一种磁共振检测溶液浓度的方法与流程

本发明属于分析检测
技术领域：
，具体涉及一种基于纵向(T1)和/或横向(T2)弛豫时间变化的磁共振检测溶液浓度的方法。
背景技术：
：分析检测技术是通过多种技术性的手段对被测对象进行分析，得出被测物定性或定量的元素成分组成结果的一项技术，它常被用于解决产品的性能、质量问题和失效分析，也用于测试产品的环保性等。目前常见的分析方法有光学检测、电化学检测等。但是，目前常见的分析方法存在诸多缺陷，如：检测速度缓慢、灵敏度差或不能准确有效地进行定量检测等。技术实现要素：本发明的目的在于提供一种磁共振检测溶液浓度的方法，该方法利用纳米材料的磁共振信号的变化实现对待测成分的快速、灵敏、准确的定量检测。本发明所提供的磁共振检测溶液浓度的方法，包括如下步骤：1)用超顺磁性金属离子修饰含有顺磁性金属离子的纳米材料，得到功能化纳米材料；2)分别用一系列标准品与所述功能化纳米材料进行反应，得到一系列混合液，并分别测其弛豫时间，做弛豫时间和浓度的标准曲线；3)将未知浓度的待测溶液与所述功能化纳米材料进行反应，得到混合液，测其弛豫时间，与所述标准曲线对比，即可得到所述待测溶液的浓度。上述磁共振检测溶液浓度的方法中，步骤1)中，所述超顺磁性金属离子选自Fe3+，Co3+和Ni3+中的至少一种，但不局限于此，其它超顺磁性金属离子亦适用。所述含有顺磁性金属离子的纳米材料选自顺磁性金属离子与稀土元素形成的氟化物、氧化物、氟氧化物、氟卤化物、磷酸盐、钒酸盐和钨酸盐中的至少一种，但并不局限于此。所述含有顺磁性金属离子的纳米材料中顺磁性金属离子的质量分数m为0＜m≤100％。所述含有顺磁性金属离子的纳米材料可为纳米颗粒和/或纳米棒，其中，所述纳米颗粒的直径为5nm-999nm，所述纳米棒的长度为6nm-20μm、直径为5nm-999nm。所述含有顺磁性金属离子的纳米材料可通过常规方法制备得到，如：固相法、液 相法、气相法等。所述顺磁性金属离子选自Gd3+，Ho3+和Mn2+中的至少一种，但不局限于此。所述稀土元素选自如下至少一种：镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu)、钪(Sc)和钇(Y)。所述含有顺磁性金属离子的纳米材料具体可为NaLuF4:Yb,Er,Gd纳米颗粒、NaGdF4:Dy纳米棒、NaLuF4:Mn纳米颗粒和NaLuF4:Ho纳米颗粒中的任一种。其中，所述NaLuF4:Yb,Er,Gd纳米颗粒中Gd的质量分数为10-80％，优选为30-50％具体可为40％。所述NaGdF4:Dy纳米棒中Gd的质量分数为15-100％，优选为70-90％，具体可为80％。所述NaLuF4:Mn纳米颗粒中Mn的质量分数为10-100％，优选为5-25％，具体可为15％。所述NaLuF4:Ho纳米颗粒中Ho的的质量分数为10-100％，优选为20-40％，具体可为30％。所述功能化纳米材料具体可按如下步骤制备得到：将含有顺磁性金属离子的纳米材料与NOBF4进行反应，用CH2Cl2和乙醇洗涤后，将反应所得物分散在柠檬酸钠的水溶液中，搅拌处理，最后加入含有超顺磁性金属离子的物质，进行修饰反应，即可得到所述功能化纳米材料。所述含有顺磁性金属离子的纳米材料与NOBF4的质量比为(0.1-1)：1，具体可为1：1。所述反应的反应温度为10-40℃，反应时间为5-60min，具体可为5min。所述柠檬酸钠的水溶液的质量分数为2.5％-61％，具体可为20％。