一种铜离子的荧光检测方法

1.本发明属于分析检测技术领域，特别涉及一种铜离子的荧光检测方法。


背景技术：

2.由于重金属元素在许多领域都有广泛应用，导致大量重金属离子进入水体中，造成重金属离子污染，对人体健康、动物和植物等都会产生严重的危害。例如，铜是人类健康和许多生物组织的重要组成部分，这种微量营养元素在骨骼形成、细胞呼吸作用及血红蛋白、弹性蛋白的合成中起着至关重要的作用；但是，如果铜离子不能维持在适当的生理浓度时，会导致严重的综合症，比如骨质疏松症、wilson病和阿尔兹海默病。
3.对重金属离子进行检测，是防止和治理重金属离子污染的基础。因此，对铜离子进行检测具有重要意义。目前，检测铜离子的方法有多种，例如，原子吸收分光光度法、电化学法、等离子体发射光谱法、荧光探针法等，其中，荧光探针法具有灵敏度高、响应速度快和操作简单等特点。
4.关于荧光探针法检测铜离子已有报道，例如，《dyes and pigments》(2013，99，p472-479)报道了一种铜离子荧光检测方法，它以罗丹明b酰肼和4-氯-7-硝基-2,1,3-苯并氧杂噁二唑为原料，合成了一种新型罗丹明染料，将该染料用作荧光探针检测铜离子时，表现出较高的选择性和灵敏度。《sensors and actuators b:chemical》(2013，188，p735-740)报道了一种铜离子荧光检测方法，该法用罗丹明腙与2-吡啶甲醛反应合成邻吡啶醛罗丹明腙，以邻吡啶醛罗丹明腙为荧光探针，可以实现对铜离子的检测。《acs applied materials&interfaces》(2014，6，p6562-6569)报道了一种铜离子荧光检测方法，它是用荧光素酰肼和吲哚-3-甲醛为原料合成出一种水溶性荧光素衍生物，以其为荧光探针，可以实现对铜离子的检测。《sensors and actuators b:chemical》(2018，258，p115-124)报道了一种铜离子荧光检测方法，它是用罗丹明b酰肼和2-溴-5-甲酰基吡啶为原料合成出一种新的罗丹明衍生物，以其为荧光探针，可以实现对铜离子的检测。《materials chemistry frontiers》(2019，3，p2437-2447)报道了一种铜离子荧光检测方法，它通过缩合反应用香豆素衍生物和水杨醛在乙醇溶液中合成出香豆素-噻唑基功能化的水杨醛席夫碱，以其为荧光探针，可以实现对铜离子的检测。
5.目前报道的铜离子荧光检测方法大都是在液相中进行检测，通过合成新的荧光探针可以提高检测性能。在液相中进行荧光检测时，由于溶剂化作用的影响，检测性能受到限制，另外还存在废液量大、待测体系容易被污染等缺点。在液相中加入固体颗粒虽可提高荧光强度，但存在固体颗粒容易沉降、液相均匀性降低、影响检测性能、固体颗粒不易回收等缺点。合成新的荧光探针虽然可以提高检测性能，但是存在荧光探针成本高、稳定性差的缺陷，而且仍然存在液相检测的缺点。


