CN108593558A - 一种用于Hg2+检测的光声检测探针及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于Hg²⁺检测的光声检测探针及其制备方法，所述光声检测探针由金纳米颗粒和结合于所述金纳米颗粒表面的(11‑巯基十一烷基)‑三甲基溴化铵组成，所述金纳米颗粒和所述(11‑巯基十一烷基)‑三甲基溴化铵通过Au‑S键结合。本发明所述MTA‑GNPs光声检测探针对Hg²⁺具有专一且灵敏度高的特点。更重要的是，与传统的基于金纳米颗粒的比色检测系统相比，本发明设计的光声检测探针具有良好的稳定性和抗干扰性，可以应用于实际的Hg²⁺污染水样。

Description

一种用于Hg2+检测的光声检测探针及其制备方法

技术领域

本发明涉及光声检测探针技术领域，尤其涉及一种用于Hg²⁺检测的光声检测探针及其制备方法。

背景技术

汞(水银)是一种常见的重金属污染物，即使在低浓度下也可能对人类和环境造成严重危害。汞离子(Hg²⁺)是自然界中汞的主要形式之一。目前，常见的Hg²⁺的检测方法主要包括气相色谱(GC)、高效液相色谱(HPLC)、质谱(MS)或电感耦合等离子体质谱(ICPMS)等。然而，这些方法对样品的前处理十分复杂，因此急需发展一种简单的方法用于Hg²⁺的检测。

随着纳米技术的飞速发展，许多纳米材料如金纳米颗粒、银纳米颗粒、碳纳米材料、量子点和二氧化硅纳米颗粒等等已被广泛开发为用于Hg²⁺检测的生物传感器。这些生物传感器主要基于两种检测策略，包括比色和荧光检测。由于成本低、快速和无需使用任何仪器等特点，比色检测Hg²⁺引起了越来越多的关注。然而，在实际Hg²⁺污染水样中应用比色检测法的最大障碍是其色彩抗干扰能力差，因为实际水样通常是有色的或者是浑浊的。

实际上，基于纳米材料的生物传感器不仅可以用于比色检测，还可以用于光声检测。光声检测主要利用内源性或外源性探针吸收激光能量引起的热膨胀而产生超声波，通过捕获和分析这些超声信号变化、强弱等等，从而实现待测物的检测。与光学相关的检测方法相比，光声检测对光散射信号不敏感，主要揭示光吸收的信息。通过使用理想的外源造影剂可以克服内源性信号(血红蛋白，脂质，水，黑色素等)在分析物中的干扰。光声检测技术的另一个优点是样品可以直接测量而无需预处理。因此，开发光声检测技术检测实际Hg²⁺污染水样是非常有意义的。然而，当前用于离子检测的光声探针的几乎都是由有机染料分子构成的，这些小分子光稳定性很差，容易光漂白和光降解。相反，无机纳米材料，尤其是金纳米材料等等具有良好的光稳定性，同时具有优异的光声响应性能。目前，基于金纳米材料的光声探针用于Hg²⁺检测还未见报道。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种用于Hg²⁺检测的光声检测探针及其制备方法，旨在解决现有Hg²⁺的检测系统稳定性差、色彩抗干扰性差，限制了对实际Hg²⁺污染水样的应用的问题。

本发明的技术方案如下：

一种用于Hg²⁺检测的光声检测探针，其中，所述光声检测探针由金纳米颗粒和结合于所述金纳米颗粒表面的(11-巯基十一烷基)-三甲基溴化铵组成，所述金纳米颗粒和所述(11-巯基十一烷基)-三甲基溴化铵通过Au-S键结合。

