银包金纳米棒比色探针的制备方法及其检测铜离子的方法与流程

本发明涉及铜离子检测的技术领域，尤其是涉及一种银包金纳米棒比色探针的制备方法及其刻蚀反应检测铜离子的方法。

背景技术：

随着电子技术的不断发展，全球金属铜的需求也稳定增长。对冶炼、采矿等残渣的不当处理造成环境的污染，近年来不断引起人们的注意。人们已经证实人体内铜离子的过量富集会引起神经系统和泌尿系统的损伤。美国环境保护署（EPA）建议，饮用水中铜离子的含量应低于1.3 mg/kg（约20 μmol/L）。一般说来，通过实验室的精密仪器如质谱、原子光谱、伏安法等检测此含量甚至更低的铜离子都是很简单的。但是，由于这些方法要么依赖于大型仪器设备，要么缺乏选择性，从而没法对环境水样中的铜离子进行快速实地的检测。因此，发展一种快速、廉价、可靠、灵敏度高的铜离子的检测探针和检测方法是非常有必要的。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，提供一种快速、成本较低，可靠、灵敏度较高的银包金纳米棒比色探针的制备方法及其检测铜离子的方法。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是，

本发明之银包金纳米棒比色探针的制备方法，包括以下步骤：

（1）种子合成: 在血清瓶中，加入氯金酸溶液和CTAB（十六烷基三甲基溴化铵）溶液，在不断搅拌下加入硼氢化钠溶液，溶液迅速变为茶色，再继续搅拌2min～10min，最后放入 28～30℃水浴中静置1～3 h，即得到种子溶液；其中，氯金酸溶液中的氯金酸与CTAB溶液中的CTAB的摩尔比为1:300～500；氯金酸溶液中的氯金酸与硼氢化钠溶液中的硼氢化钠的摩尔比为1:2.3～2.8；

进一步，步骤（1）中，所得种子溶液中种子的摩尔浓度为0.92～1.15μmol/L。

（2）种子生长：在另一血清瓶中，依次加入氯金酸溶液、CTAB溶液、硝酸银溶液和抗坏血酸溶液，最后加入步骤（1）中制备得到的种子溶液，继续搅拌2min～10min，再放入28～30℃水浴中静置30min～3h，得到红色溶液，即为金纳米棒溶液；其中，氯金酸溶液中的氯金酸与CTAB溶液中的CTAB、硝酸银溶液中的硝酸银、抗坏血酸溶液中的抗坏血酸、种子溶液中的种子的摩尔比为1:180～500:0.18～0.25:0.800～1.2:0.000005～0.000007。

（3）金纳米棒的纯化：将步骤（2）中制备得到的金纳米棒溶液离心纯化，得到金纳米棒；

（4）银包金纳米棒的合成：将步骤（3）中纯化得到的金纳米棒加入CTAB溶液中震荡均匀；然后加入抗坏血酸溶液和硝酸银溶液，混合均匀；再加入NaOH溶液调节pH值至8～9，启动包覆反应；最后放入 28～30℃水浴中静置20～24 h，即得到银包金纳米棒比色探针溶液。其中，金纳米棒与CTAB溶液中的CTAB、抗坏血酸溶液中的抗坏血酸、硝酸银溶液中的硝酸银、NaOH溶液中的NaOH的摩尔比为1: 150000～200000:1800～2100:600～850: 15000～20000。

进一步地，各步骤中，所述氯金酸溶液的摩尔浓度为20～50mmol/L。所述CTAB（十六烷基三甲基溴化铵）溶液的摩尔浓度为0.05～0.15mol/L。所述硼氢化钠溶液的摩尔浓度为0.10～0.12 mol/L。所述硝酸银溶液的摩尔浓度为0.01～0.02mol/L。所述抗坏血酸溶液的摩尔浓度为0.10～0.15 mol/L。所述NaOH溶液的摩尔浓度为0.1～0.5 mol/L。

进一步，步骤（1）中，加入硼氢化钠溶液时，迅速加入新配制冰镇的硼氢化钠溶液。

进一步，步骤（3）中，所述离心纯化，在转速为8000～12000r/min、温度为25～30℃下离心10～30min。离心纯化后金纳米棒的摩尔浓度为0.25～0.30 μmol/L。

