一種快捷檢測、富集與分離重金屬汞離子比色試紙的制作及應用新技術的制作方法

本發明屬于水環境重金屬hg²⁺的比色檢測及其富集分離領域，特別涉及一種快捷檢測、富集與分離重金屬汞的殼聚糖-納米金復合材料功能化比色試紙的制作及應用新技術。

背景技術：

隨著世界現代化進程和產業結構調整，工業污染使得很多城市被霧霾籠罩，河道干涸、土壤污染或沙漠化日益擴大。根據世界銀行發布的報告《污染的成本》(thecostofpollution)顯示，全球92%的人口生活在質量低于世界衛生組織所規定安全標準的環境里；息息相關的大氣污染、水污染和土壤污染已成為世界經濟和社會可持續發展的重大障礙。

近年來，比色檢測重金屬汞離子的分析法因實驗成本、過程簡單、操作簡便、甚至可以通過“裸眼”替代復雜昂貴的儀器直接進行檢測等優點，引起了越來越多科學工作者的重視并投入研究。其中納米-高分子復合材料，因其比表面積大、富集力度強，同時還具有良好的組分間的協同效應、穩定性高、易提取和回收利用、減少對環境造成二次污染等優點。課題組前期成功構筑了一種基于石墨烯-金納米復合材料比色法檢測、富集與分離水環境中重金屬hg²⁺的新方法[授權專利號:zl201310752506.3]，具有操作簡單、響應速度快、選擇性好，可快速定量檢測、高效富集與分離環境水樣品中的重金屬hg²⁺。

為了進一步提高水相中hg²⁺比色檢測的選擇性與靈敏度，尤其是可視性和可操作性，本發明擬構筑一種納米金功能化殼聚糖比色復合材料，進一步修飾到普通濾紙上，制備功能化比色檢測和富集分離重金屬汞離子的比色傳感試紙或濾紙，探討它們在比色傳感、富集與分離環境重金屬離子等方面的應用，實現對水樣中的重金屬hg²⁺快速有效地裸眼比色檢測、富集與分離，操作簡單、無毒無污染。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是提供一種快捷檢測、富集與分離重金屬汞離子比色試紙或濾紙的制作及應用新技術，該方法具有操作簡單，響應速度快，選擇性好，靈敏度高等優點，可快速地對環境水樣品中重金屬hg²⁺進行定量比色檢測和高效富集與分離。

本發明的一種快捷檢測、富集與分離重金屬汞離子比色試紙的制作及應用新技術，包括：

(1)殼聚糖-納米金復合材料的制備

準確稱取0.375g(0.025mol)殼聚糖，置于100ml圓底燒瓶中，依次加入35.0ml去離子水和0.7ml冰醋酸，55^oc下水浴溶脹5.0h后，滴加3.0ml10.0g/l氯金酸，攪拌15min后再向圓底燒瓶中加115.0ml去離子水，繼續攪拌45min，升溫到85^oc；滴加0.75ml0.1mol/lvc，氯金酸快速被還原成納米金，溶液呈深紅色，保溫20min后停止加熱，攪拌冷卻到室溫；減壓抽濾，用去離子水充分洗滌，濾餅于60^oc下真空干燥，得深紅色殼聚糖-納米金復合材料；

(2)顯色劑殼聚糖-納米金復合材料標準溶液的配制

將上述殼聚糖-納米金復合材料超聲分散到去離子水中，配制成濃度為3.5×10^?3g·l^?1殼聚糖-納米金復合材料標準溶液，室溫下保存；

(3)殼聚糖-納米金功能化比色試紙或濾紙的制備

將干燥的快速濾紙置于顯色劑殼聚糖-納米金復合材料的溶液中（顯色劑殼聚糖-納米金復合材料的濃度為3.5×10^?3g/l、ph值為5.0、維生素c的濃度為1.0×10^?4mol/l），浸泡過夜，真空干燥，制得殼聚糖-納米金功能化比色試紙或濾紙；

(4)汞離子標準溶液的配制

稱取氯化汞0.2715g（1.0mmol）溶于1000.0ml去離子水中，配置成濃度為1.0mmoll^?1的汞離子標準溶液液，在室溫下保存，使用時稀釋到所需濃度；

