金包银纳米比色传感器制备方法及其检测钴离子的方法与流程

本发明涉及钴离子检测的技术领域，具体涉及一种金包银纳米比色传感器的制备方法及其检测钴离子的方法。

背景技术：

钴是人体必需的微量元素之一，在体内的主要储存部位是骨髓中，其生理功能在于它能刺激造血系统加速造血并参与造血过程，促进肠道对铁的吸收；并对蛋白质的新陈代谢有一定作用；还可促进部分酶的合成，并有助于增强其活性。人体缺钴可出现红细胞数减少，导致巨细胞性贫血。尽管钴是一种重要的元素，在含量较高的情况下，它仍会在人体中导致一些毒性效应，如食欲不振、血管舒张，贫血和心肌病等。因此，有必要开发一个敏感性好且简单、快速的方法来监测微量钴水平。

目前各种各样的分析方法都已经应用到钴离子的检测中，常用的标准方法主要有：原子吸收光谱法、电感耦合等离子体质谱法、电化学分析法、紫外可见分光光度法、荧光光谱法。但是，这些方法价格高昂，需要大量的样品预处理，使得现场和实时监控钴离子变得困难。因此，需要开发一个简单、快速、敏感的方法实时、现场监测不同的钴样本。

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，提供一种金包银纳米比色传感器制备方法及其检测钴离子的方法。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是，

本发明之金包银纳米比色传感器制备方法，包括以下步骤：

（1）将超纯水加入恒温磁力搅拌器的三口烧瓶中，在105～120℃油浴环境下，加热沸腾5～10 min，然后加入氯金酸溶液和硝酸银溶液，使氯金酸与硝酸银的摩尔比为1:11.8～12.5，继续加热搅拌5～10min；再加入柠檬酸钠溶液，使氯金酸与柠檬酸钠的摩尔比为1:28.5～30.5，加热搅拌1～2h，至溶液呈黄色；停止加热，继续搅拌至室温，即得到金包银溶液，避光4～6℃保存备用；

所得金包银溶液中含有金包银颗粒；

所述超纯水，作为溶剂加入，其加入量并没有严格限制，一般其加入量相当于氯金酸溶液体积的80－150倍。

（2）向步骤（1）中制备得到的金包银溶液中加入甘氨酸-氢氧化钠溶液，使pH=9～10，置于20～25℃恒温振荡器内摇动5 min～10 min，即得到甘氨酸稳定的金包银纳米比色传感器，避光4～6℃保存备用。其中，金包银溶液中的金包银颗粒与甘氨酸-氢氧化钠溶液中的甘氨酸的摩尔比为1:200～1000。

进一步地，步骤（1）中，所述金包银溶液颜色为黄色。

再进一步地，步骤（1）中，所述氯金酸溶液的摩尔浓度为20～50 mmol/L。所述硝酸银溶液摩尔浓度为0.1～0.2 mol/L。所述柠檬酸钠溶液的摩尔浓度为0.3～0.5 mol/L。步骤（2）中，所述甘氨酸-氢氧化钠溶液的摩尔浓度为0.1～0.2 mol/L。

本发明之金包银纳米比色传感器检测钴离子的方法，即甘氨酸稳定的金包银纳米比色传感器检测钴离子的方法，包括以下步骤：

取离心管，往每个离心管中依次加入900～950 μL超纯水、30～50μL待测溶液、10～20 μL 0.1～0.3 mol/L的乙二胺溶液、15～25 μL 50～100 mmol/L的硫代硫酸钠溶液、1～3 mL 所制备的甘氨酸稳定的金包银纳米比色传感器，置于20～25℃恒温振荡器内摇动10min～30min，观察反应溶液颜色变化或者检测溶液的UV-Vis光谱变化，定性定量分析钴离子的存在或含量。

