CN102706940B - 可用于检测水体中痕量汞的电化学传感器及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可用于检测水体中痕量汞的电化学传感器，包括一金电极，金电极的反应端表面沉积有金纳米簇，其上自组装有巯基修饰的汞特异性寡核苷酸探针；其制备方法是先制作金电极，然后在其反应端电沉积金纳米簇，再取巯基修饰的汞特异性寡核苷酸探针在端表面进行自组装，完成传感器的制作。本发明的传感器可检测水体中的痕量汞，具体操作是先将传感器的反应端置于水样中反应，再将反应端浸入阴离子双链DNA信号嵌入剂中进行充分处理，然后将传感器接入三电极系统的电解池中用方波伏安法测定响应峰电流的变化，据此判断水样中是否含汞离子。本发明具有结构简单、实用、制作方便、灵敏度高、选择特异性好等优点。

Description

可用于检测水体中痕量汞的电化学传感器及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及汞离子含量的检测技术领域，尤其涉及一种可用于检测汞离子的电化学传感器及其制备方法和应用。

背景技术

汞及其化合物对环境和人体健康的危害十分巨大，曾经名噪一时的“水俣病”就是环境中汞污染造成的。汞在环境中以多种形式（无机、有机或混合形式）存在，经过长期接触或通过食物链的生物累积进入人体，能危害人的大脑、中枢神经系统、免疫系统、肾脏以及其他器官，造成多种急、慢性疾病。因此，高效灵敏地监测分析食品、水体以及与人类生活息息相关的环境中的汞含量，不仅能满足人们对健康生活环境的要求，同时还能了解环境中汞污染的特征，便于汞污染的控制与治理，具有重大的现实意义。鉴于汞污染的危害，很多国家都制定了相应的环境污染规范以保证环境和人体健康，比如美国环保局规定饮用水中汞含量不能高于10nmol·L^-1。

传统的汞含量分析方法，如耦合等离子质谱(ICP-MS)、原子发射光谱（AES）、原子荧光光谱法（AFS）、离子色谱法（IC）等，这些方法大多设备庞大，对操作要求较高，运行费用高昂，并且受到仪器本身和检测环境条件的限制，常常需要繁杂的预处理，这限制了传统方法在环境样品痕量汞监测中的推广应用。此外，还有一些基于汞离子的简单配位化学或氧化还原反应的汞检测方法，包括诸如利用有机荧光团或发色团、金属/半导体纳米粒子或共轭聚合物的光学检测和阳极电化学检测伏安法等，这些方法往往存在检测灵敏度不高、检测特异性不好或者在检测过程中需要添加有机介质等缺陷，分析效率也有待提高。

近年来，用于汞离子检测的传感器技术也得到很大发展。其中，基于富含胸腺嘧啶（T-T）的汞特异性寡核苷酸片段与汞离子错配形成T-Hg²⁺-T结构的传感器技术发展迅速，包括利用纳米金表面吸附不同基因片段而在溶液中呈现不同颜色的比色法传感器；利用T-Hg²⁺-T错配双链结构构建的信号开关式传感器（例如信号关闭式荧光猝灭传感器，或信号打开式的荧光或电化学传感器）；利用双链DNA信号嵌入剂表征形成T-Hg²⁺-T错配双链结构的电化学传感器等，这类传感器检测Hg²⁺时均表现出相当的敏感性和选择性。充分利用汞特异性寡核苷酸技术，结合新型材料技术开发环境适应性强的痕量汞检测方法，符合现代环境监测技术发展的需求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种结构简单、实用、制作和使用方便的可用于高效检测水体中痕量汞的电化学传感器及相应的制备方法，还提供一种操作简单、抗环境冲击力强、灵敏度高、选择特异性好的用本发明的电化学传感器检测水体中痕量汞的方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为一种可用于检测水体中痕量汞的电化学传感器，所述传感器包括一可在三电极系统中用作工作电极的金电极，所述金电极的反应端表面沉积有金纳米簇，所述金纳米簇上自组装有巯基修饰的可利用T-Hg²⁺-T错配形成双链DNA结构的汞特异性寡核苷酸探针。

