一种水样中中长链全氟羧酸的快速检测方法及检测装置与流程

1.本发明涉及水体污染物的快速检测领域，具体涉及一种水样中中长链全氟羧酸的快速检测方法及检测装置。


背景技术：

2.全氟化合物作为一类新型的持久性有机污染物，在环境领域获得了广泛关注。它们具有很高的化学稳定性、热稳定性以及良好的表面活性，在地毯、皮革、纺织品、食品包装袋、洗涤剂、防水剂和泡沫灭火剂等领域中获得了广泛的应用。但是近年来通过对其环境行为研究发现，它们具有的环境持久性、难降解性、远距离迁移性、生物蓄积性会对生态环境系统产生严重的危害。此外，通过动物实验发现它们还具有严重的生物毒性效应，可以造成器官毒性、神经毒性、免疫和内分泌毒性、生殖及发育毒性和致癌性等，并且中长链全氟化合物的毒性比短链全氟化合物的毒性更强，对人体健康的危害巨大。
3.全氟羧酸化合物具有良好的极性和水溶性，水体是其主要的传输介质之一。它们随着水体的迁移可以进入到多种水环境中，对水体产生严重污染，威胁人们的饮用水安全。因此建立有效的检测方法及时对环境水样中的全氟羧酸污染水平进行风险评估调查是非常必要的。目前，对于全氟羧酸的常用检测方法主要有高效液相色谱法(hplc)、高效液相色谱
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质谱(hplc
‑
ms)联用和高效液相色谱
‑
串联质谱(hplc
‑
ms/ms)技术。虽然色谱法具有很高的灵敏度和准确度，但是需要对样品进行繁琐的前处理，使用昂贵精密的仪器，检测周期较长，不能用于现场的快速检测。现有技术公开了一种双波长比率紫外光谱法测定全氟辛烷磺酸，该方法利用在酸性条件下，全氟辛烷磺酸与甲苯胺蓝发生静电作用形成一种离子缔合物，该离子缔合物在632nm和502nm出现两个特征峰并呈比率吸收，根据全氟辛烷磺酸溶液浓度与紫外双波长吸收比率值之间的关系，建立了一种测定全氟辛烷磺酸的双波长比率紫外光谱法，该方法简便快速，但是只能用于在酸性条件下对全氟辛烷磺酸的检测，应用条件和应用范围有限。


技术实现要素：

4.因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有快速检测水样中中长链全氟羧酸的方法应用条件和应用范围有限的缺陷，从而提供一种水样中中长链全氟羧酸的快速检测方法和检测装置。
5.一种水样中中长链全氟羧酸的快速检测方法，包括以下步骤：
6.s1、制备au@pei颗粒溶液；
7.s2、获取浓度
‑
颜色标准比色体系；
8.s3、采集水样，将水样加入到步骤s1制备的au@pei颗粒溶液中，混合后，得到待比色样品，将所述待比色样品与浓度
‑
颜色标准比色体系进行比色，观察待比色样品颜色，判断所述水样中中长链全氟羧酸的浓度含量。
9.本发明采用聚乙烯亚胺改性金纳米颗粒(au@pei)作为信号探针，在中长链全氟羧
酸的存在下，au@pei表面带正电荷的氨基可以与带负电荷的中长链全氟羧酸发生静电作用和氢键作用，使分散的au@pei发生聚集，溶液颜色由酒红色变为紫色，通过目视观察溶液颜色的变化，建立比色法可以快速判断水样中中长链全氟羧酸的污染水平。
10.进一步的，au@pei颗粒溶液的制备包括以下步骤：在氯金酸溶液中加入聚乙烯亚胺溶液，搅拌一段时间后，加入硼氢化钠溶液，搅拌，得到au@pei颗粒溶液，所述au@pei表面带正电荷。
11.常规方法制备的纳米金是带负电荷的，一般情况下，是采用柠檬酸钠还原法制备纳米金，此时柠檬酸钠既是还原剂也是保护剂，制备得到的纳米金表面含有柠檬酸分子，使纳米金带负电荷。在本技术中au@pei的制备方法是以带正电荷的聚乙烯亚胺作为保护剂，硼氢化钠作为还原剂，因此制备得到的纳米金表面含有大量的聚乙烯亚胺分子，使得纳米金带正电荷。