所述的用于Hg²⁺检测的光声检测探针，其中，所述金纳米颗粒和所述(11-巯基十一烷基)-三甲基溴化铵的摩尔比为1.2×10^-6：1。

所述的用于Hg²⁺检测的光声检测探针，其中，所述金纳米颗粒选自金纳米棒、金纳米球、金纳米壳、金纳米笼、金纳米片、金纳米锥、金纳米星等等中的一种。

所述的用于Hg²⁺检测的光声检测探针，其中，所述金纳米颗粒为金纳米棒，所述金纳米棒的长度为20-26nm，直径为6-10nm。

所述的用于Hg²⁺检测的光声检测探针，其中，所述金纳米颗粒为金纳米棒时，所述光声检测探针的水力直径为53nm。

所述的用于Hg²⁺检测的光声检测探针，其中，检测Hg²⁺前，所述光声检测探针分散于pH为2.0-2.5的溶液中。

一种本发明所述的用于Hg²⁺检测的光声检测探针的制备方法，其中，包括步骤：

a)按照一锅无种子生长法制备金纳米颗粒，并配制成金纳米颗粒溶液；

b)在惰性气体保护下，将(11-巯基十一烷基)-三甲基溴化铵溶液和酸溶液依次加入金纳米颗粒溶液中，反应4-6小时后，得到所述光声检测探针。

所述的用于Hg²⁺检测的光声检测探针的制备方法，其中，步骤b)中，所述金纳米颗粒和所述(11-巯基十一烷基)-三甲基溴化铵的摩尔比为1.2×10^-6：1。

所述的用于Hg²⁺检测的光声检测探针的制备方法，其中，步骤b)中，所述酸为盐酸。

所述的用于Hg²⁺检测的光声检测探针的制备方法，其中，步骤b)中，反应4小时。

有益效果：本发明所述MTA-GNPs光声检测探针对Hg²⁺具有专一且灵敏度高的特点。更重要的是，与传统的基于金纳米颗粒的比色检测系统相比，本发明设计的光声检测探针具有良好的稳定性和抗干扰性，可以应用于实际的Hg²⁺污染水样。

附图说明

图1为本发明MTA-GNRs光声检测探针检测Hg²⁺的流程示意图；

图2为实施例2中MTA-GNRs光声检测探针在加入Hg²⁺前后的紫外吸收变化图(A)、水力直径图(B)及TEM图(C-D)；

图3为实施例3中MTA-GNRs光声检测探针对Hg²⁺特异性的光声检测图；

图4为实施例4中MTA-GNRs光声检测探针对不同水样中Hg²⁺的光声检测图；

图5为实施例5中MTA-GNRs光声检测探针对有色Hg²⁺污染水样的光声检测图。

具体实施方式

本发明提供一种用于Hg²⁺检测的光声检测探针及其制备方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供一种用于Hg²⁺检测的光声检测探针，其中，所述光声检测探针由金纳米颗粒(GNPs)和结合于所述金纳米颗粒表面的(11-巯基十一烷基)-三甲基溴化铵(MTA)组成，所述金纳米颗粒和所述(11-巯基十一烷基)-三甲基溴化铵通过Au-S键结合。

本发明所述光声检测探针由金纳米颗粒(GNPs)和修饰于所述金纳米颗粒表面的(11-巯基十一烷基)-三甲基溴化铵(MTA)组成的MTA-GNPs光声检测探针。所述MTA-GNPs光声检测探针对Hg²⁺具有特异性响应，当检测样品中存在Hg²⁺时可以显著增强所述MTA-GNPs光声检测探针的光声成像信号。这是因为在Hg²⁺的存在下，Hg²⁺对巯基的高亲和力，MTA小分子的巯基与Hg²⁺竞争性结合导致金纳米颗粒表面修饰的配体显著减少，引起金纳米颗粒聚集，从而放大整个体系的光声信号，最终达到检测Hg²⁺的目的。

本发明所述MTA-GNPs光声检测探针对Hg²⁺具有专一且灵敏度高的特点。更重要的是，与传统的基于金纳米颗粒的比色检测系统相比，本发明设计的光声检测探针具有良好的稳定性和抗干扰性，可以应用于实际的Hg²⁺污染水样。

