一种环境水体样本中镉离子含量的定量分析方法
【专利摘要】本发明公开了一种环境水体样本中镉离子含量的定量分析方法，其主要过程如下：1)通过在SERS基底上修饰适量的比率型探针三聚硫氰酸制备出具有螯合镉离子功能的SERS基底；2)利用此SERS基底获取含镉离子的标准样本和待测环境水体样本的SERS光谱；3)利用比率型探针SERS光谱定量分析理论在标准样本的镉离子浓度与其SERS光谱之间建立校正模型；4)利用所建立的校正模型从待测环境水体样本的SERS光谱中准确预测出镉离子的浓度。本发明是一种无需使用内标物的比率型探针SERS光谱准确定量分析技术，为环境和食品领域提供了一简单、灵敏且具有低成本效益的镉离子检测方法。
【专利说明】一种环境水体样本中镉离子含量的定量分析方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种环境水体样本中镉离子含量的定量分析方法。
【背景技术】
[0002] 镉（Cd)是一种毒性很强的重金属。镉会对呼吸道产生刺激，长期暴露会造成嗅觉 丧失症、牙龈黄斑或渐成黄圈，镉化合物不易被肠道吸收，但可经呼吸被体内吸收，积存于 肝或肾脏造成危害，尤以对肾脏损害最为明显。还可导致骨质疏松和软化、增强肿瘤的生长 [1-6]。镉不是人体的必需元素。人体内的镉是出生后从环境中吸取的，主要通过食物、水 和空气而进入体内积蓄下来，并且镉的排除速度很慢，人肾皮质镉的生物学半衰期是10? 30年。因而，被镉污染的食物、水和空气对人体危害很严重。目前镉的主要污染源是电镀、 采矿、冶炼、染料、电池和化学工业等排放的废水，所以镉离子对水的污染在世界普遍存在 [7, 8]。有毒物质和疾病登记机构和美国环境保护署将镉列为前20名危险物质中的第7位 [9]。美国环境保护署限制排入湖、河、弃置场和农田的镉量并禁止杀虫剂中含有镉。美国 环境保护署允许饮用水含有lOppb的镉，并打算把限制减到5ppb。美国食品和药物管理局 规定食用色素的含镉量为不得多于15ppm。美国职业安全卫生署规定工作环境空气中镉含 量在烟雾为1〇〇微克/立方米，在镉尘为200微克/立方米。美国职业安全卫生署计划将 空气中所有镉化合物含量限制在1?5微克/立方米，希望让工人尽量少呼吸到镉以防止 肺癌[9, 10]。欧盟也将镉列为高危害有毒物质和可致癌物质并予以规管。
[0003] 综上所述，基于镉离子对人体的种种危害，分析研究工作者已经开发了一系列的 检测镉离子的分析方法，包括电热原子吸收光谱[11]、原子荧光光谱法[12]、比率型镉离 子荧光探针[13]和电感耦合等离子体质谱法[14]。虽然这些方法可以基本上实现环境样 品中镉离子含量的定量分析，但是当镉离子浓度非常低，或者待测环境和生物样品的基质 比较复杂时，就需要对样品进行分离和富集等较繁杂的前处[15, 16]。这些前处理过程通常 比较费时、费力、成本高，并且对环境还会造成污染，不适用于环境水体样本中镉离子含量 的日常快速原位分析。因此目前仍然迫切需要发展简单、灵敏且具有低成本效益的镉离子 检测方法。
[0004] 由于其出色的分子特征性、很少受光漂白的影响以及极高的灵敏度，表面增强拉 曼光谱（SERS)被分析家们认为是一种潜在的可用于复杂基质中微量成分定量分析的光谱 分析技术[17]。目前，SERS技术已经被逐渐应用于生物医学和环境分析等领域[18-20]。 虽然SERS技术具有上述独特优点，但其实际应用仍然受到诸多限制。由于SERS光谱信号 强度在很大程度上依赖于增强基底的物理性质（如：纳米金或银胶体的粒径大小、形状以 及聚集度等），而目前仍然难以制备出物理性质高度稳定和高重复的SERS增强基底，所以 现阶段SERS技术仅属于定性或半定量分析技术。采用内标法在一定程度上可以消除SERS 基底物理性质以及激光光源功率和聚焦位置的不同对SERS信号强度的影响[21-24]。但采 用内标法时，要求内标物质必须有一个或多个与待测样本中所有组分的SERS光谱峰不重 叠的SERS峰；而且待测样本中不能有其他具有SERS光谱活性的共存化合物和荧光背景的 干扰。显然，对不同的目标组分进行定量分析时，需要采用不同的内标。对于一些复杂基质 样本中待测物质的SERS定量分析（如细胞内蛋白质的SERS定量分析）来说，通常很难找 到合适的内标。这在很大程度上限制了内标法的广泛应用。
[0005] 近年来，一些工作者提出了用于表面增强拉曼光谱的乘子效应模型 (Multiplicative Effects Model for Surface-Enhanced Raman Spectroscopy, MEMSERS) [25, 26]，该模型能有效的消除SERS基底物理性质的变化对SERS定量分析结果的影响。不 同于传统内标法，MEMSERS模型不需要内标具有与待测物质中所有组分的SERS光谱峰均不 重叠的SERS光谱峰，而且不受其他共存SERS活性物质和荧光背景的干扰。MEMSERS成功的 弥补了传统内标法上述的不足，能够实现复杂样本中待测物质的准确SERS光谱定量分析。 然而，MEMSERS模型的内标检测模式仍然需要使用内标物，这使得SERS定量检测过程仍然 比较复杂。
[0006] 参考文献
[0007] [1]Stoeppler M. Hazardous metals in the environment. Techniques and instrumentation in analytical chemistry. Elsevier, Amsterdam, 1992, 12:177
