一种荧光设备用于铜离子定量检测的比色分析方法

摘要

本发明涉及荧光比色分析，是一种荧光设备用于铜离子定量检测的比色分析方法：铜离子溶液与实验室合成的罗丹明荧光指示剂反应能够使其荧光增强，采用自制的荧光比色设备，通过365nm特定波长的光对指示剂进行激发。用电子成像设备，如扫描仪、数码相机等捕捉铜离子加入前后指示剂的荧光颜色变化。提取其颜色变化前后图像中红、绿、蓝（RGB）三个通道的颜色变化值，构建铜离子与之相对应浓度梯度的标准曲线。在样品测试过程中，将所得样品的颜色变化值与曲线中的值比对，从而对未知样品中的铜离子进行定量的选择性分析。该方法可检测10-5M的铜离子浓度，并可有效排除9种离子共存干扰，具有较高的选择性。

说明书

技术领域

本发明涉及荧光比色方法，具体地说是一种荧光设备用于铜离子定量 检测的比色分析方法。

背景技术

铜，因其优良的机械强度，较好的延展性，超强的记忆本领，以及稳定 的化学性质而被广泛应用于钢铁、冶金、油漆、国防、电子、化学以及陶 瓷等工业，给生产带来了革命性的变革。各种铜的污染也随之流失到环境 中，给人们的生活带来威胁。铜虽是人体生命活动所必须的金属元素，每 人每天可能的铜需要量为25-35μg，铜在体内参与酶的组成与代谢，能促 进胰岛素分泌，降低血糖。然而，过量的铜对人体造成的危害确是不容忽 视的。过量铜的摄入可导致心肌、脑部、肝肺以及肾功能的性变，甚至引 发癌症。因此，在工业分析、环境检测、药物筛选及生命科学各领域均需 要对铜的含量进行测定。我国在新的《生活饮用水卫生标准》中对日常饮 用水中铜离子的含量进行了明确规定，不可超出1mg/L。

国际上目前广泛采用的铜离子定性定量检测技术包括：分光光度法、原 子吸收光谱法、电感耦合等离子体发射光谱法、电感耦合等离子体质谱法、 阳极溶出伏安法、等离子体感应光谱法等。

这些方法能够成功检测水中铜离子污染物，但普遍成本较高，需要大型 仪器和熟练的操作人员，且一般在现场采样，然后送到实验室进行离线分 析，存在耗时，分析步骤复杂，分析仪器昂贵，采样频率低以及样品不易 保存等缺点。在有些情况下，需要及时知道环境污染情形，以便迅速制定 相应的处理对策。面对这些难题，最理想的解决方法就是原位实时检测。 目前市面上也有一些商品化的铜离子检测试纸，有些采取浸润含指示剂的 有机溶液并晾干制得，未充分考虑指示剂的固定，导致试纸易脱色；另一 些采用在制造试纸过程中将指示剂与纸浆混合进行制备，制作过程繁琐， 且检测灵敏度不甚理想。

发明内容

本发明的目的在于提供一种荧光设备用于铜离子定量检测的比色分析 方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种荧光设备用于铜离子定量检测的比色分析方法，包括罗丹明喹啉类 荧光指示剂的合成，铜离子的螯合，荧光比色设备的搭建，荧光比色读取， 以及样品测定，其特征在于：

结合8-羟基喹啉与罗丹明指示剂对金属离子的螯合能力，合成罗丹明 喹啉类荧光指示剂，对不同浓度的铜离子进行检测；采用荧光比色设备， 通过数码相机对铜离子与指示剂反应后的荧光变化图像进行采集，提取其 颜色变化前后图像中红、绿、蓝（RGB）三个通道的颜色变化值，构建铜 离子与之相对应浓度梯度的标准曲线；