(5)環境樣品的制備

分別量取1000.0ml環境水樣（如沂河水、校園地下水及自來水等）各1份，經5μm的微孔過濾膜過濾三次，蒸餾濃縮至10.0ml，室溫下保存、待用；

(6)汞離子濃度的比色測定方法

向10.0ml的容量瓶依次加入1.0ml濃度為3.5×10^?3g/l的顯色劑標準溶液、1.0mlph值為5.0的混合磷酸鹽緩沖溶液，1.0ml濃度為1.0×10^?3mol/l維生素c溶液和1.0ml汞標準樣品或環境樣品，定容，測量體系在528nm波長處的吸光度a，記錄吸光度倒數值1/a，通過線性回歸方程為1/a=?3.9212+9.08×10^?3c(10^?8mol·l^?1)，計算被分析樣品中汞離子的濃度；

(7)水環境中汞離子的富集與分離

向100.0ml的環境水樣中，標準加入法分別加入1.0ml濃度為50.0,80.0和120.0×10^?6mol/l的汞離子標準溶液，充分混合后，用殼聚糖-納米金功能化比色試紙檢測汞的含量，并用對應的功能化濾紙過濾，即可除去樣品中的汞元素；

所述步驟（1）中的殼聚糖-納米金復合材料是由溶脹處理后的殼聚糖和氯金酸混合液分別在55^oc和85^oc條件下分段回流制備的，確保金納米均勻吸附在殼聚糖基底上；

所述步驟（3）和（6）中所用的還原劑為綠色無毒的維生素c；

所述步驟（6）中的顯色劑殼聚糖-納米金復合材料標準溶液呈深紅色，在528nm處有較強的吸收，并在不同濃度汞離子存在下，顏色發生規律性遞變；

所述步驟（7）中的殼聚糖-納米金功能化比色試紙或濾紙呈深紅色，在不同濃度汞離子存在下，顏色發生規律性遞變；

所述步驟（7）中，僅需用殼聚糖-納米金功能化比色濾紙簡單過濾，即可除去含有汞離子樣品中的汞元素，無毒、無污染。

本發明從反應原理入手，設計合成了一種殼聚糖-納米金功能化比色傳感復合材料，進一步制備成殼聚糖-納米金功能化比色試紙或濾紙；討論了體系的ph值、離子強度、反應時間及共存物質的干擾等影響因素，確定了最佳測試條件：指示劑濃度為3.5×10^?3mol/l，ph值為5.0的混合磷酸鹽緩沖溶液，維生素c溶液為1.0×10^?3mol/l測試的靈敏度最高。在此條件下能排除其他常見金屬離子的干擾，汞離子檢測的通過回歸方程為1/a=?3.9212+9.08×10^?3c(10^?9mol·l^?1)，線性范圍5.0~200×10^?8mol·l^?1，相關系數（r）0.9926，檢測限3.2×10^?9mol·l^?1，樣品中汞離子回收率96.2%~104.6%之間，相對誤差（rsd）小于3.3%。

富集檢測結束后，用殼聚糖-納米金功能化比色濾紙過濾，即可除去樣品中的汞元素，無毒、無污染。

有益效果

本發明提供一種快捷檢測、富集與分離重金屬汞離子比色試紙/濾紙的制作及應用新技術，所構筑殼聚糖-金納米復合材料的比表面積大，吸附能力強、穩定性高，光電性能好，所以分析靈敏度高，重現性好；比色試紙或溶液呈深紅色及在汞離子存在下顏色遞變，裸眼可視性強；僅需用殼聚糖-納米金功能化比色濾紙簡單過濾，即可除去含有汞離子樣品中的汞元素，操作簡單，無毒無污染；可有效用于實際水樣品中重金屬汞離子的快速比色檢測和富集與分離。

附圖說明

圖1.殼聚糖-金納米比色傳感復合材料的結構表征tem圖；

圖2.為ph對體系有無汞離子存在下吸光度（a）的影響；

圖3.為測試條件下體系的時間掃描曲線；

圖4.其他金屬離子的響應對比(從上到下依次為:al³⁺,ba²⁺,k⁺,mg²⁺,na⁺,ni²⁺,blank,pb²⁺,sr²⁺,cd²⁺,co³⁺,cu²⁺,fe³⁺,ag⁺和hg²⁺)；

圖5.殼聚糖-金納米比色傳感體系的細胞毒性試驗；

圖6.(a)為殼聚糖-金納米比色傳感體系吸光度隨著汞離子濃度的變化及(b)線性關系曲線（c=0,5.0,10.0,20.0,30.0,50.0,75.0,100.0,125.0,150.0,200.0×10^?8mol·l^?1）；

