一种检测钙离子的传感器及其制备方法和用途

本发明属于纳米检测材料领域，具体涉及一种检测钙离子的传感器及其制备方法和用途。

背景技术：

1、钙离子是人体必需的营养元素和最重要的矿物质之一，钙在骨骼、牙齿和指甲的生长和维护中发挥重要作用，钙以二价离子ca2+的形式在许多生物反应过程发挥着重要作用，如激素分泌、神经传导和血液凝固。世界卫生组织(who)和联合国粮食及农业组织(fao)建议成人每天至少摄入1200毫克钙。目前，钙离子缺乏症已成为热点话题。因此，在医学诊断中，测定钙离子含量对评估病人的健康状况非常重要。钙离子浓度通常在人体液中相对稳定(尿液中的浓度范围为100至300毫克/天)(clin.med.res.2014,11,219～225)，钙离子浓度的异常变化往往可能会暗示各种潜在疾病情况的存在。当ca2+浓度低于正常水平时，可能存在骨质疏松症、维生素d缺乏症、甲状腺功能减退症；而当ca2+浓度高于正常水平时，可能意味着甲状腺功能亢进症、维生素d中毒、骨髓瘤等潜在病况(endocr.pract.2005,11,49-54)。因此，从维护人类身体健康的角度来看，寻找一种快速有效检测水中钙含量的技术方法是非常重要的。

2、传统测定分析水环境中ca2+离子的方法包括电感耦合等离子质谱、原子吸收光谱、原子发射光谱、冷蒸汽原子荧光光谱、高效液相色谱等，这些方法具有低检测限和高选择性的优点，但它们的缺点通常耗时、昂贵、样品制备过程复杂以及专业的设备使用要求高等因素，使得它们的现场应用受到束缚。因此，设计开发出一中成本低、检测便捷快速的特异性测定ca2+离子的技术方法势在必行。

3、贵金属纳米粒子具有独特的等离子共振吸收特性，入射光会与金属纳米晶体导带中的电子耦合，并驱动金属纳米晶体的自由电子相对金属的正晶格经历集体振荡。随着纳米材料的发展，贵金属纳米材料以其良好的稳定性、表面可修饰性、高消光系数和独特的可调谐表面等离子共振效应(spr)引起了人们广泛的关注，近年来被广泛应用于载药、传感、环境监测等领域。研究者基于贵金属纳米粒子及其复合材料的特性，开发出诸多荧光、比色、电化学、表面增强拉曼散射传感器，用于检测蛋白质、食品添加剂、农药残留、重金属离子和小分子化合物等，设计ca2+比色检测是aunps的重要应用之一。光学比色法检测法可以克服传统仪器分析方法由于需要精密仪器或繁琐制样过程等缺点，通过颜色变化可直观地观察到目标物的存在，从而实现了现场实时快速检测的目标。目前大多数基于aunps的比色光学检测依赖于用特定的配体对金纳米表面进行合理的修饰，通过目标物与功能配体之间的相互作用可以改变aunps在溶液中的分散/聚集状态，并产生颜色变化和共振吸收峰强度以及位移的变化。例如zhang及其同事利用共轭巯基琥珀酸(msa)和aunps通过msa的羧基与ca2+相互作用，从而导致颜色变化和spr峰的红移(analyst.2011,136(19),3865-3868)。kim等用钙结合蛋白钙调蛋白(csq)对aunps进行了功能化处理，通过与ca2+的相互作用，aunps在聚集的基础上能够用作比色检测钙传感器(angew.chem.2009,48(23),4138-4141)。然而，大部分传感器都存在材料制备过程复杂，抗干扰能力或者选择性差，与水样品不相容等问题。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术是针对上述存在的技术问题，提供一种毒性低、稳定性和重复性好的功能化的金纳米粒子，其作为检测传感器，可用于快速、便捷、检测湖水、自来水、以及矿泉水中的钙离子。

2、本发明解决上述技术问题所采取的技术方案为：

3、一种检测钙离子的传感器的制备方法，采用5-嘧啶硼酸和柠檬酸钠作为修饰剂、还原剂兼稳定剂，柠檬酸钠将氯金酸溶液中三价的金还原成零价，加入修饰剂后制得一种金纳米粒子水溶液；用钙离子标准溶液和超纯水配置一系列不同浓度的钙离子标准溶液，然后分别加入到金纳米粒子水溶液，溶液颜色由酒红色渐变为灰蓝色；5-嘧啶硼酸作为金纳米粒子的配体修饰剂，通过其嘧啶基团与钙离子形成键合作用引起金纳米粒子聚集，使得溶液颜色发生变化，实现对样品中钙离子的裸眼比色定性检测；由金纳米粒子的聚集状态变化引起金纳米粒子表面等离子共振吸收(spr)发生改变，根据spr吸收峰强度和位移的改变可以实现对钙离子的定量检测。

