010年8月13日 优先权日2010年8月13日
发明者刘定斌, 王卓, 蒋兴宇 申请人:国家纳米科学中心