重金属铅离子的检测方法与流程

本发明涉及化学测试分析技术领域，具体是指一种重金属铅离子的检测方法。

背景技术：

铅是一种柔软和延展性强的重金属，原本的颜色为青白色，有毒。它是含量最多且毒性最大的生理毒素和神经毒素，在很微量的情况下也会出现中毒现象。人血液中理想的铅含量为0，铅累积在人体中，会使人的神经系统、消化系统、免疫系统、血液系统紊乱，甚至造成大脑细胞的死亡，严重影响智力发育，尤其对儿童的影响更加严重，会出现多动、学习障碍等现象，使人的性格和心理出现烦躁、性格变化、忧郁等症状。目前主要用于建筑、铅酸蓄电池、弹头、炮弹、焊接物料、钓鱼用具、渔业用具、防辐射物料、奖杯和部分合金，例如电子焊接用的铅锡合金。其合金可作铅字、轴承、电缆包皮等之用，还可做体育运动器材铅球。

2017年10月27日，世界卫生组织国际癌症研究机构公布的致癌物清单初步整理参考，铅在2b类致癌物清单中。许多化学品在环境中滞留一段时间后可能降解为无害的最终化合物，但是铅无法再降解，一旦排入环境，很长时间仍然保持其毒性。由于铅在环境中的长期持久性，又对许多生命组织有较强的潜在毒性，所以铅一直被列入强污染物范围。在我们生活的饮用水、生活用品以及环境中都有铅的存在。一般饮用水中铅含量的安全界限是100微克/升，而最高可接受水平是50微克/升。颜料含铅，特别是一些老牌号的颜料含铅较高，已经造成许多死亡事件，因此有的国家特别制定了环境标准规定颜料中铅的含量应控制在600ppm之内。食品中也发现铅的残留，或是空气中的铅降下污染食物，或是罐头皮的铅污染罐头食品。2007年3月24日北京儿科研究所报告，由世界卫生组织儿童卫生合作中心牵头，历时3年对中国部分城市儿童铅中毒调查结果显示，中国6岁儿童的血铅值位居各年龄组儿童之首，北京7％的孩子血铅含量超标。铅的另外一个重要来源是铅管。几十年以前建筑住宅时用铅管或铅衬里管道，夏天的冰箱也用铅衬里，目前已经禁用，改用塑料或其它材料。2011年1月，安徽省怀宁县出现100多名当地儿童血铅超标，随后调查发现是因为博瑞电源有限公司的超时违规生产，工厂与居民区之间的卫生防护距离不符合标准。另外科学家在北美格陵兰地区的冰山上逐年积冰的地区打钻钻取冰柱，依不同层次测定冰的铅含量。结果表明：1750年以前铅含量仅为20微克/吨；1860年为50微克/吨；1950年上升为120微克/吨；1965年剧增到210微克/吨。近代工业的发展，全球范围的污染日趋严重。

通过对国家知识产权局网站进行检索，目前有铅分析检测方面的专利达100多项。在这些申请的专利中，包含了检测蓄电池、涂料、汽油等材料的中的铅的检测如专利申请号为：cn201710105805，cn201711204241，cn201710937171，只有1项专利(cn201711204747)是对茶叶中的可溶性的铅的检测，该专利是用原子吸收仪检测回流提取法提取茶叶中的可溶性铅。但实施该专利，样品的前处理比较复杂，并且需要大型的精密仪器原子吸收仪，因此不能满足检测需求，需要开发快速、简便的测定方法。

技术实现要素：

针对现有检测技术的不足，本发明的目的是提供一种重金属铅离子的检测方法，该方法用于检测茶叶中的铅含量，具有特异、高效、快速、灵敏等特点；且本方法操作简便易行、检测成本低，能够通过荧光分光光度计实现对目标物的定量分析与检测。