[0008] [2]Daher R. T. Trace metals(lead and cadmium exposure screening). Analytical Chemistry, 1995, 67(12):405-410
[0009] [3]Friberg L,Kjellstrom T, Nordberg G F. Handbook on the Toxicology of Metals. Elsevier, Amsterdam, 1986, 2:130-143
[0010] [4] Robards K, Worsfold P. Cadmium: toxicology and analysis. A review. Analyst，1991，116(6) :549-568
[0011] [5]Darwish I A，Blake D A. One-step competitive immunoassay for cadmium ions:development and validation for environmental water samples. Analytical Chemistry，2001，73(8):1889-1895
[0012] [6] Davis A C，Wu P，Zhang X F，Hou X D，Jones B T. Determination of cadmium in biological samples. Applied Spectroscopy Reviews, 2006, 41 (1):35-75
[0013] [7]Dobson S. Cadm i um : en v i r onmen t a 1 aspects. World Health Organization, Geneva, 1992
[0014] [8]Yi H C,Mei P.Determination of cadmium(II)using H202-〇xidized activated carbon modified electrode. Journal of Applied Electrochemistry, 2008, 38 (11):1623-1627
[0015] [9]Agency for Toxic Substances and Disease Registry,4770 Buford Hwy NE，Atlanta，GA30341
[0016] [10] Wor 1 d Health Organization, Avenue Appia 20,1211 Geneva 27, Switzerland
[0017] [11]Butcher D J. Advances in electrothermal atomization atomic absorption spectrometry: instrumentation, methods, and applications. Applied Spectroscopy Reviews, 2006, 41 (1):15-34
[0018] [12]Reis B F, Rodenas-Torralba E, Sancenon-Buleo J, Morales-Rubio A，de la Guardia M. Improvement of the atomic fluorescence determination of mercury by using multicommutation.Journal of Analytical Atomic Spectrometry, 2002, 17(5) :537-540
[0019] [13] Liu Z P, Zhang C L, He W J, Yang Z H, Gao X, Guo Z J. A highly sensitive ratiometric fluorescent probe for Cd2+detection in aqueous solution and living cells. Chemical Communications，2010, 46(33):6138-6140
[0020] [14] Palmer C D，Lewis Μ E，Geraghty C M，Barbosa F，Parsons P J.Determination of lead,cadmium and mercury in blood for assessment of environmental exposure:a comparison between inductively coupled plasma-mass spectrometry and atomic absorption spectrometry. Spectrochimica Acta Part B:Atomic Spectroscopy, 2006, 61 (8):980-990
[0021] [15]Ferreira S L C, de Andrade J B, Korn M D A, Pereira M D, Lemos V A，dos Santos W N L，Rodrigues F D,Souza A S，Ferreira H S，da Silva E G P. Review of procedures involving separation and preconcentration for the determination of cadmium using spectrometric techniques. Journal of Hazardous Materials，2007, 145(3):358-367