12.在本发明中制备au@pei颗粒溶液时先加入聚乙烯亚胺溶液，再加入硼氢化钠溶液，先加入聚乙烯亚胺作为保护剂，可以将氯金酸的金核保护起来，当加入硼氢化钠后可以将氯金酸快速还原为纳米金颗粒，聚乙烯亚胺作为保护剂分子包裹在金颗粒表面，从而得到au@pei颗粒。如果加入顺序相反，是得不到au@pei颗粒的。
13.本技术采用“一步快速还原法”在室温下制备得到了聚乙烯亚胺改性金纳米颗粒(au@pei)信号探针，制备简便快速，可以通过一步反应直接得到带正电荷的au@pei。从而使得au@pei表面带正电荷的氨基可以与带负电荷的中长链全氟羧酸发生静电作用和氢键作用，使分散的au@pei发生聚集，使溶液出现颜色的变化以及紫外吸光度值的变化。
14.在制备带正电荷的纳米金时需要考察不同的反应条件，才能成功得到表面带正电氨基的纳米金。本发明中，氯金酸与聚乙烯亚胺的摩尔比为(18～22):1；氯金酸与硼氢化钠的摩尔比为1:(1.8～2.3)。优选的，氯金酸与聚乙烯亚胺的摩尔比为20：1，氯金酸与硼氢化钠的摩尔比为1：2。
15.本发明通过考察三种物料的加入量，确定了最佳的摩尔比。氯金酸与聚乙烯亚胺的摩尔比为(18～22):1，加入聚乙烯亚胺过多后，形成不了au@pei颗粒，可能是大量的聚乙烯亚胺分子将氯金酸分子包裹，不能被硼氢化钠还原为金颗粒。而当加入的聚乙烯亚胺太少时，不能起到保护作用，加入硼氢化钠后，溶液变为深紫色，得不到稳定的酒红色的au@pei颗粒溶液，因此氯金酸与聚乙烯亚胺的摩尔比选择20:1为最佳摩尔比。氯金酸与硼氢化钠的摩尔比为1:(1.8～2.3)，当硼氢化钠加入量太少时，不能确保氯金酸全部被还原为纳米金颗粒，而当硼氢化钠加入量过多时，溶液也会变为深紫色，也得不到稳定的酒红色的au@pei颗粒溶液，选择1：2为最佳摩尔比。
16.本发明在制备过程中通过调节改变物料的加入量，优化得到了最佳的用量，制备得到的au@pei颗粒的紫外吸收峰峰形较窄，颗粒具有良好的分散性、均匀性和稳定性。
17.所述氯金酸溶液的浓度为0.5～2mmol/l，聚乙烯亚胺溶液的浓度为0.5～1.5mg/ml，硼氢化钠溶液的浓度为25～30mmol/l。优选的，氯金酸溶液的浓度为0.5mmol/l，聚乙烯亚胺溶液的浓度为1mg/ml，硼氢化钠溶液的浓度为25mmol/l。
18.加入硼氢化钠溶液后，在室温下搅拌1.5～2.5h，得到au@pei颗粒溶液。本发明采用硼氢化钠作为还原剂，在室温下即可制得au@pei颗粒溶液，不需要进行高温加热，操作简单快捷。
19.进一步的，步骤s2中获取浓度
‑
颜色标准比色体系的方法包括如下步骤：
20.s201、配制中长链全氟羧酸标准溶液：将中长链全氟羧酸溶解后，配制得到3～5mg/ml的中长链全氟羧酸标准储备液，然后再将其逐步稀释为n份不同浓度的中长链全氟羧酸标准溶液，n≥3；
21.s202、将n份40～60μl不同浓度的中长链全氟羧酸标准溶液分别加入n份300～400μl的au@pei颗粒溶液中，混合反应3～10min后，得到n份比色检测全氟羧酸标准品，观察颜色，建立浓度
‑
颜色标准比色体系；
22.进一步的，所述s201中，配制得到4mg/ml的中长链全氟羧酸标准储备液，然后再将其逐步稀释为8份浓度依次为0.2mg/ml、0.4mg/ml、0.6mg/ml、0.8mg/ml、1.2mg/ml、1.6mg/ml、2.0mg/ml、2.4mg/ml的中长链全氟羧酸标准溶液；