为实现上述目的，本发明提供的重金属铅离子的检测方法，其特征在于：它包括如下步骤：

a材料的制备与修饰，步骤如下：

(1)称取fecl3·6h2o，乙二醇充分溶解后，加入聚丙烯酸，尿素，去离子水，超声溶解，最后移入聚四氟乙烯内衬的钢质水热釜反应；

(2)量取fe3o4纳米材料，超声分散，磁力搅拌条件下，加入质量分数为25％氨水，再以5～30μl/10min的频率加入正硅酸乙酯，室温反应；

(3)将步骤(2)中溶液乙醇稀释，在磁力搅拌条件下，加入三氨丙基三乙氧基硅烷和质量分数为25％nh3·h2o，在室温下搅拌反应；

(4)称取四氯金酸、柠檬酸三钠置于冰水浴中，加入现配现用的1mg/mlnabh4溶液反应；

(5)称取zncl2、cdcl2·2.5h2o分别溶解于去离子水中，逐滴加入巯基丙酸，然后用naoh溶液分别调节ph至8.5；加热回流搅，在zncl2溶液中加入na2s·9h2o溶液，制备壳层前驱体溶液，在cdcl2·2.5h2o溶液中加入0.05～0.3gnabh4和0.05～0.3g硒粉，在通入氮气的条件下，前驱体溶液在100℃下水浴回流反应，当溶液颜色逐渐变为橙红色时，反应结束；在已合成的cdse量子点溶液中快速注入壳层前驱体溶液，并加热回流，制备发射红绿色荧光的cdse@zns核壳结构量子点；

b比率荧光生物探针的构建，步骤如下：

(6)取氨基化磁珠，加入纳米金溶液，超声震荡，磁分离去除上清，加入柠檬酸缓冲溶液，加入sh-dna后孵育，再加入经edc活化的修饰有巯基丙酸的红光cdse@zns量子点孵育，制备得到红色荧光探针；

(7)取经edc活化的巯基丙酸绿光量子点，加入末端修饰氨基的dna混合孵育，制备得到绿色荧光探针；

(8)取红色荧光探针，再加入绿色荧光探针；调节溶液ph，水浴加热，孵育后，关闭水浴锅冷却至室温，探针构建完成；在紫外灯下溶液呈现红色荧光；

将样品提取液加入到检测重金属铅离子的比率荧光生物探针反应是指在室温下反应，其反应时间为0～10min，调节探针的ph分别至3.0，5.0，7.0，9.0，11.0，测定i540/i630的比值，计算样品中铅离子的浓度；

c检测样茶叶的处理和铅离子检测标准曲线的制备如下：

c-1.称取1g茶叶于瓷坩埚中移入马弗炉500℃±25℃灰化6～8h冷却，后加入2mlhcl，在电炉上加热至烧干，用0.5％的硝酸将灰分溶解，用滴管将试样洗入10ml或25ml的容量瓶中，定容至刻度；

c-2.采用上述方法制备的比率荧光生物探针分别用以下9个标准铅离子溶液处理，摩尔浓度分别为a)10^-5μg/ml；b)10^-4μg/ml；c)10^-3μg/ml；d)3×10^-3μg/ml；e)6×10^-3μg/ml；f)10^-2μg/ml；g)3×10^-2μg/ml；h)6×10^-2μg/ml；i)0.1μg/ml；在室温下，分别调节探针溶液ph为3，5，7，9，11，孵育时间0～600s；比较在不同的铅离子浓度下，比率荧光强度i540/i630的变化；

所述步骤c-1将样品提取液加入到检测金属铅的比率荧光生物探针中，控制环境的ph，以及反应时间，通过荧光分光光度计测定并计算i540/i630的比值；

所述步骤c-2用所述检测金属铅离子的比率荧光生物探针检测铅离子样品溶液，并根据铅离子标准曲线进行计算，得到待测样品铅离子的含量或范围值。

作为优选方案，所述步骤(1)具体为fecl3·6h2o为0.81g，乙二醇溶液为30ml，聚丙烯酸为20g，去离子水500μl和尿素1.80g，搅拌充分溶解后，超声时间为10分钟混合，加入聚四氟乙烯内衬的钢质水热釜的容积为50ml的中，反应温度200℃，反应时间为10～16小时，然后冷却至室温；

所述步骤(2)具体为取步骤(1)中fe3o4纳米材料为2ml，超声分散，在转速为500rpm条件下，加入0.5～0.95ml、质量分数25％的氨水并搅拌5～10分钟，加入正硅酸乙酯的量为50-100μl，所述体积比正硅酸乙酯:水为1:1，加样量为10～20μl/10min并在室温下不断搅拌反应10～16小时；