技术实现要素：

6.针对目前荧光探针法检测铜离子所存在的问题，本发明开发出一种铜离子的荧光
检测方法，该方法以氨基功能化的二氧化锆纳米管阵列薄膜为载体，以罗丹明b为荧光探针，将铜离子和罗丹明b固载到氨基功能化二氧化锆纳米管阵列薄膜载体上制备检测样片，通过测试检测样片的荧光强度即可实现对铜离子的检测。该方法简单易行，检测性能好，成本低，废液量少，氨基功能化二氧化锆纳米管阵列薄膜载体可再生重复使用。
7.本发明的技术方案是：
8.一种铜离子的荧光检测方法，包括以下步骤：
9.将待测溶液与0.2m的醋酸-醋酸钠缓冲溶液(ph＝5.4)等体积混合得到混合溶液，将混合溶液涂敷在氨基功能化的二氧化锆纳米管阵列薄膜表面，密闭静置5～30min，然后将样片在100～110℃烘干5～30min，冷却，得固载有铜离子的样片；再将罗丹明b溶液涂覆到固载有铜离子的样片上，密闭静置5～30min，然后将样片晾干或吹干，即得检测样片；在一定激发波长的光照下，得到该检测样片的荧光发射强度值，对照相同激发波长下铜离子浓度(c)与检测样片的荧光发射强度(i)的标准曲线，即可测得待测溶液中铜离子的含量。
10.其中，每2～8平方厘米膜片滴加100微升待测溶液、罗丹明b溶液；罗丹明b溶液的溶剂为无水乙醇，浓度为5～15mg/l。
11.所述的铜离子浓度(c)与检测样片的荧光发射强度(i)的标准曲线的获得方法，包括以下步骤：
12.(1)将用0.1m的醋酸-醋酸钠缓冲溶液(ph＝5.4)配制的铜离子溶液涂敷在氨基功能化的二氧化锆纳米管阵列薄膜表面，密闭静置5～30min，然后将样片在100～110℃烘干5～30min，冷却，得固载有铜离子的样片；再将罗丹明b溶液涂覆到固载有铜离子的样片上，密闭静置5～30min，然后将样片晾干或吹干，即得检测样片；在一定激发波长的光照下，得到该检测样片的荧光发射强度值；
13.(2)按照上面的方法，选取不同浓度(c)的铜离子溶液制备检测样片，在相同激发波长下测试这些检测样片的荧光发射强度(i)，得到该激发波长下不同铜离子浓度(c)与其检测样片的荧光发射强度(i)的标准曲线，即c与i的标准曲线。
14.其中，每2～8平方厘米膜片滴加100微升铜离子溶液、罗丹明b溶液；铜离子浓度为间隔分的0.001～300μm；罗丹明b溶液的溶剂为无水乙醇，浓度为5～15mg/l。
15.所述的激发波长具体为545～555nm。
16.所述的氨基功能化的二氧化锆纳米管阵列薄膜的制备方法，该方法包括以下步骤：
17.(1)二氧化锆纳米管阵列薄膜的制备
18.用锆片作阳极、铂片作阴极，将它们插入到电解液中，在温度为35～45℃、电压为25～35v的条件下阳极氧化2～4小时，清洗、烘干后，再在400～600℃煅烧1～2小时，在锆片表面得到二氧化锆纳米管阵列薄膜，样片标记为znaf。
19.所述的电解液的组成为氟化铵、硫酸铵和去离子水，其质量配比为氟化铵：硫酸铵：去离子水＝0.1～0.2：10～15：80～90；
20.(2)二氧化锆纳米管阵列薄膜的氨基功能化
21.将氨基偶联剂溶液涂覆到znaf样片上，密闭静置30～60min，然后取出、吹干，在90～120℃烘干60～120min，冷却后得到氨基功能化二氧化锆纳米管阵列薄膜(标记为znaf-nh2)；
22.其中，每2～8平方厘米膜片滴加100微升氨基偶联剂溶液；氨基偶联剂溶液的浓度为0.001～0.6m，其溶剂为体积百分比85～95％的乙醇。
23.其中，所述的氨基偶联剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷和γ-氨丙基三甲氧基硅烷。
24.所述的锆片的尺寸优选为10～20mm
×
25～35mm
×
0.1～0.3mm。
25.本发明的有益效果是：
26.(1)本发明的突出特点是，将铜离子和罗丹明b固载到薄膜载体上制备检测样片，通过测试检测样片的荧光强度即可实现对铜离子的检测。该方法简单易行、废液量少、成本低。
27.(2)本发明的另一突出特点是，以氨基功能化的二氧化锆纳米管阵列薄膜为载体。二氧化锆是性能优异的载体，氧化锆纳米管阵列具有较大的比表面积和高度有序的管状结构，将罗丹明b固载在氧化锆纳米管阵列薄膜上，其荧光发射强度得到大幅度提高，是罗丹明b水溶液的数倍，这有利于荧光检测性能的提高。
28.氨基与铜离子能够产生络合作用，将二氧化锆纳米管阵列薄膜进行氨基功能化处理，可以提高铜离子和罗丹明b在载体表面的分散均匀性，这也有利于荧光检测性能的提高。
29.(3)本发明的显著特点是，以罗丹明b为荧光探针。罗丹明b是常用的荧光染料，性能稳定，价格低廉。
30.(4)本发明的显著特点是，载体用0.1～0.5m的醋酸溶液浸泡、洗涤，即可再生重复使用，载体重复使用的相对标准偏差(rsd)低于4％。
31.(5)本发明的显著特点是，对铜离子具有较好的荧光检测性能，灵敏度、检测限和检测范围分别可达1200、0.8nm和0.001～300μm。
32.(6)本发明的显著特点是，具有较好的抗干扰性能。在10倍于铜离子的干扰离子(na