[0022] [16]Pereira M G，Arruda M A Z. Trends in preconcentration procedures for metal determination using atomic spectrometry techniques. Microchimica Acta，2003, 141 (3-4):115-131
[0023] [17] Fleischmann M, Hendra P J, McQuillan A J. Raman spectra of pyridine adsorbed at a silver electrode. Journal of Chemical Physics Letters，1974, 26(2):163-166
[0024] [18]Baraldi C，Freguglia G，Tinti A，Sparta M，Alexandrova A N，Gamberini M C. IR, Raman and SERS spectra of propantheline bromide. Spectrochimica Acta Part A:Molecular and Biomolecular Spectroscopy，2013, 103:1-10
[0025] [19]Wu Z T，Liu Y Z，Zhou X D，Shen A G，Hu J M.A "turn-〇ff"SERS-based detection platform for ultrasensitive detection of thrombin based on enzymatic assays. Biosensors and Bioelectronics,2013, 44:10-15
[0026] [20]Smith W E. Practical understanding and use of surface enhanced Raman scattering/surface enhanced resonance Raman scattering in chemical and biological analysis. Chemical Society Reviews, 2008, 37(5):955-964
[0027] [21] Lee S，Choi J，Chen L，Park B，Kyong J B，Seong G H，Choo J，Lee Y，Shin K H，Lee E K，Joo S W, Lee K H. Fast and sensitive trace analysis of malachite green using a surface-enhanced Raman microfluidic sensor. Analytica Chimica Acta，2007, 590 (2) :139-144
[0028] [22]Loren A, Engelbrektsson J, Eliasson C, Josefson M，Abrahamsson J, Johansson M，Abrahamsson K. Internal standard in surface-enhanced Raman spectroscopy. Analytical Chemistry, 2004, 76(24):7391-7395
[0029] [23]Zhang D，Xie Y，Deb S K，Davison V J，Ben-Amotz D. Isotope edited internal standard method for quantitative surface-enhanced Raman spectroscopy. Analytical Chemistry, 2005, 77(11):3563-3569
[0030] [24]Deb S K，Davis B，Knudsen G M，Gudihal R，Ben-Amotz D，Davisson V J.Detection and relative quantification of proteins by surface enhanced Raman using isotopic labels. Journal of the American Chemical Society,2008,130(30):9624-9625
[0031] [25] Song J, Chen Z P, Jin J W, Chen Y, Yu R Q. Quantitative surface-enhanced Raman spectroscopy based on the combination of magnetic nanoparticles with an advanced chemometric model. Chemometrics and Intelligent Laboratory Systems，2014, 135:31-36
[0032] [26] Xia T H，Chen Z P，Chen Y，Jin J W，Yu R Q. Improving the quantitative accuracy of surface-enhanced Raman spectroscopy by the combination of microfluidics with a multiplicative effects model. Analytical Methods，2014, 6 (7) : 2363-2370.