1）罗丹明喹啉类指示剂的合成：采用简单的一步合成，将罗丹明B酰 肼②与8-羟基喹啉-2-甲醛反应，生成罗丹明喹啉类铜离子荧光指示剂①：

2）铜离子的螯合：向步骤1）获得的1mL铜离子荧光指示剂的溶液 （5×10^-4M）中分别加入12.5μL的1.6×10^-3M、3.2×10^-3M、4.8×10^-3M、 6.4×10^-3M、8×10^-3M、1.6×10^-2M、4×10^-2M、8×10^-2M的铜离子溶液，将 其放入70℃（±2℃）的水浴锅中恒温反应30min（±2min）后，溶液的颜 色由浅粉色变成红色，溶液趋于稳定；

3）荧光比色设备的搭建：选用360-410nm发光二极管，经由可让365 nm光通过的窄带滤光片滤光后得到较单一的365nm光源作为荧光紫外激 发光源；取200微升步骤2）反应后获得的溶液置于透明塑料小管中，采用 该激发光源对罗丹明喹啉类指示剂以及其与不同浓度铜离子反应后的溶液 进行激发；

4）荧光比色读取：经由数码成像设备对步骤3）激发后的溶液荧光颜 色从小管底部进行成像，将颜色通过Photoshop软件数字化后，提取颜色变 化前后图像中的红（R）、绿（G）、蓝（B）三个通道的颜色变化值（⊿R=R _反应后-R_反应前，⊿G=G_反应后-G_反应前，⊿B=B_反应后-B_反应前），与铜离子浓度构建相 应的浓度梯度曲线；

5）样品测定：将12.5μL未知浓度的铜离子样品与步骤1）获得的罗丹 明喹啉类铜离子荧光指示剂的溶液（5×10^-4M）1mL反应后，进行成像分 析，得到的颜色变化值代入其上建立的浓度梯度曲线，求得铜离子浓度。

根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述铜离子指示剂为罗丹 明喹啉类荧光指示剂，结合了罗丹明以及8-羟基喹啉对金属离子的螯合作 用。

根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述数码成像设备为彩色 成像设备，如CCD、数码相机或扫描仪。

根据权利要求1所述的方法，其特征在于：指示剂加铜离子反应后的 颜色能够经由Photoshop软件，通过数字化的形式反映出来，为定量分析提 供依据。

根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述塑料小管本身为无色 透明圆柱形，其内径6mm，外径8mm，高12mm，其管底透光性良好。 根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述荧光激发设备为8盏4V 20 mA的发光二极管紫外灯串联，并将其均匀的固定在一个顶部封闭的黑色套 桶中央，套桶下端开口，构成一个面光源，发光二极管下方固定有一个直 径为2.5cm的仅可让365nm光通过的窄带滤光片，使透过的光只有365nm 左右；另外，在放反应溶液的小管底部下方配有另一个400-700nm的带通 滤光片，用来过滤掉发光二极管灯发出的背景光。

根据权利要求1或4所述的方法，其特征在于：在样品测试过程后， 提取指示剂加铜离子前后的图像，采用Photoshop软件将直观的图像数字化 后，提取颜色变化前后图像中的红（R）、绿（G）、蓝（B）三个通道的 颜色变化值（⊿R=R_反应后-R_反应前，⊿G=G_反应后-G_反应前，⊿B=B_反应后-B_反应前）， 通过颜色变化值与浓度梯度构建铜离子的浓度梯度曲线。

制备反应溶液，具体按如下过程制备：

1）指示剂溶液的制备：将合成的罗丹明喹啉类荧光指示剂按照一定的 质量分数溶于乙醇溶液中，然后将其用乙醇和水稀释（体积比：醇/水=7/3）， 使指示剂的终浓度为5×10^-5~5×10^-4M；

2）铜标准溶液的制备：采用娃哈哈饮用纯净水，配制浓度1.6×10^-3M、 3.2×10^-3M、4.8×10^-3M、6.4×10^-3M、8×10^-3M、1.6×10^-2M、4×10^-2M、8×10^-2M的一系列铜离子标准溶液；