具体地，所制得的纳米探针适用于不同的水样，包括纯化水、矿泉水、自来水和湖水，均能检测出其中所含Hg²⁺。

具体地，所制得的纳米探针相比传统比色检测，可抗有色污染样品干扰，检测出其中所含Hg²⁺。

具体地，所述金纳米颗粒和所述(11-巯基十一烷基)-三甲基溴化铵的摩尔比为1.2×10^-6：1。

具体地，检测Hg²⁺前，所述光声检测探针分散于pH为2.0-2.5的溶液中，以保证探针的稳定性。例如，将所述光声检测探针分散于盐酸调节的pH为2.0-2.5的水溶液中。

需说明的是，各种形貌的金纳米颗粒均适用于本发明，例如，所述金纳米颗粒可以选自金纳米棒、金纳米球、金纳米片、金纳米星等中的一种。下面以金纳米棒为例，对本发明作进一步地详细说明。

结合图1所示，所述光声检测探针由特征吸收峰为780nm的金纳米棒(GNRs)和修饰于所述金纳米棒表面的(11-巯基十一烷基)-三甲基溴化铵(MTA)组成的MTA-GNRs光声检测探针。本发明所述MTA-GNRs光声检测探针对Hg²⁺具有特异性响应，当检测样品中存在Hg²⁺时可以显著增强所述MTA-GNRs光声检测探针的光声成像信号。这是因为在Hg²⁺的存在下，Hg²⁺对巯基的高亲和力，MTA小分子的巯基与Hg²⁺竞争性结合导致金纳米棒表面修饰的配体显著减少，引起金纳米棒聚集，从而放大整个体系的光声信号，最终达到检测Hg²⁺的目的。

具体地，所述金纳米棒的长度为20-26nm，直径为6-10nm。

具体地，所述MTA-GNRs光声检测探针的水力直径为53nm。本发明所述MTA-GNRs光声检测探针在Hg²⁺存在条件下，MTA小分子的巯基与Hg²⁺竞争性结合导致金纳米棒表面修饰的配体显著减少，引起金纳米棒聚集，MTA-GNRs光声检测探针的水力直径由53nm增至207nm，溶液由橙黄色变为蓝紫色。

具体地，所述MTA-GNRs光声检测探针在780nm处的紫外-可见吸收峰强度随着溶液中Hg²⁺的增加而降低，而在780nm处的光声成像信号随着溶液中Hg²⁺含量的增加而增加。

具体地，所述MTA-GNRs光声检测探针在780nm处的光声成像信号增强值与溶液中Hg²⁺在0～10μM的浓度范围内具有良好的线性关系。

具体地，所述MTA-GNRs光声检测探针在780nm处的光声成像信号值对Hg²⁺具有专一性，不会被其它阳离子如Ca²⁺、Cd²⁺、Cu²⁺、Fe³⁺、Hg²⁺、Mg²⁺、Mn²⁺、Pb²⁺、Zn²⁺等干扰。

本发明提供一种所述用于Hg²⁺检测的光声检测探针的制备方法，其中，包括步骤：

a)按照一锅无种子生长法(one-pot seedless)制备金纳米颗粒，并配制金纳米颗粒溶液；

b)在惰性气体保护下，将(11-巯基十一烷基)-三甲基溴化铵溶液和酸(如盐酸)溶液依次加入金纳米颗粒溶液中，反应4-6小时(如4小时)后，得到所述光声检测探针。

以配制金纳米棒溶液为例，步骤a)具体包括：首先，在25℃温和搅拌下，向5mLCTAB(十六烷基三甲基溴化铵)水溶液(0.2M)中加入5mL HAuCl₄·3H₂O(1.0mM)，然后加入250μL AgNO₃(4.0mM)。之后，将12.0μL的HCl(37％)迅速加入到溶液中以获得1-1.15的pH。然后在剧烈搅拌下将75μL抗坏血酸(85.8mM)加入到混合溶液中。溶液变无色后，停止搅拌，立即将7.5μL冰NaBH₄(0.01M)注入未搅拌的溶液中。将反应溶液在室温下保持5小时。最后，将制备的CTAB-GNRs通过9000g离心15分钟纯化两次。