在上述方案中，所述反应溶液颜色由黄色变成淡绿色，且溶液有团聚现象，则待测样品溶液中含有钴离子，若所述溶液颜色没有发生变化，且仍保持均匀分散的胶体溶液，说明待测样品溶液中没有钴离子；若需要定量分析，检测混合溶液中UV-Vis光谱变化，确定溶液中钴离子的浓度。

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）配制不同浓度的钴离子超纯水溶液，其中，钴离子的浓度分别为：0、0.05、0.1、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2 μmol/L；

（2）取9个离心管，往每个离心管中依次加入935 μL超纯水、30μL不同浓度的钴离子超纯水溶液、15 μL 0.2mol/L的乙二胺溶液、20 μL 50 mmol/L的硫代硫酸钠溶液、1mL 上述制备的甘氨酸稳定的金包银纳米比色传感器，置于20℃恒温振荡器内摇动20 min，用紫外可见吸收光谱测定溶液的吸收光谱，以加钴离子混合溶液的最大吸收峰的吸光度值为纵坐标，钴离子浓度值为横坐标绘制标准曲线（见附图1），得出吸光度与浓度变化关系y=（-0.6585）*exp(-x/0.36156)+0.71298，相关系数R²为0.98937，可用于钴离子的定量检测。可根据待测样品溶液中UV-Vis光谱变化，确定溶液中钴离子的浓度。

在上述技术方案中，所述金包银纳米比色传感器检测钴离子溶液的检测范围为：0.05～1.2 μmol/L。

本发明的设计原理和理论基础：

（1）金包银纳米颗粒除了具备纳米微粒所具有的小尺度、高比表面积等性质之外，还具有独特的光学、电学和生物相容性。如金、银纳米粒子表面非常容易进行化学和生物分子的修饰，并具备很好的生物相容性，使其非常适合于体内体外生物检测；金和银均具有典型的表面等离子共振效应，通过金或银纳米粒子与检测分子之间的物理或化学作用，可使检测分子的表面等离子共振信号异常改变等等。

（2）胶体金包银溶液的颜色很大程度上取决于颗粒间的距离，当颗粒间的距离显著大于平均颗粒直径时，溶液显黄色；而当颗粒间距小于平均颗粒直径时，溶液变为淡绿色。

（3）在金包银纳米颗粒溶液中加入的硫代硫酸钠，其中带负电的S₂O₃^2-吸附在金包银纳米颗粒的表面以确保金包银纳米颗粒的稳定，即使在高浓度的溶液中也保持稳定。带负电的S₂O₃^2-的吸附也阻止了乙二胺（缩写为en）中的氨基组吸附在金包银纳米表面，防止金包银纳米颗粒发生聚合。但是，当钴离子加入之后这个平衡就会被打破。钴离子在水中先和乙二胺反应形成的复合物Co(en)₃²⁺，随着氧气的溶解被氧化成Co(en)₃³⁺。然后Co(en)₃³⁺通过侵蚀S₂O₃^2-配体而吸附在金包银纳米颗粒的表面，在金包银纳米颗粒的表面形成带正电荷的(en)₂CoS₂O³⁺，减少金包银纳米颗粒的表面电荷，诱导其聚合。这个过程伴随着光谱和颜色变化。附图3很好的解释了上述所说的传感机制，有效的证明了金包银纳米颗粒能够作为比色传感器。

（4）选择性测试：

取9个离心管，往每个离心管中依次加入935 μL超纯水、30μL的金属离子溶液（以下中的一种：1.0 μmol/L氯化钴，5.0 μmol/L氯化铜，100 μmol/L 硝酸银、氯化钡、氯化铁、氯化钾、硝酸锰、硝酸铅、硝酸锌）、15 μL 0.2mol/L 乙二胺、20 μL 50 mmol/L硫代硫酸钠溶液、1mL 上述制备甘氨酸稳定的金包银纳米比色传感器，置于20℃恒温振荡器内摇动20 min，然后检测溶液的UV-Vis光谱，观察并比较之间的区别，参见附图4。