23.所述s202中，将8份体积为50μl，浓度依次为0.2mg/ml、0.4mg/ml、0.6mg/ml、0.8mg/ml、1.2mg/ml、1.6mg/ml、2.0mg/ml、2.4mg/ml的中长链全氟羧酸标准溶液分别加入8份体积为350μl的au@pei颗粒溶液中，混合反应5min后，得到8份全氟羧酸最终浓度依次为25μg/ml、50μg/ml、75μg/ml、100μg/ml、150μg/ml、200μg/ml、250μg/ml、300μg/ml的比色检测全氟羧酸标准品，观察颜色，建立浓度
‑
颜色标准比色体系。
24.进一步的，步骤s3中采集水样，将40～60μl所述水样加入到300～400μl au@pei颗粒溶液中，混合后，得到待比色样品，将所述待比色样品与浓度
‑
颜色标准比色体系进行比色，观察待比色样品颜色，判断所述水样中中长链全氟羧酸的浓度含量。
25.随着全氟羧酸浓度的增加，溶液的颜色逐渐由酒红色变为紫红色
‑
深紫色：当目视观察溶液的颜色为酒红色时，表明水样中不含有全氟羧酸或全氟羧酸的浓度小于等于75μg/ml；当溶液的颜色为紫红色时，表明水样中全氟羧酸的浓度在75μg/ml到150μg/ml之间；当溶液颜色为深紫色时，表明水样中全氟羧酸的浓度大于150μg/ml。
26.进一步的，还包括：
27.s4、测定待比色样品的紫外吸光度，根据浓度
‑
紫外吸光度标准曲线确定水样中中长链全氟羧酸的浓度；
28.浓度
‑
紫外吸光度标准曲线通过测定比色检测全氟羧酸标准品的紫外吸光度获得。
29.分散的au@pei发生聚集，体系的紫外吸光度增加，紫外吸收波长发生红移。通过进一步测定样品的紫外吸光度，基于紫外吸光度与全氟羧酸浓度之间的关系，可以实现对水样中中长链全氟羧酸的定量检测。
30.采集水样后，先对水样进行过滤，再将水样加入au@pei颗粒溶液中。优选的，采用0.22μm的滤膜对环境水样进行过滤纯化。
31.一种水样中中长链全氟羧酸的快速检测方法使用的检测装置，包括箱体和箱盖，箱体内设置有取样器、过滤膜、比色探针试剂管和紫外分光光度计；比色探针试剂管内设置有au@pei颗粒溶液。
32.具体检测过程为：采用取样器(例如取样针筒)吸取水样，将取样器连接上过滤膜，取一个装有au@pei颗粒溶液的比色探针试剂管，将水样过滤到比色探针试剂管中，将混合溶液混匀反应一段时间，得到待比色样品，将待比色样品与浓度
‑
颜色标准比色体系进行比色，快速判断水样中是否含有中长链全氟羧酸或全氟羧酸的浓度范围；并采用紫外分光光
度计测量其紫外吸光度，根据浓度
‑
紫外吸光度标准曲线确定水样中中长链全氟羧酸的浓度。
33.箱体内还设置有试剂管架和比色皿池，试剂管架用于存放未反应的比色探针试剂管，比色皿池用于存放与水样反应后的比色探针溶液。
34.紫外分光光度计包括紫外
‑
可见光源、滑动样品槽、光电转换器、暗室和暗室盖；紫外
‑
可见光源、滑动样品槽和光电转换器设置在暗室内，紫外
‑
可见光源与光电转换器对应设置，紫外
‑
可见光源用于提供入射光照射待比色样品，滑动样品槽设置在紫外
‑
可见光源与光电转换器之间，待比色样品放置在滑动样品槽内；光电转换器接穿过待比色样品后的入射光，光电转换器将光学信号转换为电信号，实现数据的采集处理；暗室盖在样品检测时关闭，为检测过程提供避光环境。
35.紫外分光光度计还包括数据显示屏、操作按键区和防水耐磨表层。数据显示屏可以直接显示光电转换器处理后的数据；所述操作按键区可以控制检测程序、数据转换器及显示屏的开关；所述防水耐磨表层可保护箱体内的装置，适应场地环境。
36.紫外分光光度计还包括充电及数据接口，充电及数据接口可以连接外部设备对紫外分光光度计进行充电并可以直接将数据结果进行导出。
37.紫外分光光度计测量待比色样品中中长链全氟羧酸的浓度的具体检测方法为：将待比色样品放入滑动样品槽内，将暗室盖关闭，通过操作按键区打开紫外
‑