所述步骤(3)具体为取步骤(2)中溶液500μl，无水乙醇定容5ml，三氨丙基三乙氧基硅烷的量为8～20μl，25％nh3·h2o为100～300μl，在室温下搅拌反应10～16小时；

所述步骤(4)具体为20～50ml、0.25mm四氯金酸和6～7mg柠檬酸三钠置于冰水浴中，新配置的0.1mnabh4为1～2ml，反应时间15～30分钟；

所述步骤(5)具体为称取zncl2和cdcl2·2.5h2o为0.1～0.2g和0.3～0.6g分别溶解于100ml去离子水中，巯基丙酸为0.2～0.5ml，分别用naoh溶液调节ph至8.5；在100℃条件下加热回流搅拌15～60分钟，在zncl2溶液中加入na2s·9h2o的量为0.2～0.4g，制备壳层前驱体溶液；在cdcl2·2.5h2o中加入nabh4和硒粉的量分别为0.05～0.2g和0.1～0.2g，在通入氮气的条件下，前驱体溶液在100℃下水浴回流反应，得到cdse量子点溶液；在已合成的cdse量子点溶液中快速注入壳层前驱体溶液，100℃加热回流，得到发射红绿色荧光的cdse@zns核壳结构量子点。

进一步地，所述步骤(6)具体为氨基化磁珠为0.5～1ml，纳米金溶液为1～3ml，氨基化磁珠与纳米金体积比1:4，超声震荡2～5min，磁分离去除上清，加入柠檬酸缓冲溶液为0.5～1ml；sh-dna的浓度为20μm加入量为25.1～50.2μl，孵育30～90min；加入红光cdse@zns量子点100～500μl孵育1～4h；制备得到红色荧光探针，在紫外灯下，溶液呈现红色荧光；

所述步骤(7)具体为取50～200μl修饰有巯基丙酸的绿光cdse@zns量子点加入100～500μledc活化，再与浓度为20μm末端修饰氨基的dna30～72μl混合，孵育1～4h，制备得到绿色荧光探针，在紫外灯下，溶液呈现绿色荧光；

所述步骤(8)具体为取红色荧光探针50～250μl，绿色荧光探针50～250μl，绿色荧光探针为50μl，将混合探针放入温度为75℃的水浴锅中，调水浴锅温度到25～65℃自然冷却，过程持续10-30min；关闭水浴锅冷却至室温，探针构建完成，在紫外灯下溶液呈现红色荧光。

更进一步地，所述步骤c-2具体为，采用上述方法制备的比率荧光生物探针分别用以下9个标准铅离子溶液处理，当探针溶液ph为9，孵育时间300s时，在此范围比率荧光生物探针的荧光强度i540/i630的比值与铅离子浓度的对数具有线性相关性。

本发明的重金属铅离子的检测方法，主要涉及生物结合和化学修饰、分析领域，通过在氨基化磁珠表面修饰纳米金，形成荧光淬灭基团，然后纳米金与巯基化的dna酶链通过au-s键连接，并进一步修饰红色量子点，形成红色荧光探针，通过氢键与另一端修饰绿色量子点的底物链结合，形成比率荧光生物探针。pb²⁺能够识别并剪切底物链，改变绿色量子点与纳米金之间的距离，实现绿色荧光的淬灭与恢复。通过绿色荧光强度的变化导致的红绿荧光比率的变化实现对pb²⁺的定量分析与检测。