所述搅拌处理的温度为10-40℃，时间为5-60min，具体可为60min。所述超顺磁性金属离子与所述含有顺磁性金属离子的纳米材料的摩尔比为(0.5-5)：1，具体可为0.5：1。所述修饰反应的反应温度为10-40℃，反应时间为5-60min，具体可为60min。所述含有超顺磁性金属离子的物质具体可为CoCl3、FeCl3和NiCl3中任一种。上述磁共振检测溶液浓度的方法中，步骤2)中，所述一系列标准品的浓度范围为50nM-8μM，具体可为50nM、100nM、250nM、500nM、1μM、4μM、8μM。所述功能化纳米材料是以功能化纳米材料水溶液的形式参加反应的，所述功能化纳米材料水溶液的摩尔浓度为0.1mM-10mM，具体可为1mM；所述功能化纳米材料水溶液分别与所述一系列标准品的体积比为(0.15-1.5)mL： 150μL，具体可为1.35mL：150μL。上述磁共振检测溶液浓度的方法中，步骤2)和步骤3)中，所述标准品和待测溶液中的待测成分均为可与表面修饰的超顺磁金属离子发生络合和/或氧化还原反应的物质。所述标准品和待测溶液具体均可为多巴胺(DA)水溶液、抗坏血酸(AA)水溶液、碘化钾(KI)水溶液和氟化钠(NaF)水溶液中的任一种。所述功能化纳米材料是以功能化纳米材料水溶液的形式参加反应的，所述功能化纳米材料水溶液的摩尔浓度为0.1mM-10mM，具体可为1mM。所述弛豫时间为纵向弛豫时间(T1)和/或横向(T2)弛豫时间。上述磁共振检测溶液浓度的方法中，步骤2)和步骤3)中，所述反应的反应温度为10-40℃，反应时间为0.5-60min，具体可为5min。本发明中步骤2)和步骤3)中的所述反应的反应时间、反应温度、所述功能化纳米材料的加入量和加入浓度应保持一致，保证相同的测试环境，此外，所述待测溶液并不需要完全与所述功能化纳米材料反应，而是利用所述功能化纳米材料表面的超顺磁性离子与所述待测溶液中的待测成分发生反应，导致表面超顺磁性离子量的减少和内核露出的表面积增加，引起了T2和T1的变化，故加入的所述功能化纳米材料的量应一致。所述弛豫时间是通过核磁共振造影剂成像分析仪进行的检测，型号为MicroMR-MOUSE，购自纽迈电子科技有限公司。本发明运用纳米材料的磁共振信号的变化实现对待测成分的快速、灵敏、准确的定量检测。具体通过测得的一系列已知浓度的待测成分的溶液的纵向(T1)和/或横向(T2)弛豫时间的值与浓度的线性图谱(回归系数R2≥0.99)，得到标准线性图谱。再测未知浓度的待测成分的弛豫时间，与标准线性图谱对比即可得知。与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：1)本发明的方法能快速、灵敏、准确地对待测液体中的待测组分进行定量分析，提供了一种新的分析测试方法；2)本发明方法中使用的材料更加简单，所需仪器的价格也更加低廉，能够实现低成本的快速、灵敏、准确的定量分析。3)本发明分析检测方法可用于食品、药品和活体样品等样品的检测。附图说明图1为实施例1中的Fe3+修饰的含有40％Gd的NaLuF4:Yb,Er,Gd纳米颗粒的透射电子显微镜照片。图2为实施例1中的Fe3+修饰的含有40％Gd的NaLuF4:Yb,Er,Gd纳米颗粒检测多巴胺(DA)的T1标准线性图谱。图3为实施例1中的Fe3+修饰的含有40％Gd的NaLuF4:Yb,Er,Gd纳米颗粒检测多巴胺(DA)的T2标准线性图谱。