可见光源照射待比色样品，测定待比色样品的紫外吸光度，通过光电转换器对光信号进行处理后，可以在数据显示屏上读取紫外吸光度值，然后再通过操作按键区对数据进行转换后，可以在数据显示屏上直接读取水样中中长链全氟羧酸的浓度含量。
38.本发明建立的比色方法无需使用昂贵精密的仪器、操作简便，可以通过目视观察快速判断环境水样中是否含有中长链全氟羧酸或全氟羧酸的浓度范围；开发的快速检测装置箱易于携带，可以实现对批量样品的快速筛选，用于现场监测环境水体中中长链全氟羧酸的污染水平，为污染预警或突发性水环境污染事件的快速调查提供技术支持。
39.本发明技术方案，具有如下优点：
40.1.本发明提供的水样中中长链全氟羧酸的快速检测方法，采用聚乙烯亚胺改性金纳米颗粒(au@pei)作为信号探针，在中长链全氟羧酸的存在下，au@pei表面带正电荷的氨基可以与带负电荷的中长链全氟羧酸发生静电作用和氢键作用，使分散的au@pei发生聚集，溶液颜色由酒红色变为紫色，通过目视观察溶液颜色的变化，建立比色传感方法，不仅可以快速判断水样中中长链全氟羧酸的污染水平，还不受酸碱性条件的限制，提高了测量便捷性，扩大了本发明检测方法的应用范围。
41.2.本发明提供的水样中中长链全氟羧酸的快速检测方法，au@pei颗粒溶液的制备是以带正电荷的聚乙烯亚胺作为保护剂，硼氢化钠作为还原剂，因此制备得到的纳米金表面含有大量的聚乙烯亚胺分子，使得纳米金带正电荷。本发明采用“一步快速还原法”在室温下制备得到了聚乙烯亚胺改性金纳米颗粒(au@pei)信号探针，制备简便快速，可以通过一步反应直接得到带正电荷的au@pei。
42.3.本发明提供的水样中中长链全氟羧酸的快速检测方法，通过调节改变物料的加入量，优化得到了最佳的用量，制备得到的au@pei颗粒的紫外吸收峰峰形较窄，颗粒具有良好的分散性、均匀性和稳定性。
43.4.本发明不仅建立了可以对中长链全氟羧酸检测的au@pei比色方法，而且基于该方法的原理研制了快速检测装置，该检测装置集样品预处理和检测功能于一体，便于携带，箱体内的设备装置稳定，适用于在户外使用，可以实现在项目现场的批量样品快速检测。
附图说明
44.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
45.图1是实施例1在不同浓度的全氟辛烷羧酸存在下，au@pei颗粒溶液的紫外吸收光谱图；
46.图2是实施例1全氟辛烷羧酸浓度
‑
紫外吸光度的线性图；
47.图3是实施例2的快速检测装置的俯视图；
48.图4是实施例2的快速检测装置的立体图。
49.附图标记：
[0050]1‑
箱体；2
‑
箱盖；3
‑
取样针筒；4
‑
过滤膜；5
‑
试剂管架；6
‑
比色探针试剂管；7
‑
比色皿池；8
‑
紫外
‑
可见光源；9
‑
滑动样品槽；10
‑
光电转换器；11
‑
数据显示屏；12
‑
操作按键区；13
‑
防水耐磨表层；14
‑
暗室盖；15
‑
充电及数据接口。
具体实施方式
[0051]
实施例1
[0052]
实施例1中，中长链全氟羧酸选用的是全氟辛烷羧酸(pfoa)，但本技术的方案在具体应用时不限于全氟辛烷羧酸，还可用于全氟壬酸、全氟癸酸、全氟十一烷酸、全氟十四烷酸等中长链全氟羧酸。
[0053]
一种水样中中长链全氟羧酸的快速检测方法，包括以下步骤：
[0054]
s1、制备au@pei颗粒：在30ml浓度为0.5mmol/l的氯金酸溶液中加入1.5ml浓度为1mg/ml的聚乙烯亚胺溶液，聚乙烯亚胺平均分子量为2000g/mol，搅拌20分钟后，再继续加入1.2ml浓度为25mmol/l的硼氢化钠溶液，硼氢化钠作为还原剂可以将氯金酸快速还原为金纳米颗粒，反应溶液在室温下搅拌2小时后，得到au@pei颗粒溶液。
[0055]
s2、获取浓度
‑
颜色标准比色体系：
[0056]