上述的电化学传感器中，所述汞特异性寡核苷酸探针的核苷酸序列特别优选为：5’-TCATGT TTG TTT GTT GGC CCC CCT TCT TTC TTA-3’。相应的，经过巯基修饰后的汞特异性寡核苷酸探针的核苷酸序列为5’-SH-(CH₂)₆-TCA TGT TTG TTT GTT GGC CCC CCT TCTTTC TTA-3’。

作为一个总的技术构思，本发明还提供一种上述的电化学传感器的制备方法，包括以下步骤：首先制作一金电极（所述金电极可以为常规金电极，主要由空心的PVC管和填充于PVC管中的芯棒组成，芯棒的主体采用铜棒，铜棒的一端外露，另一端位于PVC管内并连接金棒，再由金棒延伸出所述金电极反应端的端表面）；所述金电极制作完成后，在其反应端的端表面进行预处理，然后采用“一步法”电沉积金纳米簇以形成空间反应域，再取所述巯基修饰的可利用T-Hg²⁺-T错配形成双链DNA结构的汞特异性寡核苷酸探针在端表面进行自组装，在该端表面上构建成可特异性捕获离子汞的立体反应域，完成电化学传感器的制作。

作为一个总的技术构思，本发明还提供一种用上述的电化学传感器检测水体中痕量汞的方法，包括以下步骤：首先将所述电化学传感器的反应端置于待检测的环境水样中进行充分反应，反应完成后再将所述电化学传感器的反应端浸入阴离子双链DNA信号嵌入剂中进行充分处理，处理完成后再将所述电化学传感器接入三电极系统的电解池中并作为工作电极进行电化学检测，用方波伏安法测定响应峰电流的变化，当响应峰电流值在1.36微安以上时，表明待测环境水样中含有汞离子。

上述的检测水体中痕量汞的方法，所述阴离子双链DNA信号嵌入剂特别优选是指2,6-蒽醌二磺酸钠（AQDS），其主要作为电活性信号指示剂进行后续的电化学表征。

上述的检测水体中痕量汞的方法，所述方波伏安法测定响应峰电流的过程中的主要参数控制条件优选为：脉冲振幅25mV，脉冲频率10Hz，步阶脉冲4mV，扫描电位区间-0.7V～-0.2V。

上述的检测水体中痕量汞的方法，所述反应端置于待检测的环境水样中进行充分反应时的pH值优选控制在6.0～7.8。所述电化学检测过程中电解池内电解质溶液的pH值优选控制在6.0～7.8。

上述的检测水体中痕量汞的方法，当所述待测环境水样中检测出含有汞离子时，所述汞离子含量与所述响应峰电流的变化优选满足以下线性关系曲线：

y=(0.1163±0.0038)×logC+(1.6270±0.0062)

其中，y表示响应峰电流变化的测定值，单位μA；C表示环境水样中汞离子的浓度值，单位nmol·L^-1，上述线性关系曲线的线性范围为0.05nmol·L^-1～350nmol·L^-1，检测下限达到0.01nmol·L^-1，R²为0.9904。

上述的检测水体中痕量汞的方法，所述反应端置于待检测的环境水样中进行充分反应的反应时间优选不少于60min，所述反应端浸入阴离子双链DNA信号嵌入剂中进行充分处理的处理时间优选不少于240min。

本发明的上述检测方法主要是利用了汞离子与汞特异性寡核苷酸探针上的胸腺嘧啶发生T-Hg²⁺-T错配形成双链DNA结构，再利用一种阴离子双链DNA信号嵌入剂（优选2,6-蒽醌二磺酸钠（AQDS））作为电活性信号指示剂进行电化学表征，最后利用方波伏安法测定峰电流变化，通过线性回归方程即可定量检测待测环氧样品中汞离子的含量和浓度。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明的电化学传感器不仅结构简单、实用，制作和使用都很方便，采用本发明的电化学传感器及相应的检测方法在对环境样品中的汞离子进行检测时，不仅操作简单、抗环境冲击力强，而且灵敏度高，检测下限可达到0.01nmol·L^-1。经过我们的特异性实验考察，即使存在K⁺、Ba²⁺、Ca²⁺、Cd²⁺、Co²⁺、Cr²⁺、Cu²⁺、Mg²⁺、Mn²⁺、Ni²⁺、Pb²⁺、Zn²⁺、Al³⁺、Fe³⁺或者它们的混合物进行干扰检测的前提下，本发明的电化学传感器对汞离子的特异性反应仍然保持良好。综上，本发明的技术方案可以有效地检测出水体中的汞离子，并可对其浓度进行定量分析。