图4为实施例2中的Co3+修饰的含有80％Gd的NaGdF4:Dy纳米棒的透射电子显微镜照片。图5为实施例2中的Co3+修饰的含有80％Gd的NaGdF4:Dy纳米棒检测抗坏血酸(AA)的T1标准线性图谱。图6为实施例2中的Co3+修饰的含有80％Gd的NaGdF4:Dy纳米棒检测抗坏血酸(AA)的T2标准线性图谱。图7为实施例3中的Ni3+修饰的含有15％Mn的NaLuF4:Mn纳米颗粒的透射电子显微镜照片。图8为实施例3中的Ni3+修饰的含有15％Mn的NaLuF4:Mn纳米颗粒检测碘化钾(KI)的T1标准线性图谱。图9为实施例3中的Ni3+修饰的含有15％Mn的NaLuF4:Mn纳米颗粒检测碘化钾(KI)的T2标准线性图谱。图10为实施例4中的Fe3+修饰的含有30％Ho的NaLuF4:Ho纳米颗粒的透射电子显微镜照片。图11为实施例4中的Fe3+修饰的含有30％Ho的NaLuF4:Ho纳米颗粒检测氟化钠(NaF)的T1标准线性图谱。图12为实施例4中的Fe3+修饰的含有30％Ho的NaLuF4:Ho纳米颗粒检测氟化钠(NaF)的T2标准线性图谱。具体实施方式下面通过具体实施例对本发明的方法进行说明，但本发明并不局限于此，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。下述实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。下述实施例中所用含有40％Gd的纳米材料NaLuF4:Yb,Er,Gd是按照如下方法制备得到：1)首先，将0.40mmolLuCl3、0.40mmolGdCl3、0.18mmolYbCl3和0.02mmolErCl3 加入到100mL的三口瓶中，再加入6mL油酸和15mL十八烯；然后在氮气的保护下，将混合溶液加热到120℃使稀土氯化物完全溶解，形成透明的澄清溶液后，停止加热，冷却至室温；2)之后，向澄清溶液中加入6mLNaOH(2.5mmol)和NH4F(4mmol)的甲醇溶液，氮气保护下加热至80℃除甲醇，约30min后，升温至120℃抽真空除水除氧；最后在氮气氛围下反应1h。反应结束后，自然冷却至室温；然后加入适量的环己烷和乙醇，离心分离，去掉上清液；向固体中加入适量环己烷后超声分散，再加入适量乙醇后，再离心分离；重复以上步骤，继续用环己烷和乙醇洗涤几次后，即可得到含有40％Gd的纳米材料NaLuF4:Yb,Er,Gd(纳米颗粒，直径为7-9nm)。下述实施例中所用的含有80％Gd的纳米材料NaGdF4:Dy是按照如下方法制备得到：1)首先，将0.80mmolGdCl3和0.20mmolDyCl3加入到100mL的三口瓶中，再加入6mL油酸和15mL十八烯；然后在氮气的保护下，将混合溶液加热到120℃使稀土氯化物完全溶解，形成透明的澄清溶液后，停止加热，冷却至室温；2)之后，向澄清溶液中加入6mLNaOH(2.5mmol)和NH4F(4mmol)的甲醇溶液，氮气保护下加热至80℃除甲醇，约30min后，升温至120℃抽真空除水除氧；最后在氮气氛围下反应1h。反应结束后，自然冷却至室温，然后加入适量的环己烷和乙醇，离心分离，去掉上清液；向固体中加入适量环己烷后超声分散，再加入适量乙醇后，再离心分离；重复以上步骤，继续用环己烷和乙醇洗涤几次后，即可得到含有80％Gd的纳米材料NaGdF4:Dy(纳米棒，长度为30nm，直径为7-9nm)。