本发明是将(11-巯基十一烷基)-三甲基溴化铵(MTA)通过Au-S键修饰到金纳米颗粒(GNPs)表面上，形成MTA-GNPs光声检测探针。通过本发明制备方法制备的MTA-GNPs光声检测探针对Hg²⁺具有专一且灵敏度高的特点。更重要的是，与传统的基于金纳米颗粒的比色检测系统相比，该发明设计的光声检测系统具有良好的稳定性和抗干扰性，可以应用于实际的Hg²⁺污染水样。本发明的制备工艺简单，操作方便，不需要复杂昂贵的设备，易于实现工业化生产。

下面通过实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

本实施例MTA-GNRs光声检测探针的制备步骤如下：

a)按照传统的一锅无种法制备特征吸收峰在780nm的GNRs，离心两次(9000g，15min)以除去GNRs表面多余的表面活性剂(十六烷基三甲基溴化铵)。

b)在氮气保护下，将MTA溶液和盐酸溶液依次加入离心后的GNRs溶液中，搅拌反应4小时后，离心(9000g，10min)以除去多余的MTA。制得的MTA-GNRs光声检测探针在检测前将PH调至2.5保证其稳定性。

实施例2

用去离子水制备终浓度为100μM的Hg²⁺原液溶液，取0.1mL将其加入到实施例1制备得到的0.9mL MTA-GNRs光声检测探针溶液(0.12nM)中，轻轻搅拌，将混合物在室温下保持1分钟，以去离子水为对照组，然后通过紫外可见分光光度计检测样品。如图2所示，加入Hg²⁺后，溶液由橙黄变为蓝紫色，在780nm处的紫外吸收下降，MTA-GNRs光声检测探针的水力直径由53nm增至207nm，通过TEM图可看出探针聚集。

实施例3

为了评估实施例1制备得到的所述MTA-GNRs光声检测探针对Hg²⁺检测的选择性，所有金属盐包括Ca²⁺、Cd²⁺、Cu²⁺、Fe³⁺、Hg²⁺、Mg²⁺、Mn²⁺、Pb²⁺和Zn²⁺均分别用去离子水配制成100μM的金属离子溶液。将0.1mL的各金属离子溶液与0.9mL的MTA-GNRs光声检测探针混合。孵育1分钟后，以去离子水为对照，检测每个样品光声信号。如图3所示，与对照组及其他离子相比，只有加入Hg²⁺的MTA-GNRs光声检测探针溶液在780nm处的光声信号显著增强。

实施例4

用不同水样，包括纯化水、矿泉水、自来水和湖水分别配制终浓度为10μM的Hg²⁺溶液，作为不同水样的模拟Hg²⁺污染样品。向MTA-GNRs光声检测探针溶液(0.9mL，0.12nM)中分别加入0.1mL不同水样的Hg²⁺污染样品。反应1分钟后，检测每个样品的光声信号。如图4所示，在添加浓度为10μM的Hg²⁺污染的水样品后，光声振幅大约增加4.4倍，并且基于不同水样的光声检测结果几乎相同。说明该MTA-GNRs光声检测探针溶液适用于不同的水样中Hg²⁺的检测。