4、5-嘧啶硼酸配体的结构如下式(i)所示：

5、

6、本发明提供的一种检测钙离子的传感器的制备方法，具体包括如下步骤：

7、在三口烧瓶中加入四水合氯金酸水溶液，加热搅拌至沸腾，快速加入柠檬酸钠的水溶液，继续搅拌反应15～20分钟，溶液颜色由浅黄色渐变为紫黑色最后变为酒红色，随后加入5-嘧啶硼酸溶液，继续搅拌3～5分钟，静置冷却至室温，将反应混合物溶液用去离子水稀释一倍，制得一种金纳米粒子水溶液，即为所述的一种检测钙离子的传感器，放入4℃的冰箱中保存备用；

8、所述钙离子为ca2+离子；

9、所述的四水合氯金酸水溶液的浓度为0.1～0.35mm；

10、所述的金纳米粒子水溶液的ph范围在4～8；

11、所述的5-嘧啶硼酸溶液的浓度为10～33mm；

12、所述的柠檬酸钠水溶液的质量分数为1.0％。

13、将所制备的金纳米粒子水溶液与含有不同浓度ca2+的标准溶液反应，根据溶液颜色变化，制成不同钙离子浓度的标准比色卡片，包括空白实验结果的卡片(如图2所示)。待测样品与金纳米粒子水溶液反应，根据样品溶液颜色与标准卡片进行比对，用于不同环境下待检测样品中钙离子的现场裸眼比色检测。

14、将所制备的金纳米粒子水溶液与含有不同浓度ca2+的标准溶液反应，通过紫外可见吸收光谱测试反应后溶液中金纳米粒子表面等离子共振吸收峰的峰位以及强度变化，包括空白样的实验结果，将波峰对应波长处的spr共振吸收峰的强度比值对钙离子溶液浓度绘制标准曲线(如图3所示)。待检测样品与金纳米粒子水溶液反应，将紫外可见吸收光谱测试结果代入标准曲线进行比对计算，实现对钙离子的定量检测。

15、裸眼检测限为0.08mm，紫外可见光谱检测限为3.29μm。

16、所述待检测样品可以湖水、自来水、矿泉水。

17、本发明提供了一种检测钙离子的传感器及其制备方法，以及用所制备的传感器检测ca2+离子的技术，该技术方法基于团聚机理，利用金属ca2+离子与有机配体5-嘧啶硼酸上嘧啶的键合作用，从而引起金纳米粒子聚集(图4)，使得溶液颜色发生变化，并引起金纳米粒子表面等离子共振吸收峰的峰位以及吸收强度发生变化。因此，直接利用裸眼和紫外可见分光光度计进行判定，即可快速检测样品中是否含有钙离子以及确定钙离子的含量，实现对样品中ca2+离子的定性和定量快速检测。

18、与现有技术相比，本发明的特点在于：

19、本发明提供了一种金纳米粒子传感器及其制备方法、以及检测钙离子的应用技术，该技术方法操作简单方便、原料廉价易得、成本低、检测快速、灵敏度高、选择性强并且可实施现场裸眼比色检测，裸眼检测限为0.08mm，紫外可见光谱检测限为3.29μm；该检测技术适用于湖水、自来水、矿泉水、血液以及其他复杂体系中ca2+离子的快速检测，具有广泛的应用价值。

20、本发明使用的修饰剂5-嘧啶硼酸上的羧基能够与金纳米粒子形成特定的键合作用，使金纳米粒子具有特有的稳定性；有机配体5-嘧啶硼酸上的嘧啶基能与ca2+离子形成特定的合键作用，从而使金纳米粒子聚集团聚并具有特定的稳定性；5-嘧啶硼酸配体具有刚性平面构型和具有特定共轭π体系，吡啶基于羧基处于间位结构，这些特有的空间几何构型使得形成的氢键或π···π作用具有特有的键合作用或特有的空间构型；上述这些特定的性能参数使得所制备的传感器具有特定的检测性能参数，使检测结果具有特定的灵敏性、选择性以及检测限，裸眼检测限为0.08mm，紫外可见光谱检测限为3.29μm。因此，本发明所形成的技术方案具有特有的检测技术参数，具有特定的应用场景。