圖7.殼聚糖-金納米復合材料溶液（上圖）及其功能化比色試紙（下圖）對汞離子濃度的比色響應；

圖8.殼聚糖-金納米比色傳感復合材料吸附汞元素前后的tem表征圖（a,b），元素分析圖（c,d）及晶格變化（c,d中的插圖）。

具體實施方式

下面結合具體實施例，進一步闡述本發明。應理解，這些實施例僅用于說明本發明而不用于限制本發明的范圍。此外應理解，在閱讀了本發明講授的內容之后，本領域技術人員可以對本發明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附權利要求書所限定的范圍。

實施例1

(1)殼聚糖-金納米復合材料的制備

準確稱取0.375g(0.025mol)殼聚糖，置于100ml圓底燒瓶中，依次加入35.0ml去離子水和0.7ml冰醋酸，55^oc下水浴溶脹5h后，滴加3.0ml10.0g/l氯金酸，攪拌15min，向圓底燒瓶中加115.0ml去離子水，繼續攪拌45min后升溫到85^oc，滴加0.75ml0.1mol/lvc，將氯金酸快速還原成納米金，此時溶液呈正紅色，再過20min停止加熱，攪拌冷卻到室溫；減壓抽濾，用去離子水充分洗滌后，60^oc真空干燥，得深紅色殼聚糖-納米金復合材料；

復合材料的結構通過tem進行結構表征，如附圖1所示。金納米均勻的分散在殼聚糖表面，粒徑為15nm左右。

(2)顯色劑殼聚糖-納米金復合材料標準溶液的配制

將上述殼聚糖-納米金復合材料超聲分散到去離子水中，配制成濃度為3.5×10^?3g·l^?1殼聚糖-納米金復合材料的標準溶液，室溫下保存，使用時稀釋到所需濃度；

(3)殼聚糖-納米金功能化比色試紙或濾紙的制備

將干燥的快速濾紙置于顯色劑殼聚糖-納米金復合材料的溶液中（顯色劑殼聚糖-納米金復合材料的濃度為3.5×10^?3g/l、ph值為5.0、維生素c的濃度為1.0×10^?4mol/l），浸泡過夜，真空干燥，制得殼聚糖-納米金功能化比色試紙或濾紙；

(4)汞離子標準溶液的配制

稱取氯化汞0.2715g（1.0mmol）溶于1000.0ml去離子水中，配置成濃度為1.0mmoll^?1的汞離子標準溶液液，在室溫下保存，使用時稀釋到所需濃度；

(5)環境樣品的制備

分別量取1000.0ml環境水樣（如沂河水、校園地下水及自來水等）各1份，經5μm的微孔過濾膜過濾三次，蒸餾濃縮至10.0ml，室溫下保存、待用；

(6)實驗條件的優化

本發明從反應原理入手，討論了體系的ph值（圖2）、反應時間（圖3）及共存離子（圖4）的干擾等影響因素及其細胞毒性（圖5），確定了最佳測試條件：指示劑濃度為3.5×10^?3mol/l，ph值為5.0的混合磷酸鹽緩沖溶液，維生素c溶液為1.0×10^?4mol/l測試的靈敏度最高。

(7)汞離子濃度的比色測定方法

向10.0ml的容量瓶依次加入1.0ml3.5×10^?3g/l的顯色劑標準溶液、1.0mlph值為5.0的混合磷酸鹽緩沖溶液，1.0ml濃度為1.0×10^?4mol/l維生素c溶液和1.0ml汞標準樣品或環境樣品，定容，測量體系在528nm波長處的吸光度a，記錄吸光度倒數值1/a，通過線性回歸方程1/a=?3.9212+9.08×10^?3c(10^?9mol·l^?1)，計算被分析樣品中汞離子的濃度，線性范圍5.0~200×10^?8mol·l^?1，相關系數（r）0.9926（圖6）；

該體系的溶液及其功能化試紙對汞離子具有良好的比色傳感性能（圖7），并成功應用于環境水樣品中汞離子的檢測，結果見附表1。樣品中汞離子的檢測限3.2×10^?9mol·l^?1，回收率在96.2%~104.6%之間，相對誤差（rsd）小于3.3%。

(8)水環境中汞離子的富集與分離

向100.0ml的環境水樣中，標準加入法分別加入1.0ml濃度為50.0,80.0和100.0×10^?3mol/l的汞離子標準溶液，充分混合后，用殼聚糖-納米金功能化比色濾紙過濾，即可除去樣品中的汞元素，吸附分離率高達95.2%以上，無毒、無污染。殼聚糖-金納米比色傳感復合材料比色吸附汞元素的機理如圖8所示【復合材料吸附汞前后的tem表征圖（圖8a,b），元素分析圖（圖8c,d）及晶格變化（圖8c,d中的插圖】。