附图说明

图1为本发明的电化学传感器的结构示意图，其中P1表示巯基修饰后的汞特异性寡核苷酸探针的核苷酸序列。

图2为本发明的电化学传感器在用于检测汞离子时的检测原理示意图，其中P1表示巯基修饰后的汞特异性寡核苷酸探针的核苷酸序列（图2中的序列没有示出巯基）。

图3为本发明的电化学传感器在用于检测汞离子时考察pH值条件的影响分析图。

图4为本发明实施例中进行电化学检测时汞离子含量与电流变化的线性回归图。

图例说明：

1.铜棒；2.PVC管；3.金棒。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

实施例：

如图1所示，一种本发明的可用于检测水体中痕量汞的电化学传感器，该传感器包括一可在三电极系统中用作工作电极的金电极（直径3mm），金电极的反应端表面沉积有金纳米簇，金纳米簇上自组装有巯基修饰的可利用T-Hg²⁺-T错配形成双链DNA结构的汞特异性寡核苷酸探针（即图1中的P1）。上述的电化学传感器中，经过巯基修饰后的汞特异性寡核苷酸探针的核苷酸序列为5’-SH-(CH₂)₆-TCA TGT TTG TTT GTT GGC CCC CCT TCT TTCTTA-3’。该电化学传感器检测水体中痕量汞的原理如图2所示。

上述本实施例的电化学传感器的制备方法，包括以下步骤：

1.首先制作一金电极（直径3mm），该金电极主要由空心的PVC管2和填充于PVC管2中的芯棒组成，芯棒的主体采用铜棒1，铜棒1的一端外露，另一端位于PVC管2内并连接金棒3，再由金棒3延伸出金电极反应端的端表面（参见图1）；金电极制作完成后，在其反应端的端表面进行预处理。预处理的方法为：首先，分别使用300nm和50nm的氧化铝糊抛光金电极反应端的端表面，再使用体积比为1∶1∶1的HNO₃、丙酮和水超声处理清洁该端表面；进一步采用电化学蚀刻的方法处理金电极，在0.5M的H₂SO₄中，循环伏安法反复扫描-0.4～1.5V的范围，直至曲线重合，再用水冲洗电极，晾干待用。

2.预处理完成后在其反应端的端表面采用“一步法”电沉积金纳米簇以形成空间反应域。该“一步法”的具体操作包括：用橡皮筋将PC膜固定在金电极上，并使其紧贴住金电极的端表面，然后将金电极的端表面浸入5mL的1%（wt）的氯金酸溶液中，加入200μL高氯酸后，在电位0.18V条件下电沉积120s，PC膜由白色变为黄色。电沉积步骤结束后，再将金电极浸入氯仿中溶解PC膜。PC膜在氯仿中迅速溶解，待电极上PC膜充分溶解去除后，取出电极用水清洗。

3.再取巯基修饰的可利用T-Hg²⁺-T错配形成双链DNA结构的汞特异性寡核苷酸探针在端表面进行自组装，在该端表面上构建成可特异性捕获离子汞的立体反应域，具体操作步骤包括：将汞特异性寡核苷酸探针P1（已修饰有巯基）溶于含有1M NaCl的Tris-HCl缓冲液中，移取适量滴加在金电极的端表面，室温下自组装180min。自组装完成后，用含有0.5M NaCl的Tris-HCl缓冲液洗去金电极上弱吸附的单链P1，再滴加巯基己醇（MCH）培养30min，完成电化学传感器的制作。