本发明的技术方案基于荧光共振能量转移(fret)，构建了一种简便有效的比率荧光传感器，用于检测茶叶中铅的含量。在这项工作中，用金纳米粒子(gn)包裹fe3o4氨基化磁珠(mbs@sio2@nh2)，修饰过程中纳米金的特征吸收峰发生明显红移与绿色荧光的发射峰重合，形成绿色荧光淬灭基团，再加入被巯基化的酶链dna(enzyme)，通过au-s键将dna连接在纳米金上，再加入羧基化修饰的红色量子点(rqds)，通过氨基羧基的脱水缩合作用使其修饰在另一端为氨基的酶链dna(enzyme)上。并且绿色量子点(gqds)修饰底物链dna(substrate)。然后碱基互补配对形成比率荧光生物探针，拉近淬灭基团与荧光基团之间的距离，绿色荧光淬灭。当铅离子存在时可以特异性的识别并剪切底物链dna(substrate)，绿色荧光强度增强，而红色荧光基本保持不变，随着铅离子浓度的增强，在紫外灯下绿色荧光比例逐渐增加。通过使用磁分离方法，可以容易地纯化杂交的复合物用于荧光测试。该检测方法具有简单、方便的特点，采用双信号检测，具有降低背景因素对检测结果影响，减小实验误差的优势；操作简便易行、检测成本低，能够通过荧光分光光度计实现对目标物的定量分析与检测。在环境和食品监测中提高荧光分析的准确性和灵敏度具有重要意义。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

(1)本发明提供的快速检测待测样品中铅含量的方法，不仅具有简单、方便、快速等特性，而且无需贵重的精密仪器，也不需经过培训的专业技术人员，有利于推广。

(2)本发明采用比率荧光生物传感器的方法，实现双信号检测优越性，降低背景因素对检测结果影响，减小实验误差。

(3)本发明采用磁性纳米材料，有利于对样品的分离与富集。

附图说明

图1为本发明检测重金属铅离子含量的实验原理图。

图2为本发明探针相对浓度对比率荧光生物探针荧光强度的影响。红绿色荧光探针的相对比例显示荧光强度，其中f为对照，a，b，c，d，e分别为红绿色荧光探针比例1：1，2：1，3：1，4：1，5：1。

图3为本发明孵育温度对比率荧光生物探针荧光强度的影响。

图4为本发明孵育时间对比率荧光生物探针荧光强度的影响。

图5为本发明铅离子处理不同ph比率荧光生物探针的荧光强度响应。

图6为本发明不同浓度铅离子处理比率荧光生物探针在波长540nm和630nm处的荧光响应图谱。

图7为本发明比率荧光生物探针i540/i630的比值与铅离子浓度的对数呈线性相关。

图8为本发明通过荧光光谱表征比率荧光生物探针检测茶叶样品。

具体实施方式

以下结合实施例及附图对本发明做进一步详细的描述：

表1依据标准曲线，通过荧光光谱扫描结果计算样品中铅离子浓度。

(1)快速检测铅的新方法所需试剂：5’端巯基化酶链dna和3’氨基化dna链作为修饰试剂，其浓度均为1od；1ml浓度为0.24mm金纳米粒子(粒径为10nm)；氨基化fe3o4磁珠；ph＝3100mm的柠檬酸缓冲溶液；540nm和630nm修饰有3-巯基丙酸(mpa)的cdse@zns量子点；1mg/ml的edc、nhs(现配现用)；ph＝7.4的0.5m磷酸盐缓冲液pbs：0.01mpbs，0.01％sds与0.5m氯化钠。

(2)本发明比率荧光生物探针检测铅离子的方法通过以下手段进行表征：采用马尔文zeta电位粒径测定仪测定所制备样品的粒径；采用透射电镜观察所制备样品以及修饰过程中的形貌；采用荧光显微镜和荧光分光光度计检测探针荧光强度的变化。

实施例一

本发明检测重金属铅离子的比率荧光生物探针的制备方法，包括：

步骤(6)中氨基化磁珠为0.5ml，纳米金溶液为2ml，超声震荡3min，磁分离去除上清，加入柠檬酸缓冲溶液为0.5ml，sh-dna的浓度为20μm加入量为25.1μl，孵育30min，加入红光cdse@zns量子点500μl孵育2h，制备得到红色荧光探针，在紫外灯下，溶液呈现红色荧光。

步骤(7)中取100μl修饰有巯基丙酸的绿光cdse@zns量子点加入500μledc活化，再与浓度为20μm末端修饰氨基的dna36μl混合，孵育2h，制备得到绿色荧光探针，在紫外灯下，溶液呈现绿色荧光。