s201、配制全氟辛烷羧酸标准溶液：将全氟辛烷羧酸溶解后，配制得到4mg/ml的全氟辛烷羧酸标准储备液，然后再逐步稀释成8份浓度分别为0.2、0.4、0.6、0.8、1.2、1.6、2.0、2.4mg/ml的全氟辛烷羧酸标准溶液。
[0057]
s202、取8份350μl au@pei溶液，分别向其中各加入50μl s201中配制的浓度依次为0.2mg/ml、0.4mg/ml、0.6mg/ml、0.8mg/ml、1.2mg/ml、1.6mg/ml、2.0mg/ml、2.4mg/ml的全氟辛烷羧酸标准溶液，使得反应液中全氟辛烷羧酸的最终浓度依次为25μg/ml、50μg/ml、75μg/ml、100μg/ml、150μg/ml、200μg/ml、250μg/ml、300μg/ml。混匀反应5分钟后，得到8份比色检测全氟辛烷羧酸标准品，观察标准品溶液的颜色变化，得到浓度
‑
颜色标准比色体系，随着全氟辛烷羧酸浓度的增加，溶液的颜色逐渐由酒红色变为紫红色
‑
深紫色。当目视观察
溶液的颜色为酒红色时，表明水样中不含有全氟羧酸或全氟羧酸的浓度小于等于75μg/ml；当溶液的颜色为紫红色时，表明水样中全氟羧酸的浓度在75μg/ml到150μg/ml之间；当溶液颜色为深紫色时，表明水样中全氟羧酸的浓度大于150μg/ml。
[0058]
s3、采集氟化工企业周边的环境水样，然后用0.22μm的滤膜对水样进行过滤后，取50μl水样加入到350μl au@pei颗粒溶液中，混匀反应5分钟后观察溶液的颜色由酒红色变为紫红色，表明水样中全氟辛烷羧酸的浓度在75μg/ml到150μg/ml之间。
[0059]
s4、采用紫外分光光度计测定每个全氟辛烷羧酸标准溶液的紫外吸光度，如图1所示，随着全氟辛烷羧酸浓度的增加，样品溶液的紫外吸光度值逐渐增加；根据紫外吸光度与全氟辛烷羧酸浓度之间的关系，得到对全氟辛烷羧酸检测的标准曲线方程为y＝0.0005x+0.4638(r2＝0.9801)，线性范围为25μg/ml到300μg/ml之间，如图2所示。
[0060]
测定待比色样品的紫外吸光度，根据紫外吸光度与全氟辛烷羧酸浓度之间的关系，确定环境水样中全氟辛烷羧酸的浓度为86μg/ml，表明氟化工企业周边的环境水样中全氟辛烷羧酸的污染较为严重。
[0061]
实施例2
[0062]
一种水样中中长链全氟羧酸的快速检测方法采用的检测装置，如图3、图4所述，包括箱体1和箱盖2，箱体内含有取样针筒3、过滤膜4、试剂管架5、比色探针试剂管6、比色皿池7、紫外
‑
可见光源8、滑动样品槽9、光电转换器10、数据显示屏11、操作按键区12、防水耐磨表层13、暗室盖14和充电及数据接口15。
[0063]
取样针筒3为10ml塑料注射器，用于抽取环境水样；过滤膜4为0.22μm的纤维素微孔滤膜，用于对水样进行过滤预处理；试剂管架5含有24个试剂管孔，用于存放比色探针试剂管6；比色探针试剂管6用于存放au@pei颗粒溶液；比色皿池7用于存放au@pei和水样反应后的比色探针溶液；紫外
‑
可见光源8用于提供入射光照射待比色样品；滑动样品槽9含有可放5个比色皿池7的凹槽，通过连续滑动可以一次测定5个样品；光电转换器10可以将光学信号转换为电信号，实现数据的采集处理；数据显示屏11可以直接显示处理后的数据；操作按键区12可以控制检测程序、数据转换及显示屏的开关；防水耐磨表层13可以适应场地环境，保护箱体内的检测装置；暗室盖14在样品检测时可以关闭，为检测过程提供避光环境；充电及数据接口15可以连接外部设备对检测箱体进行充电并可以直接将数据结果进行导出。
[0064]
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。