用上述本实施例的电化学传感器检测水体中痕量汞的方法，包括以下步骤：首先将电化学传感器的反应端置于待检测的环境水样中进行充分反应，如果待检测的环境水样中含有汞离子，则上述的汞特异性寡核苷酸探针将特异性捕获环境水样中的离子汞，并利用T-Hg²⁺-T错配形成双链结构，反应时间达60min后，再将电化学传感器的反应端浸入阴离子双链DNA信号嵌入剂（本实施例选用2,6-蒽醌二磺酸钠）中进行充分处理，经过电活性嵌入剂处理的时间不少于240min；处理完成后再将电化学传感器接入25mL电解池的三电极系统中并作为工作电极（即基底电极）进行电化学检测，饱和甘汞电极作为参比电极，铂片电极作为对电极，同时采用上海辰华仪器公司生产的CHI660B电化学系统与电解池中的三电极系统相连接，用方波伏安法测定响应峰电流的变化以进行信号识别和定量分析，根据所产生的电流信号的强弱对应待检测环境水样中汞离子的浓度及含量。当响应峰电流值在1.36微安以上时，表明待测环境水样中含有汞离子。所有的检测操作均在室温（例如25℃）下完成。

在上述三电极系统的控制与监测过程中，本发明以2,6-蒽醌二磺酸钠作为电活性信号指示剂，在充分考察了含不同浓度离子汞的环境水样及不同的测定反应条件后，发现在脉冲振幅25mV、脉冲频率10Hz、步阶脉冲4mV、扫描电位区间-0.7～-0.2V的电化学参数条件下，在检测环境pH值范围为5.0～9.0、汞离子浓度为0.01～350nmol·L^-1时，电流对离子汞的响应比较显著。其中，最佳的pH值范围为6.0～7.8（考察pH值的影响及条件优化分析如图3所示），此条件下具有较强的抗环境冲击能力，为方便起见，本实施例中的相关检测均在pH 7.0条件下完成。在优化后的前述反应条件下（具体见下表1），我们建立了电流变化与离子汞含量之间的线性关系，其线性回归方程如下所示：

y=(0.1163±0.0038)×logC+(1.6270±0.0062)

其中，y表示响应峰电流变化的测定值，单位μA；C表示环境水样中汞离子的浓度值，单位nmol·L^-1，线性回归曲线如图4所示，由图4可见，上述线性关系曲线的线性范围为0.05nmol·L^-1～350nmol·L^-1，检测下限达到0.01nmol·L^-1，R²为0.9904。

表1：最佳检测操作工艺条件

工艺参数	工艺条件控制
		脉冲振幅	25mV
脉冲频率	10Hz
		步阶脉冲	4mV
扫描电位区间	-0.7～-0.2V
		汞反应时间	60min
AQDS处理时间	不少于240min
		反应环境	pH 7.0
电解质溶液	pH 7.0（含0.3mol·L-1NaCl的磷酸盐缓冲溶液）

为了进一步验证本实施例的电化学传感器及其检测方法的检测效果，现将三组含离子汞的环境水样样品用上述实施例的电化学传感器进行测定，进行回收率实验。

环境水样取自污水处理厂废水，过滤后将滤液离心5min（10000r/min），上清液过滤即得到环境水样，三组环境水样中的汞离子浓度如下表2所示。

采用本实施例的电化学传感器及确定的最优检测操作条件对上述三组环境水样进行检测，即反应环境pH值为7.0，电化学检测过程中使用的电解质溶液为pH值为7.0的含有0.3mol·L^-1NaCl的磷酸盐缓冲溶液，然后将本实施例的电化学传感器分别与不同浓度的三组汞离子环境水样反应60min，经过AQDS处理不少于240min后，采用方波伏安法（其余的电化学检测工艺参数与表1相同），根据值的变化即可计算出三组环境水样中离子汞的浓度。检测结果如表2所示。

表2：三组环境样品的回收率验证结果

环境样品nmol·L-1	本实施例传感器测定浓度nmol·L-1	回收率%
			30.72	30.662±0.103	99.8
0.25	0.256±0.010	102.4
			1.82	1.807±0.052	99.3

从上述测定结果可以清楚地看出，本发明的检测方法不仅操作快速、简便，灵敏度高，而且选择性好（模拟了含有多种高浓度的金属离子废水进行检测，发现均不影响该传感器的汞检测能力），为环境水体中高效、低成本的离子汞含量在线检测提供了技术支持。