进一步，步骤（4）中，银包金纳米棒比色探针溶液的摩尔浓度为0.04～0.05 μmol/L。

本发明之银包金纳米棒比色探针检测铜离子的方法，包括以下步骤：

取离心管，加入150～300 μL Tris-HCL（优选pH=5.4）缓冲溶液、150～500 μL 质量浓度为1～3%的吐温-20溶液和 600～800 μL制备的银包金纳米棒比色探针溶液（优选摩尔浓度为0.04～0.05 μmol/L），混合均匀，再加入25～50 μL 50～100 mmol/L的Na₂S₂O₃溶液，然后加入500～1000 μL待测样品溶液，最后置于20～25℃恒温振荡器内摇动30 min～1 h，观察反应溶液颜色变化或者检测溶液的UV-Vis光谱变化，定性或定量分析铜离子的存在或含量。

在本发明技术方案中，若反应溶液颜色由蓝绿色变浅，则待测样品溶液中含有铜离子，且溶液中铜离子的浓度大于或等于0.1 nmol/L，若需要定量分析，检测混合溶液中UV-Vis光谱变化，确定溶液中铜离子的浓度；若所述反应颜色没有变化，说明待测样品溶液没有铜离子，或者溶液中铜离子的浓度小于0.1 nmol/L，若需要定量分析，检测混合溶液中紫外吸收光谱变化，确定溶液中铜离子的浓度或有无铜离子。

在上述技术方案中，所述定量分析中，建立标准曲线进行定量检测，包括以下步骤：

（1）配制不同浓度的铜离子超纯水溶液，其中，铜离子的浓度分别为：0、0.001、0.01、0.1、1、10、100、200、400、600、800、1000、1200、2000 nmol/L；

（2）取14支5 mL的离心管，分别加入160 μL Tris-HCL缓冲溶液（优选pH=5.4）、160 μL 质量浓度为1%的吐温-20溶液和 748 μL制备的银包金纳米棒比色探针溶液（优选摩尔浓度为0.04～0.05 μmol/L），混合均匀，再加入32 μL 50 mmol/L的Na₂S₂O₃溶液，然后往不同的离心管中分别加入500 μL不同浓度的铜离子超纯水溶液，最后置于20℃恒温振荡器内摇动30 min～1 h，测定其混合溶液的UV-Vis光谱变化。以最大吸收峰的位移值为纵坐标，铜离子浓度为横坐标绘制标准曲线，在0.001-1200 nmol/L Cu²⁺范围内，线性方程为Y=0.1591X+7.348，线性相关系数为0.99314（参见图1），可用于铜离子的定量检测。

研究证明，在本发明技术方案中，银包金纳米棒比色探针刻蚀反应检测铜离子的方法，其检测范围为：0.001～1200 nmol/L（参见附图2）。

本发明的设计原理和理论基础：

（1）作为一种新型复合纳米材料，银包覆的金纳米棒（Au@AgNRs）与AuNRs同样，仍然保持着特有的光学性质。但是相比较于普通的AuNRs，Au@AgNRs随着银层厚度的变化呈现出不同的颜色并且纵向吸收峰产生相应的蓝移（由薄到厚分别呈现出浅灰色、蓝绿色、紫红色甚至是亮红色）。

（2）利用Cu²⁺在S₂O₃^2–-Ag刻蚀体系中特殊的催化作用，发展一种新型免标记比色检测水环境中Cu²⁺的方法。如附图3所示，在没有Cu²⁺存在时溶胶颜色和SPR吸收只有轻微改变，这是因为Ag和S元素的络合作用，有溶解氧存在时Au@AgNRs表面形成Ag(S₂O₃)₂^3–复合物，这会造成表面银层的微量溶解和SPR吸收的改变，同时也阻止刻蚀反应的进一步进行。但是，当有Cu²⁺存在于S₂O₃^2–-Au@AgNRs 溶胶体系时，银壳厚度明显降低，并伴随着紫外可见吸收光谱的改变。Cu²⁺对银的溶解有非常强的催化作用，在Cu²⁺和S₂O₃^2-同时存在时，能将银氧化成Ag (S₂O₃)₂^3–，而Cu(S₂O₃)₃^5–仍可被溶解氧氧化成Cu²⁺。因此，在S₂O₃^2--Au@AgNRs溶胶体系中加入Cu²⁺，Au@AgNRs银层厚度明显降低，SPR吸收峰红移，通过最大吸收峰处的位移改变，能实现水环境中Cu²⁺的定量检测。