下述实施例中所用的含有15％Mn的纳米材料NaLuF4:Mn是按照下述方法制备得到：取1.5mL去离子水、5mL油酸和10mL乙醇于100mL烧瓶中充分搅拌均匀，加入0.3gNaOH搅拌至完全溶解；然后加入LuCl3(0.85mmol)和MnCl3(0.15mmol)充分搅拌；将NaF(4mmol)溶解于2mL去离子水中，并将其缓慢加入上述溶液中，搅拌约15min后转移到高压反应釜，200℃保持10h；冷却后用乙醇、环己烷离心、洗涤，样品在环己烷中密封保存，备用，所述含有15％Mn的纳米材料NaLuF4:Mn(纳米颗粒，直径为20-25nm)。下述实施例中所用的含有30％Ho的纳米颗粒NaLuF4:Ho是按照如下方法制备得到：1)首先，将0.70mmolLuCl3和0.30mmolHoCl3加入到100mL的三口瓶中，再加入6mL油酸和15mL十八烯。然后在氮气的保护下，将混合溶液加热到120℃使稀土氯化物完全溶解，形成透明的澄清溶液后，停止加热，冷却至室温；2)之后，向溶液中加入6mLNaOH(2.5mmol)和NH4F(4mmol)的甲醇溶液，氮气保护下加热至80℃除甲醇，约30min后，升温至120℃抽真空除水除氧，最后在氮气氛围下反应1h。反应结束后，自然冷却至室温，然后加入适量的环己烷和乙醇，离心分离，去掉上清液；向固体中加入适量环己烷后超声分散，再加入适量乙醇后，再离心分离；重复以上步骤，继续用环己烷和乙醇洗涤几次后，即可得到含有30％Ho的纳米颗粒NaLuF4:Ho(纳米颗粒，直径为32-38nm)。下述实施例中所用的Fe3+修饰的含有40％Gd的纳米材料NaLuF4:Yb,Er,Gd是按照如下方法制备得到：将含有40％Gd的纳米材料NaLuF4:Yb,Er,Gd的溶液与NOBF4以质量比1:1混合超声处理，处理的温度为20℃，时间为5min，洗去表面的油溶性配体，然后分别用CH2Cl2和无水乙醇洗涤两遍，再分散在质量分数为20％的柠檬酸钠的去离子水中，在20℃下搅拌处理1h。经过柠檬酸处理后，加入等体积的0.5mM的FeCl3溶液，继续搅拌1h，离心分离，用去离子水洗涤三次，得到Fe3+修饰的含有40％Gd的纳米材料NaLuF4:Yb,Er,Gd。下述实施例中所用的Co3+修饰的含有80％Gd的纳米材料NaGdF4:Dy是按照下述方法制备得到：将含有80％Gd的纳米材料NaGdF4:Dy的溶液与NOBF4以质量比1:1混合超声处理，处理的温度为30℃，时间为5min，洗去表面的油溶性配体，然后分别用CH2Cl2和无水乙醇洗涤两遍，然后分散在含有质量分数为20％柠檬酸钠的去离子水中，在30℃下搅拌处理1h。经过柠檬酸处理后，加入等体积的0.5mM的CoCl3溶液，继续搅拌1h，离心分离，用去离子水洗涤三次，得到Co3+修饰的含有80％Gd的纳米材料NaGdF4:Dy。下述实施例中所用的Ni3+修饰的含有15％Mn的纳米材料NaLuF4:Mn是按照下述方法制备得到：将含有15％Mn的纳米材料NaLuF4:Mn分散在含有质量分数为20％柠檬酸钠的去离子水中，在40℃下搅拌处理1h。经过柠檬酸处理后，加入等体积的0.5mM的NiCl3溶液，继续搅拌1h，离心分离，用去离子水洗涤三次，得到Ni3+修饰的含有15％Mn的纳 米材料NaLuF4:Mn。下述实施例中所使用的Fe3+修饰的含有30％Ho的纳米材料NaLuF4:Ho是按照下述方法制备得到：将含有15％Mn的纳米材料NaLuF4:Ho分散在含有质量分数为20％柠檬酸钠的去离子水中，在30℃下搅拌处理1h。