实施例5

首先用稀释的蓝色墨水配制一系列不同浓度的Hg²⁺溶液(终浓度为2,4,6,8,10μM)。然后将0.1mL含Hg²⁺的墨水溶液加入到MTA-GNRs光声检测探针溶液(0.9mL，0.12nM)中。反应1分钟后，检测其光声信号。对照组中进行相同的处理(未被墨水污染)。同时，拍摄照片以记录与Hg²⁺(10μM)孵育之前和之后墨水污染和未被墨水污染的MTA-GNRs溶液颜色变化。上述稀释的蓝色墨水通过将110μL蓝色墨水加入到40mL水中来制备。如图5所示，未被墨水污染的MTA-GNRs可以通过明显的橙黄色至蓝紫色的颜色变化来检测Hg²⁺，但在添加Hg²⁺之前和之后，墨水污染的MTA-GNR几乎是相同的颜色，因此比色法在这里不能有效地检测Hg²⁺。值得一提的是，在添加不同浓度的Hg²⁺后，在780nm着墨的MTA-GNRs和未着墨的MTA-GNRs上的光声信号几乎相同，并且着墨的MTA-GNRs的光声信号随着Hg²⁺浓度增加而增加。说明该光声检测系统具有良好的抗干扰性。

综上所述，本发明提供的一种用于Hg²⁺检测的光声检测探针及其制备方法。本发明将(11-巯基十一烷基)-三甲基溴化铵(MTA)通过Au-S键修饰到金纳米颗粒(GNPs)表面上，形成MTA-GNPs光声检测探针。通过本发明制备方法制备的MTA-GNPs光声检测探针对Hg²⁺具有专一且灵敏度高的特点。更重要的是，与传统的基于金纳米颗粒的比色检测系统相比，该发明设计的光声检测系统具有良好的稳定性和抗干扰性，可以应用于实际的Hg²⁺污染水样。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于Hg²⁺检测的光声检测探针，其特征在于，所述光声检测探针由金纳米颗粒和结合于所述金纳米颗粒表面的(11-巯基十一烷基)-三甲基溴化铵组成，所述金纳米颗粒和所述(11-巯基十一烷基)-三甲基溴化铵通过Au-S键结合。

2.根据权利要求1所述的用于Hg²⁺检测的光声检测探针，其特征在于，所述金纳米颗粒和所述(11-巯基十一烷基)-三甲基溴化铵的摩尔比为1.2×10^-6：1。

3.根据权利要求1所述的用于Hg²⁺检测的光声检测探针，其特征在于，所述金纳米颗粒选自金纳米棒、金纳米球、金纳米片、金纳米星中的一种。

4.根据权利要求3所述的用于Hg²⁺检测的光声检测探针，其特征在于，所述金纳米颗粒为金纳米棒，所述金纳米棒的长度为20-26nm，直径为6-10nm。

5.根据权利要求3所述的用于Hg²⁺检测的光声检测探针，其特征在于，所述金纳米颗粒为金纳米棒时，所述光声检测探针的水力直径为53nm。

6.根据权利要求1所述的用于Hg²⁺检测的光声检测探针，其特征在于，检测Hg²⁺前，所述光声检测探针分散于pH为2.0-2.5的溶液中。

7.一种如权利要求1-6任一项所述用于Hg²⁺检测的光声检测探针的制备方法，其特征在于，包括步骤：

a)按照一锅无种子生长法制备金纳米颗粒，并配制成金纳米颗粒溶液；

b)在惰性气体保护下，将(11-巯基十一烷基)-三甲基溴化铵溶液和酸溶液依次加入金纳米颗粒溶液中，反应4-6小时后，得到所述光声检测探针。

8.根据权利要求7所述的用于Hg²⁺检测的光声检测探针的制备方法，其特征在于，步骤b)中，所述金纳米颗粒和所述(11-巯基十一烷基)-三甲基溴化铵的摩尔比为1.2×10^-6：1。

9.根据权利要求7所述的用于Hg²⁺检测的光声检测探针的制备方法，其特征在于，步骤b)中，所述酸为盐酸。

10.根据权利要求7所述的用于Hg²⁺检测的光声检测探针的制备方法，其特征在于，步骤b)中，反应4小时。