本发明的传感器及其检测方法环境适应性强，运用到环境监测当中，可以简便、高效地获得目的信息。

Claims (9)

1.一种可用于检测水体中痕量汞的电化学传感器，所述传感器包括一可在三电极系统中用作工作电极的金电极，其特征在于：所述金电极的反应端表面沉积有金纳米簇，所述金纳米簇上自组装有巯基修饰的可利用T-Hg²⁺-T错配形成双链DNA结构的汞特异性寡核苷酸探针，金电极的反应端沉积金纳米簇的方法是，将PC膜固定在金电极上，并使其紧贴住金电极的端表面，然后将金电极的端表面浸入5mL的1%（wt）的氯金酸溶液中，加入200μL高氯酸后，在电位0.18 V条件下电沉积120s，电沉积步骤结束后，再将金电极浸入氯仿中溶解PC膜，待电极上PC膜充分溶解去除后，取出电极用水清洗。

2.根据权利要求1所述的电化学传感器，其特征在于，所述汞特异性寡核苷酸探针的核苷酸序列为：5’- TCA TGT TTG TTT GTT GGC CCC CCT TCT TTC TTA-3’。

3.一种如权利要求1或2所述的电化学传感器的制备方法，包括以下步骤：首先制作一金电极，在其反应端的端表面进行预处理，然后电沉积金纳米簇以形成空间反应域，再取所述巯基修饰的可利用T-Hg²⁺-T错配形成双链DNA结构的汞特异性寡核苷酸探针在端表面进行自组装，在该端表面上构建成可特异性捕获离子汞的立体反应域，完成电化学传感器的制作，所述反应端的端表面电沉积金纳米簇的方法是，将PC膜固定在金电极上，并使其紧贴住金电极的端表面，然后将金电极的端表面浸入5mL的1%（wt）的氯金酸溶液中，加入200μL高氯酸后，在电位0.18 V条件下电沉积120s，电沉积步骤结束后，再将金电极浸入氯仿中溶解PC膜，待电极上PC膜充分溶解去除后，取出电极用水清洗。

4.一种用权利要求1或2所述的电化学传感器检测水体中痕量汞的方法，包括以下步骤：首先将所述电化学传感器的反应端置于待检测的环境水样中进行充分反应，反应完成后再将所述电化学传感器的反应端浸入阴离子双链DNA信号嵌入剂中进行充分处理，处理完成后再将所述电化学传感器接入三电极系统的电解池中并作为工作电极进行电化学检测，用方波伏安法测定响应峰电流的变化，当响应峰电流值在1.36微安以上时，表明待测环境水样中含有汞离子。

5.根据权利要求4所述的检测水体中痕量汞的方法，其特征在于：所述阴离子双链DNA信号嵌入剂是指2,6-蒽醌二磺酸钠。

6.根据权利要求5所述的检测水体中痕量汞的方法，其特征在于，所述方波伏安法测定响应峰电流的过程中的主要参数控制条件为：脉冲振幅25mV，脉冲频率10Hz，步阶脉冲4mV，扫描电位区间?0.7 V～?0.2V。

7.根据权利要求6所述的检测水体中痕量汞的方法，其特征在于，所述反应端置于待检测的环境水样中进行充分反应时的pH值控制在6.0～7.8，所述电化学检测过程中电解池内电解质溶液的pH值控制在6.0～7.8。

8.根据权利要求7所述的检测水体中痕量汞的方法，其特征在于：当所述待测环境水样中检测出含有汞离子时，所述汞离子含量与所述响应峰电流的变化满足以下线性关系曲线：

其中，y表示响应峰电流变化的测定值，单位μA；C表示环境水样中汞离子的浓度值，单位nmol?L^-1，上述线性关系曲线的线性范围为0.05nmol?L^-1～350 nmol?L^-1，检测下限达到0.01 nmol?L^-1，R ² 为0.9904。

9.根据权利要求4～8中任一项所述的检测水体中痕量汞的方法，其特征在于：所述反应端置于待检测的环境水样中进行充分反应的反应时间不少于60min，所述反应端浸入阴离子双链DNA信号嵌入剂中进行充分处理的处理时间不少于240min。

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