经过柠檬酸处理后，加入等体积的0.5mM的FeCl3溶液，继续搅拌1h，离心分离，用去离子水洗涤三次，得到Fe3+修饰的含有30％Ho的纳米材料NaLuF4:Ho。实施例1、检测多巴胺(DA)水溶液的浓度：1)标准曲线的绘制：分别将150μL的50nM、100nM、250nM、500nM、1μM、4μM、8μM的多巴胺(DA)水溶液与1.35mL1mMFe3+修饰的含有40％Gd的纳米材料NaLuF4:Yb,Er,Gd水溶液均匀混合，静置反应10min后，反应已完全，分别测定混合液的T1时间和/或T2时间，处理数据得到T1和/或T2的线性图谱，得到浓度与弛豫时间的标准曲线。最低检测限可达到5nM。2)多巴胺(DA)水溶液浓度的检测：将150μL的120nM的多巴胺(DA)水溶液与1.35mL1mMFe3+修饰的含有40％Gd的纳米材料NaLuF4:Yb,Er,Gd水溶液均匀混合，静置反应10min后，反应已完全，测定T1时间和T2时间，处理得到△T1/T1为21.65，△T2/T2为2.83，代入标准曲线，分别得到浓度为119.67nM(T1计算得到)和119.11nM(T2计算得到)。图1为实施例1中的Fe3+修饰的含有40％Gd的纳米材料NaLuF4:Yb,Er,Gd的透射电子显微镜照片，从图1可得：纳米材料的尺寸均匀，分散性好。图2为实施例1中的Fe3+修饰的含有40％Gd的纳米材料NaLuF4:Yb,Er,Gd检测多巴胺(DA)水溶液的T1标准线性图谱，从图2可得：得到的标准图谱线性良好。图3为实施例1中的Fe3+修饰的含有40％Gd的纳米材料NaLuF4:Yb,Er,Gd检测多巴胺(DA)水溶液的T2标准线性图谱，从图3可得：得到的标准图谱线性良好。为了作对比，本发明与现有检测方法对多巴胺水溶液的检测时间和检测限的对比表格如下表1所示，从表1可知：本发明的检测限均远优于现有检测方法，检测时间优于绝大部分现有检测方法。其中，荧光法的引用文献[1]BIOSENSORS&BIOELECTRONICS,2015,68,27；电化学法的引用文献[2]JOURNALOFNANOSCIENCEANDNANOTECHNOLOGY,2015,15(7),4855；比色法的引用文献[3]MICROCHIMICAACTA,2015,182(5),1003。表1本发明与现有检测方法对多巴胺水溶液的检测时间和检测限的对比数据方法检测限检测时间出处荧光法2.02μM/L1-30min[1]电化学法1μM/L0.5-5min[2]比色法33nM/L5-30min[3]本发明5nM/L0.5-15min—实施例2、检测抗坏血酸(AA)水溶液的浓度：1)标准曲线的绘制：将150μL的50nM、100nM、250nM、500nM、1μM、4μM、8μM的抗坏血酸(AA)水溶液与1.35mL、1mMCo3+修饰的含有80％Gd的纳米材料NaGdF4:Dy水溶液均匀混合，静置反应20min后，反应已完全，分别测定混合液的T1时间和/或T2时间，处理数据得到T1和/或T2的线性图谱。最低检测限可达到5nM。2)抗坏血酸(AA)水溶液浓度的检测：将150μL的120nM的抗坏血酸(AA)水溶液与1.35mL1mMCo3+修饰的含有80％Gd的纳米材料NaGdF4:Dy水溶液均匀混合，静置反应10min后，反应已完全，测定T2时间，处理得到△T2/T2为4.90，代入标准曲线，得到浓度为118.97nM(T2计算得到)。