【发明内容】
[0033] 本发明所要解决的技术问题是，针对上述现有技术的不足，提供一种环境水体样 本中镉尚子含量的定量分析方法。
[0034] 为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种环境水体样本中镉离子 含量的定量分析方法，包括以下步骤：
[0035] 1)在金纳米颗粒上标记适量的比率型探针三聚硫氰酸，制备出具有螯合镉离子功 能的SERS基底；
[0036] 2)采用上述SERS基底，在二极管激光器所发出的785nm激光的激发下，获取含镉 离子的标准样本的SERS光谱；
[0037] 3)在标准样本的SERS光谱数据X和标准样本中镉离子的浓度矢量c之间建立校 正模型；
[0038] 4)获取实际待测环境水体样本的SERS光谱xtest，采用上述校正模型预测出实际环 境水体样本中镉离子的浓度。
[0039] 所述步骤1)中，金纳米颗粒粒径为13nm。
[0040] 所述步骤2)中，含镉离子的标准样本为采用超纯水配置的镉离子标准液，且所 述镉离子标准液的浓度梯度为 〇·〇〇〇、〇· 〇1〇、〇· 〇62、0· 083、0· 100、0· 120、0· 170、0· 190、 0· 210 ;SERS光谱扫描范围为317?1477CHT1。
[0041] 所述步骤3)中，校正模型的建立过程如下：
[0042] 1)确定所述标准样本的SERS光谱与所述标准样本中镉离子浓度之间的关系：
[0043]
【权利要求】
1. 一种环境水体样本中镉离子含量的定量分析方法，其特征在于，包括以下步骤： 1) 在金纳米颗粒上标记适量的比率型探针三聚硫氰酸，制备出具有螯合镉离子功能的 SERS基底； 2) 采用上述SERS基底，在二极管激光器所发出的785nm激光的激发下，获取N个含镉 离子的标准样本的SERS光谱； 3) 在标准样本的SERS光谱数据X和标准样本中镉离子的浓度矢量c之间建立校正模 型； 4) 获取实际待测环境水体样本的SERS光谱xtest，采用上述校正模型预测出实际环境水 体样本中镉离子的浓度。
2. 根据权利要求1所述的环境水体样本中镉离子含量的定量分析方法，其特征在于， 所述步骤1)中，金纳米颗粒粒径为13 nm。
3. 根据权利要求1或2所述的环境水体样本中镉离子含量的定量分析方法，其特征在 于，所述步骤2)中，含镉离子的标准样本为采用超纯水配置的镉离子标准液，且所述镉离 子标准液的浓度梯度为 〇·〇〇〇、〇· 〇1〇、〇· 〇62、0· 083、0· 100、0· 120、0· 170、0· 190、0· 210 中 的一种。
4. 根据权利要求3所述的环境水体样本中镉离子含量的定量分析方法，其特征在于， 所述步骤2)中，SERS光谱扫描范围为317?1477CHT 1。
5. 根据权利要求4所述的环境水体样本中镉离子含量的定量分析方法，其特征在于， 所述步骤3)中，校正模型的建立过程如下： 1) 确定所述标准样本的SERS光谱与所述标准样本中镉离子浓度之间的关系：
其中，Xi代表第i个标准样本的SERS光谱；[TMTh和[TMT-CcHi分别代表第i个标 准样本中游离三聚硫氰酸的浓度以及三聚硫氰酸与镉离子结合产物TMT-Cd的浓度；rTMT和 产分别代表三聚硫氰酸和TMT-Cd的分子散射特性屯代表由于所述SERS基底物理 性质以及激光光源的功率、聚焦位置的变化对第i个标准样本的SERS光谱信号强度产生的 乘子效应；φ代表由于背景干扰和SERS基底的物理性质变化对第i个标准样本SERS光谱 信号产生的非乘子效应； 2) 根据上述标准样本的SERS光谱与所述标准样本中镉离子浓度之间的关系估算所 有标准样本的乘子效应矢量b = [h ;…；bN]，建立以下两个校正模型也=a i+Xi β i ;
利用多元线性校正方法估计参数αρ βρ α2、和β2;其中，气为 第i个标准样本中总的镉离子浓度。
6. 根据权利要求5所述的环境水体样本中镉离子含量的定量分析方法，其特征在于， 所述步骤4)中，实际环境水体样本中镉离子的浓度计算公式如下：
【文档编号】G01N21/65GK104155287SQ201410439838
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年9月1日 优先权日:2014年9月1日
【发明者】陈增萍, 陈瑶, 田中群 申请人:湖南大学