步骤(8)中取红色荧光探针150μl，绿色荧光探针50μl(如图2)，将混合探针放入温度为75℃的水浴锅中，调水浴锅温度到45℃自然冷却(如图3)，过程持续30min(如图4)，关闭水浴锅冷却至室温，探针构建完成，在紫外灯下溶液呈现红色荧光。

实施例二

制备所述比率荧光生物探针具体包括以下步骤：

步骤(1)，fecl3·6h2o为0.81g，乙二醇溶液为30ml，聚丙烯酸为20g，去离子水500μl和尿素1.80g，搅拌充分溶解后，超声时间为10分钟混合，加入聚四氟乙烯内衬的钢质水热釜的容积为50ml的中，反应温度200℃，反应时间为12小时，然后冷却至室温。

步骤(2)，取步骤1.1中fe3o4纳米材料为2ml，超声分散，在转速为500rpm条件下，加入0.75ml25％的氨水并搅拌5分钟，加入正硅酸乙酯(teos)的量为80μl(teos:水为1:1)，加样量为10μl/10min并在室温下不断搅拌反应12小时。

步骤(3)，取步骤2.1中溶液500μl，无水乙醇定容5ml，三氨丙基三乙氧基硅烷(aptes)量为15μl，25％nh3·h2o为200μl，在室温下搅拌反应12小时。

步骤(4)，40ml，0.25mm四氯金酸和7mg柠檬酸三钠置于冰水浴中，新配置的0.1mnabh4为1.2ml，反应时间15分钟。

步骤(5)，称取zncl2和cdcl2·2.5h2o为0.14g和0.46g分别溶解于100ml去离子水中，巯基丙酸为0.3ml，分别用naoh溶液调节ph至8.5。在100℃条件下加热回流搅拌30分钟，在zncl2溶液中加入na2s·9h2o的量为0.24g，制备壳层前驱体溶液；在cdcl2·2.5h2o中加入nabh4和硒粉的量分别为0.1g和0.1g，在通入氮气的条件下，前驱体溶液在100℃下水浴回流反应，得到cdse量子点溶液。在已合成的cdse量子点溶液中快速注入壳层前驱体溶液，100℃加热回流，得到不同粒径尺寸的cdse@zns核壳结构量子点。

实施例三

用本发明构建的比率荧光生物探针检测标准样品铅离子的含量，构建铅离子检测标准曲线，具体步骤如下：

c-2用上述方法制备的比率荧光生物探针分别用以下9个标准铅离子溶液处理，摩尔浓度分别为a)10^-5μg/ml；b)10^-4μg/ml；c)10^-3μg/ml；d)3×10^-3μg/ml；e)6×10^-3μg/ml；f)10^-2μg/ml；g)3×10^-2μg/ml；h)6×10^-2μg/ml；i)0.1μg/ml。

在室温下，分别调节探针溶液ph为3，5，7，9，11，孵育时间0～600s，发现当探针溶液ph为9(如图5)，孵育时间300s(如图4)。比率荧光生物探针的荧光强度i540/i630的比值与铅离子浓度的对数在10^-5μg/ml到0.1μg/ml的范围内具有线性相关性，标准曲线方程为y＝0.2612x+1.9298，r²＝0.9790，检测灵敏度为1.79×10^-6μg/ml(s/n＝3)。(如图7)。

实施例四

用本发明构建的比率荧光生物探针检测茶叶样品中铅离子的含量，具体步骤如下：

c-1称取1g茶叶于瓷坩埚中移入马弗炉500℃±25℃灰化6～8h冷却，后加入2mlhcl，在电炉上加热至烧干，用0.5％的硝酸将灰分溶解，用滴管将试样洗入10ml或25ml的容量瓶中，定容至刻度。

采用上述方法制备的比率荧光生物探针检测茶叶样品中铅离子含量，将(1)中制备的茶叶样品加入比率荧光生物探针中，在室温下，探针溶液ph为9，孵育时间300s后，检测其荧光强度(如图8)，并依据标准曲线方程为y＝0.2612x+1.9298，r²＝0.9790，计算其铅离子浓度分别为6.03ng/ml、6.61ng/ml、7.94ng/ml(如表1)。