图4为实施例2中的Co3+修饰的含有80％Gd的纳米材料NaGdF4:Dy的透射电子显微镜照片，从图4可得：纳米材料的尺寸均匀，分散性好。图5为实施例2中的Co3+修饰的含有80％Gd的纳米材料NaGdF4:Dy检测抗坏血酸(AA)水溶液的T1标准线性图谱，从图5可得：得到的标准图谱线性较差，不能用于检测。图6为本发明实施例2中的Co3+修饰的含有80％Gd的纳米材料NaGdF4:Dy检测抗坏血酸(AA)水溶液的T2标准线性图谱，从图6可得：得到的标准图谱线性良好。实施例3、检测碘化钾(KI)水溶液的浓度：1)标准曲线的绘制：将150μL的25nM、50nM、100nM、250nM、500nM、1μM、4μM、8μM的碘化钾(KI)水溶液与1.35mL1mMNi3+修饰的含有15％Mn的纳米材料NaLuF4:Mn水溶液均匀混合，静置反应15min后，反应已完全，分别测定混合液的T1时间和/或T2时间，处理数据得到T1和/或T2的线性图谱。检测限可达到2.5nM。2)碘化钾(KI)水溶液浓度的检测：将150μL的120nM的碘化钾(KI)水溶液与1.35mL1mMNi3+修饰的含有15％Mn的纳米材料NaLuF4:Mn水溶液均匀混合，静置反应10min后，反应已完全，测定T2时间，处理得到△T2/T2为3.09，代入标准曲线，得到浓度为122.18nM(T2计算得到)。图7为实施例3中Ni3+修饰的含有15％Mn的纳米材料NaLuF4:Mn的透射电子显微镜照片，从图7可得：纳米材料的尺寸均匀，分散性好。图8为实施例3中的Ni3+修饰的含有15％Mn的纳米材料NaLuF4:Mn检测碘化钾(KI)水溶液的T1标准线性图谱，从图8可得：得到的标准图谱线性较差，不能用于检测。图9为实施例3中的Ni3+修饰的含有15％Mn的纳米材料NaLuF4:Mn检测碘化钾(KI)水溶液的T2标准线性图谱，从图9可得：得到的标准图谱线性良好。实施例4、检测氟化钠(NaF)水溶液的浓度：1)标准曲线的绘制：将150μL的100nM、250nM、500nM、1μM、4μM、8μM的氟化钠(NaF)水溶液与1.35mL1mMFe3+修饰的含有30％Ho的纳米颗粒NaLuF4:Ho水溶液均匀混合，静置反应10min后，反应已完全，分别测定混合液的T1时间和/或T2时间，处理数据得到T1和/或T2的线性图谱。最低检测限可达到10nM。2)氟化钠(NaF)水溶液浓度的检测：将150μL的120nM的氟化钠(NaF)水溶液与1.35mL1mMFe3+修饰的含有30％Ho的纳米颗粒NaLuF4:Ho水溶液均匀混合，静置反应10min后，反应已完全，测定T1时间和T2时间，处理得到△T1/T1为-2.64，△T2/T2为3.52，代入标准曲线，分别得到浓度为121.65nM(T1计算得到)和118.04nM(T2计算得到)。图10为实施例4中的Fe3+修饰的含有30％Ho的纳米材料NaLuF4:Ho的透射电子显微镜照片，从图10可得：纳米材料的尺寸均匀，分散性好。图11为实施例4中的Fe3+修饰的含有30％Ho的纳米材料NaLuF4:Ho检测氟化钠(NaF)水溶液的T1标准线性图谱，从图11可得：得到的标准图谱线性良好。图12为实施例4中的Fe3+修饰的含有30％Ho的纳米材料NaLuF4:Ho检测氟化钠(NaF)水溶液的T2标准线性图谱，从图12可得：得到的标准图谱线性良好。当前第1页1 2 3