如图4所示，通过反应后的图像可以很明显的看出只有Co²⁺才有显著的响应，通过紫外光谱的扫描并对其比值进行测算也确实只有Co²⁺才有显著的响应。事实上，Ag⁺、Ba²⁺、Cu²⁺、Fe³⁺、K⁺、Mn²⁺、Pb²⁺和Zn²⁺与en不能形成复合物，因此它们不能诱导金包银纳米颗粒的聚合。另一方面，即使Ag⁺、Ba²⁺、Cu²⁺、Fe³⁺、K⁺、Mn²⁺、Pb²⁺和Zn²⁺与en能形成复合物，但是其与en形成的稳定常数远远小于Co²⁺。因此可以证明该传感器对钴离子具有良好的选择性。

本发明的有益效果在于：

（1）本发明制备的甘氨酸稳定的金包银纳米比色传感器具有操作简单、耗能低、快速且可视化等优点，适合于钴离子的实时检测。

（2）本发明中钴离子诱导金包银纳米颗粒发生聚合，使得溶液颜色发生从黄色到淡绿色的明显变化，因此可到达肉眼检测钴离子的目的。

附图说明

图1为不同浓度钴离子中加入甘氨酸稳定的金包银纳米比色传感器溶液中，UV-Vis光谱图的最大吸收峰的吸光度值同钴离子浓度之间的变化关系的标准曲线；

图2为不同浓度钴离子中加入甘氨酸稳定的金包银纳米比色传感器，溶液的UV-Vis变化光谱图；

图3 为金包银纳米比色传感器检测钴离子的原理图；

图4为不同金属离子中加入甘氨酸稳定的金包银纳米比色传感器，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

本实施例之金包银纳米比色传感器制备方法，包括以下步骤：

（1）将94 mL超纯水加入恒温磁力搅拌器的三口烧瓶中，在105℃的油浴环境下，加热沸腾5min，然后加入1 mL 24.28 mmol/L的氯金酸溶液和3 mL 0.1 mol/L的硝酸银溶液，使氯金酸与硝酸银的摩尔比为1:12.36，继续加热搅拌10 min；再加入2 mL 0.35 mol/L柠檬酸钠溶液，使氯金酸与柠檬酸钠的摩尔比为1:28.83，加热搅拌1 h，至溶液呈黄色；停止加热，继续搅拌至温度冷却到室温，即得到金包银溶液，避光4℃保存备用；

所得金包银溶液中含有金包银颗粒；所述金包银溶液颜色为黄色；

（2）取30 mL步骤（1）中制备得到的金包银溶液，加入70mL 0.1 mol/L的甘氨酸-氢氧化钠溶液，使pH=9～10，置于20℃恒温振荡器内摇动5 min，即得到甘氨酸稳定的金包银纳米比色传感器，避光4℃保存备用。其中，金包银溶液中的金包银颗粒与甘氨酸-氢氧化钠溶液中的甘氨酸的摩尔比为1:600。

本实施之金包银纳米比色传感器检测钴离子的方法，即甘氨酸稳定的金包银纳米比色传感器检测钴离子的方法，包括以下步骤：

取5 mL的离心管，依次加入935 μL超纯水、30μL待测样品、15 μL 0.2mol/L的 乙二胺、20 μL 50 mmol/L的硫代硫酸钠溶液、1mL 上述制备甘氨酸稳定的金包银纳米比色传感器，置于20℃恒温振荡器内摇动20 min，若待测样品溶液中没有钴离子或钴离子的浓度＜0.05 μmol/L，则混合溶液没有颜色变化，若待测溶液中钴离子的浓度≥0.05 μmol/L，则颜色由黄色变绿色，则可以半定量检测钴离子浓度，若需要定量分析，检测混合溶液中UV-Vis光谱变化，并结合附图1的标准曲线，来确定溶液中钴离子的浓度。