一种基于比色法和表面增强拉曼光谱双传感系统检测水中芘的方法

本发明涉及化学检测，尤其是涉及一种基于比色法和表面增强拉曼光谱双传感系统检测水中芘的方法。

背景技术：

1、多环芳烃(polycyclic aromatic hydrocarbons,pahs)是燃煤和石油等燃料物质没有充分燃烧产生的一类有毒的化合物，具有极强的致癌性，和酒精、电离辐射等共称一类致癌物，已经严重影响了人类的身体健康。在人类日常工作生活中，许多行为都会加速多环芳烃的产生，例如在石油化工或有机化工的生产过程中产生的废物外泄，燃煤或燃油在燃烧过程中的不充分燃烧产生的废气外溢，垃圾的不规范堆集与填埋导致的污染物外露，食品制作过程种的不健康操作，比如烟熏、油炸等操作，也会产生一定量的多环芳烃。因此，环境中多环芳烃的残留问题已成为了世界各国不同研究者关注的焦点，而探索新的检测这种污染物残留的方法自然也成为了研究中的一大重点。

2、纳米金(aunps)和纳米银(agnps)等贵金属纳米粒子因其独特的光学特性广受研究者的青睐。其中纳米金因其溶液颜色会随着粒子间距变化而变化的特点被应用与比色法的开发；纳米银则更多被应用于表面增强拉曼光谱法。贵金属纳米粒子的应用具有一定的局限性，所以在各种传感器中，一般不会直接使用贵金属的纳米粒子进行实验，更多的是利用功能性基团修饰纳米粒子，使其具有更好的特异性，更好的与靶物质结合。

3、环糊精(cyclodextrin,cd)是由若干个相同的葡萄糖单元组成的一类低聚糖的统称，最早发现于被微生物降解的淀粉中，从结构上看，环糊精拥有一个环形立体结构，整个结构构成宛如一个圆台，其内部空腔具有疏水性，而外部却有着亲水性，通过修饰其外沿可使其与贵金属纳米粒子结合，达到检测多环芳烃的目的。

4、针对多环芳烃的传统检测方法一般为毛细管电泳检测法，气相色谱法、高效液相色谱法，酶联免疫吸附法，免疫荧光法等。传统的检测方法虽然已经发展的较为成熟，但是基本都需要专业人员操作大型仪器，不论是在资金还是时间上都需要较高的成本。因此，提供一种快速、经济的检测方法，对保护环境，保护公民健康具有重要的理论意义和实用价值。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种基于比色法和表面增强拉曼光谱双传感系统检测水中芘的方法，也即基于agnps-aunps的核-卫星纳米结构检测水样中多环芳烃芘的比色和sers双通道传感系统。本发明利用组装好的agnps-aunps的核-卫星纳米结构与游离的芘结合，使其嵌入到β-环糊精(指“单巯基β-环糊精”，下述相同)的空腔中；基于此结构可通过比色法和sers法实现水中芘的高灵敏、高特异性检测，解决了现有技术检测样品中芘的方法操作复杂、成本高，以及比色法在多环芳烃定性的局限性等技术问题。

2、本发明的一种基于纳米金和纳米银的核-卫星纳米结构检测水样中多环芳烃芘的比色和sers双通道传感系统。本发明中，一方面，因ox-tmb的加入可以改变β-环糊精碗状空腔表面的电荷，使β-环糊精的空腔和多环芳烃形成主体-客体-主体结构，又由于β-环糊精修饰在aunps和agnps的表面，即形成了纳米银-多环芳烃-纳米金的结构发生聚集溶液颜色发生变化，紫红色变为无色，且在680nm处吸光度值变化与体系与芘的浓度呈线性关系，比色法对芘的检出限为3.4μmol/l；另一方面，聚集后的核-卫星结构sers信号强度大大增强，根据核-卫星结构的拉曼特征峰值建立与芘的浓度之间的线性关系，sers法的检出限为0.42μmol/l。本发明具有反应迅速、方便快捷、成本低廉等特点，提供了一种检测水样中多环芳烃芘的新方法，并为开发多路复用的传感系统提供了新的思路。

3、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

4、本发明提供一种基于比色法和表面增强拉曼光谱双传感系统检测水中芘的方法，包括以下步骤：

5、(s1)aunps@β-cd的制备：将β-环糊精溶液与纳米金溶液混匀得到aunps@β-cd；

6、(s2)agnps@β-cd的制备：将β-环糊精溶液与纳米银溶液混匀得到agnps@β-cd；

7、(s3)agnps-pyrene-aunps核-卫星比色法标准曲线的建立：将步骤(s1)制备得到的aunps@β-cd与步骤(s2)制备得到的agnps@β-cd混匀，得到混合溶液(基于比色法和表面增强拉曼光谱双传感系统)；然后加入不同浓度的芘标准溶液和ox-tmb混合后反应；反应结束后测量吸光值，绘制比色法标准曲线；测量拉曼强度，绘制sers法标准曲线；

8、(s4)待测样品中芘浓度的测定：将步骤(s1)制备得到的aunps@β-cd、步骤(s2)制备得到的agnps@β-cd、待测样品和ox-tmb混合后反应，反应结束后测量吸光值和拉曼强度；