、hg
2
、pb
2
、cd
2
、ca
2
、zn
2
、mg
2
、k

、so
42-、cl-)存在的条件下，rsd都低于6％。
附图说明
33.图1为本发明实施例1所制备二氧化锆纳米管阵列薄膜(znaf)的表面形貌。
34.图2为本发明实施例1所得检测样片荧光发射强度(i)随铜离子浓度(c)的变化曲线(i～logc曲线，激发波长550nm)。
35.图3为用0.1m的醋酸-醋酸钠缓冲溶液(ph＝5.4)所配制罗丹明b(10mg/l)和不同浓度铜离子(0.001～300μm)的混合溶液的荧光发射谱(激发波长550nm)。
36.下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
具体实施方式：
37.本发明的测试原理如下：
38.激发态的罗丹明b具有较强的氧化还原能力，铜离子会催化空气中的氧与其发生氧化反应，使其产生荧光猝灭。随铜离子浓度增加，参与氧化反应而荧光猝灭的罗丹明b增多，因此，检测样片的荧光发射强度降低，依此即可实现对铜离子的检测。
39.实施例1
40.(1)将锆片(15mm
×
30mm
×
0.2mm)用乙醇和去离子水超声清洗。称取0.1克氟化铵
和13.2克硫酸铵，加入86.7克去离子水中，搅拌溶解，配制电解液。将锆片下端的20mm插入电解液中，锆片为阳极，用铂片作阴极，在40℃、30v的条件下阳极氧化3小时。反应结束后，将样片用去离子水洗涤，烘干，500℃煅烧2小时，得到二氧化锆纳米管阵列薄膜(znaf)，其表面形貌如图1所示。从图上可以看到，znaf表面平整、结构均匀，管径较小(约为25nm)，管口间距较大，这种形貌结构有利于罗丹明b的沉积分散和荧光检测。
41.(2)将γ-氨丙基三乙氧基硅烷加入90％(体积百分比)乙醇中，搅拌溶解均匀，配制浓度为0.2m的氨基偶联剂溶液。将样品znaf水平放入称量瓶中，取100微升氨基偶联剂溶液均匀滴加到znaf膜片的上面，盖好瓶盖，静置60min，然后将样片取出、吹干，在110℃烘干90min，冷却，得到氨基功能化二氧化锆纳米管阵列薄膜(znaf-nh2)。
42.(3)铜离子的检测
43.①
用0.1m的醋酸-醋酸钠缓冲溶液(ph＝5.4)配制浓度为0.001、0.01、0.1、1、10、100、300μm的铜离子溶液，用罗丹明b和无水乙醇配制浓度为10mg/l的罗丹明b溶液。
44.②
将样品znaf-nh2水平放入称量瓶中，取100微升铜离子溶液均匀滴加到znaf-nh2膜片的上面，盖好瓶盖，静置20min，然后将涂有铜离子的样片在110℃烘干10min，冷却；将涂有铜离子的样片水平放入称量瓶中，取100微升罗丹明b溶液均匀滴加到样片的上面，盖好瓶盖，静置20min，然后用风机常温吹干，得到检测样片。
45.③
在激发波长为550nm的条件下(fl-7000荧光分光光度计，日本日立公司)测试用不同浓度(c)铜离子溶液所制备检测样片的荧光发射强度(i)，绘制i～logc曲线，如图2所示；i～logc曲线可拟合为直线，相关系数为0.998，线性方程为i＝1944.54－563.07logc，说明检测样片的荧光发射强度与铜离子浓度的对数呈线性关系。
46.④
用硫酸铜和自来水配制铜离子浓度为1.0μm的溶液作待测溶液，将此溶液与0.2m的醋酸-醋酸钠缓冲溶液(ph＝5.4)等体积混合，用此混合溶液按
②
条件制备检测样片，在550nm激发波长下测试该检测样片的荧光发射强度(i＝2106)，由线性方程可得c＝0.517μm，因此，原溶液铜离子浓度的测定结果为2
×
c＝1.034μm，检测偏差为3.4％。
47.在1.0μm铜离子溶液中加入10μm常见干扰离子(na

、hg
2
、pb
2
、cd
2
、ca
2
、zn
2
、mg
2
、k

、so
42-或cl-)，用含有干扰离子的溶液制备检测样片，各检测样片的rsd都低于5.5％。
48.为了证明本发明的有效性，用0.1m的醋酸-醋酸钠缓冲溶液(ph＝5.4)配制含有10mg/l罗丹明b和不同浓度铜离子的混合溶液，在550nm激发波长下测试各混合溶液的荧光发射谱，如图3所示，当铜离子浓度分别为0、0.001、0.01、0.1、1、10、100、300μm时，各混合溶液的发射谱相似，曲线相互叠合在一起，它们的荧光发射强度没有明显变化。图3结果表明，用罗丹明b溶液不能直接对铜离子进行荧光检测。
49.实施例2
50.(1)同实施例1(1)工艺条件和步骤制备znaf，在400℃煅烧2小时。
51.(2)用γ-氨丙基三甲氧基硅烷和95％(体积百分比)乙醇配制浓度为0.5m的氨基偶联剂溶液，其它条件和步骤同实施例1(2)制备znaf-nh2。
52.(3)用15mg/l的罗丹明b溶液制备检测样片，同实施例1(3)工艺步骤，可进行铜离子的荧光检测。
53.实施例3
54.(1)同实施例1(1)工艺条件和步骤制备znaf，在600℃煅烧1小时。
55.(2)用γ-氨丙基三乙氧基硅烷和85％(体积百分比)乙醇配制浓度为0.01m的氨基偶联剂溶液，其它条件和步骤同实施例1(2)制备znaf-nh2。
56.(3)用5mg/l的罗丹明b溶液制备检测样片，同实施例1(3)工艺步骤，可进行铜离子的荧光检测。
57.本发明未尽事宜为公知技术。