（3）选择性测试：

取13支5 mL离心管，分别加入160 μL的 Tris-HCL缓冲溶液、160 μL1%的吐温-20溶液和 748 μL银包金纳米棒比色探针溶液、32 μL 50 mmol/L Na₂S₂O₃溶液，然后分别加入500 μL 超纯水，1000 nmol/L的氯化钾、氯化钠、氯化钙、氯化镁、硝酸锌、氯化铬、硝酸锰、氯化铁、硝酸铅、氯化钴、氯化汞、200 nmol/L的氯化铜，最后置于20℃恒温振荡器内摇动30 min～1 h，测定其混合溶液的UV-Vis光谱，观察并比较之间的区别，参见附图4。

如图所示，只有200 nmol/L Cu²⁺存在时才会引起最大吸收峰位移的增加，S₂O₃^2–-Au@AgNRs反应体系颜色发生明显改变。因此可以证明该传感器对铜离子具有良好的选择性。

本发明的有益效果在于：

（1）本发明制备的银包金纳米棒比色探针对铜离子具有良好的选择性，与其他离子相比，只有铜离子能够实现对刻蚀体系的催化加速并引起显著的紫外可见吸收和颜色改变。

（2）本发明的检测方法灵敏度高，裸眼检测铜离子浓度已达到0.1 nmol/L，比色法检测铜离子的检出限达到0.001 nmol/L。

（3）本发明的检测方法操作简单、快速，不需要借助复杂昂贵的大型仪器，成本低廉，可实现裸眼检测，适用于大规模的现场快速检测。

附图说明

图1为S₂O₃^2--Au@AgNRs溶液中加入不同浓度铜离子时，其UV-Vis变化光谱图中最大吸收峰处位移与不同铜离子浓度之间线性关系的标准曲线图；

图2为不同浓度铜离子中S₂O₃^2--Au@AgNRs溶液的UV-Vis变化光谱图；

图3 为铜离子催化刻蚀银包金纳米棒比色探针的传感机制；

图4为不同金属离子中加入银包金纳米棒比色探针的UV-Vis变化光谱图。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以下结合具体实施例进一步阐明本发明的主要内容，但本发明的内容不仅仅局限于以下实施例。

实施例1

本实施例之银包金纳米棒比色探针的制备方法，包括以下步骤：

（1）种子合成: 在25 mL血清瓶中，加入40.5 μL 0.02428 mol/L的氯金酸溶液和4 mL 0.1 mol/L 的CTAB溶液，在不断搅拌下迅速加入新配制冰镇的24.5 μL 0.1 mol/L硼氢化钠溶液，溶液迅速变为茶色，继续搅拌2 min，最后放入 28℃水浴中静置2h，即得到种子溶液；

所得种子溶液中种子的摩尔浓度为0.98μmol/L。

（2）种子生长：在另一25 mL血清瓶中，依次加入206 μL0.02428 mol/L的氯金酸溶液、10 mL 0.1 mol/L的CTAB溶液、100 μL 10 mmol/L的硝酸银溶液和52.5 μL 100 mmol/L的抗坏血酸溶液，然后加步骤（1）中制备得到的种子溶液30 μL，继续搅拌2 min，再放入 28℃水浴中静置1h，得到红色溶液，即为金纳米棒溶液；

（3）金纳米棒的纯化：将合成的金纳米棒溶液放入离心管中，用高速离心机离心纯化（转速10000 r/min，离心时间10 min）。离心过程温度设为25℃，防止CTAB结晶析出，以免影响金纳米棒的分离纯化效率；离心纯化后金纳米棒的摩尔浓度为0.28 μmol/L。

（4）银包金纳米棒的合成：将纯化得到的4 mL金纳米棒加入2 mL 100 mmol/L CTAB溶液中震荡均匀；然后加入22 μL 100 mmol/L抗坏血酸溶液和85 μL 10 mmol/L硝酸银溶液，混合均匀；再加入200 μL 0.1 mol/L的 NaOH溶液调节pH值为8.5，启动包覆反应。最后放入30℃水浴中静置20 h，即得到银包金纳米棒比色探针溶液，银包金纳米棒比色探针溶液的摩尔浓度为0.047 μmol/L。

本实施例之银包金纳米棒比色探针检测铜离子的方法，包括以下步骤：

取5 mL离心管，加入160 μL Tris-HCL缓冲溶液（pH=5.4）、160 μL质量浓度为1%的吐温-20溶液和 748 μL银包金纳米棒比色探针溶液，混合均匀，再加入32 μL 50 mmol/L Na₂S₂O₃溶液，然后加入500 μL待测样品溶液，最后置于20℃恒温振荡器内摇动1 h，观察反应溶液颜色变化，定性分析铜离子的存在；或者检测溶液的UV-Vis光谱变化，定量分析铜离子的含量。