9、(s5)将步骤(s4)得到的吸光值步骤(s3)得到的比色法标准曲线中，得到第一浓度；

10、将步骤(s4)得到的拉曼强度代入步骤(s3)得到的sers法标准曲线中，得到第二浓度；

11、当第一浓度和第二浓度的相对标准偏差小于10％时，判定待测样品中芘浓度为(第一浓度+第二浓度)/2；

12、否则，重复步骤(s4)和(s5)。

13、在本发明的一个实施方式中，步骤(s1)中，纳米金溶液通过下述方法制备得到：将去离子水、四氯金酸、柠檬酸钠加热至颜色由金色变为紫红色，得到纳米金溶液。

14、在本发明的一个实施方式中，去离子水、四氯金酸、柠檬酸钠用量比为90～100ml：0.8～1.2ml：0.8～1.2ml；

15、优选地，去离子水、四氯金酸、柠檬酸钠用量比为98ml：1ml：1ml；

16、在本发明的一个实施方式中，四氯金酸的质量分数为1％；柠檬酸钠的质量分数为1％。

17、在本发明的一个实施方式中，步骤(s1)中，β-环糊精溶液与纳米金溶液的体积比为1：1～1.2；

18、优选地，β-环糊精溶液与纳米金溶液的体积比为1：1。

19、在本发明的一个实施方式中，β-环糊精溶液浓度为1μmol/l。

20、在本发明的一个实施方式中，步骤(s2)中，纳米银溶液通过下述方法制备得到：将硝酸银、柠檬酸钠搅拌加热至不透明的黄绿色，得到纳米银溶液。

21、在本发明的一个实施方式中，硝酸银和柠檬酸钠的体积比为48～52：1；

22、优选地，硝酸银和柠檬酸钠的体积比为50：1。

23、在本发明的一个实施方式中，所述柠檬酸钠的质量分数为1％，硝酸银的浓度为0.001mol/l。

24、在本发明的一个实施方式中，纳米银溶液的颜色会从无色透明逐渐转化为不透明的黄绿色，加热搅拌1小时后停止，常温下冷却至室温备用。

25、在本发明的一个实施方式中，步骤(s2)中，β-环糊精溶液与纳米银溶液的体积比为1：1～1.2；

26、优选地，β-环糊精溶液与纳米银溶液的体积比为1：1。

27、在本发明的一个实施方式中，β-环糊精溶液浓度为1×10-5mol/l。

28、在本发明的一个实施方式中，步骤(s3)中，agnps@β-cd与aunps@β-cd的体积比为9～11：1；

29、优选的，agnps@β-cd与aunps@β-cd的体积比为10：1。

30、在本发明的一个实施方式中，步骤(s3)中，反应过程中，温度为19～21℃，时间为24～26min；

31、优选地，反应过程中，温度为20℃，时间为25min。

32、在本发明的一个实施方式中，步骤(s3)中，绘制比色法标准曲线时，以芘标准溶液的浓度为横坐标，以680nm处吸光值为纵坐标；

33、绘制sers法标准曲线时，以芘标准溶液的浓度为横坐标，以1605cm-1处的拉曼强度拉曼强度为纵坐标。

34、在本发明的一个实施方式中，绘制比色法标准曲线时，芘标准溶液的浓度为10μmol/l-100μmol/l(包括低浓度范围10μmol/l-30μmol/l和高浓度范围30μmol/l-100μmol/l)；

35、绘制sers法标准曲线时，芘标准溶液的浓度为20μmol/l-100μmol/l。

36、本发明的原理主要包括比色法和sers法两个部分。首先将β-环糊精修饰的纳米金颗粒和纳米银颗粒混合在一起，分别得到分散状态的aunps@β-cd和agnps@β-cd。当体系中存在多环芳烃芘的情况下，芘会嵌入到β-环糊精空腔内部，在ox-tmb的作用下，纳米颗粒会自组装形成agnps-pyrene-aunps的核-卫星结构，形成了主体-客体-主体结构，又由于β-环糊精修饰在aunps和agnps的表面，即形成了纳米粒子-芘-纳米粒子的结构；这个结构的形成主要是由于在ox-tmb的作用下，降低了β-环糊精空腔间的相互作用，而芘在这个过程中充当了一个“分子桥”的作用，连接了体系中的纳米粒子；且由于纳米银颗粒的粒径大于纳米金颗粒，纳米银颗粒和纳米金颗粒间的作用力要小于同种颗粒间的作用力，所以更容易以纳米银颗粒为核形成agnps-pyrene-aunps的核-卫星结构；核-卫星结构的形成，使得aunps@β-cd聚集在了agnps@β-cd附近，改变β-环糊精碗状腔体的表面电荷，检测体系的溶液颜色由红色变为蓝紫色，所以可以通过比色法建立溶液颜色与芘浓度之间的关系；与此同时，核-卫星结构同样形成了“热点”效应从而增强了sers信号。基于此结构可通过比色法和sers方法实现对水中多环芳烃的快速、高效的定性、定量检测。

37、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

38、(1)本发明的基于比色法和表面增强拉曼光谱双通道传感系统与传统的比色法相比，解决了比色法无法对结构相近的多环芳烃进行定性的问题；

39、(2)本发明解决了传统单一sers传感器稳定性和重复性较差的问题，可以更方便地从复杂样品中检测对应多环芳烃，避免了检测多环芳烃残留过程中的假阳性或假阴性等相关问题；

40、(3)本发明基于比色法和表面增强拉曼光谱双传感系统通过比色法和sers方法实现水中芘的高灵敏高特异性检测；比色法对芘的检出限为3.4μmol/l，sers法的检出限为0.42μmol/l；本发明操作简便，不需要大型仪器，灵敏度高，可用于水中多环芳烃的检测。