3）指示剂与铜离子的反应：将0.1-1.5mL上述①中的指示剂溶液加入 到1.5mL塑料小管中，取②的铜标准溶液2-25μL加入到塑料小管中，充 分混匀后置于30-70℃恒温水浴锅中反应5-30分钟，得到反应趋于稳定的 红色溶液；

4）荧光激发设备的设计：荧光激发设备包括8盏4V 20mA的发光二 极管紫外灯串联，并将其均匀的固定在一个顶部封闭的黑色套桶中央，套 桶下端开口，构成一个面光源，发光二极管下方固定有一个直径为2.5cm 的仅可让365nm光通过的窄带滤光片，使透过的光只有365nm左右；另 外，在放反应溶液的小管底部下方配有另一个400-700nm的带通滤光片， 用来过滤掉发光二极管灯发出的背景光。

5）成像比色：采用CCD、数码相机或扫描仪等彩色成像设备提取塑料 小管中指示剂加铜离子前后的颜色，通过Photoshop^TM等软件对膜过滤前后 产生的颜色进行数字化处理，得到指示剂反应前后图像对应的RGB值，将 不加浓度铜离子与指示剂反应后图像的RGB值减去未加铜离子前图像的 RGB值，得到“差减图像”的ΔR，ΔG，和ΔB值，将三者平方和再开方的 值与相对应的铜离子标准溶液浓度构建标准浓度曲线，用于对未知浓度铜 溶液的分析。

本发明具有如下优点:

1．该方法根据铜离子与荧光指示剂反应能够使荧光增强这一现象，对 与铜离子反应前后的指示剂颜色进行对比，通过彩色数码设备采集图像， 将其数字化。将直观的颜色数字化后，使得定量测定成为可能，同时也进 一步提升了灵敏度，微小的肉眼难以看见的颜色变化可以通过数字化后的 差值更直观的显现出来。

2．所用的荧光激发及图像采集设备简单，轻便易于携带，可用于现场 测样，图像采集迅速，可以进行实时检测。

3.标准浓度曲线的建立，使得对未知样品浓度的精确定量成为可能； 排除了单一依靠比色卡，肉眼估计近似浓度的缺陷。

附图说明

图1为荧光激发设备的结构示意图；选用360-410nm发光二极管 （101），经由365nm窄带滤光片（102）滤光后得到较单一的365nm光 源作为荧光紫外激发光源；取200微升反应溶液置于透明塑料小管（201） 中，将小管置于模具卡座（301）中，用以固定小管的位置，利于成像比对。 采用以上得到的365nm激发光源对罗丹明喹啉类指示剂以及其与不同浓度 铜离子反应后的溶液进行激发，中间隔以石英毛玻璃（501）用以均一化发 光二极管发出的光束。小管下方附有另一个嵌于黑色套筒（402）中的 400-700nm带通滤光片（401），用来滤除发光二极管的背景光，数码相机 从黑色套筒底部成像。

图2为标准比色卡以及标准浓度曲线。其中包括红、绿、蓝三个通道 单独的浓度曲线，以及平方加和再开方后的总颜色变化曲线。

图3为各种共存离子（9种金属离子：Pb²⁺,Hg²⁺,Cd²⁺,Zn²⁺,Ca²⁺,Co²⁺, Fe³⁺,Hg²⁺,Ni²⁺）干扰情况下，铜离子溶液（5×10^-4M）经该方法荧光比色 测定后的红、绿蓝色通道ΔR，ΔG，ΔB的总颜色变化值。相对于没有共 存离子干扰情况，小于6%的相对偏差证实了该方法极好的选择性。

具体实施方式

标准比色卡以及标准浓度曲线的建立

具体为：

1）指示剂溶液的制备：将罗丹明荧光指示剂按照一定的质量分数溶于 乙醇溶液中，然后将其用乙醇和水稀释（体积比：醇/水=7/3），使指示剂 的终浓度为5×10^-4M。

2）铜标准溶液的制备：采用娃哈哈饮用纯净水，分别配制浓度1.6×10^-3M、3.2×10^-3M、4.8×10^-3M、6.4×10^-3M、8×10^-3M、1.6×10^-2M、4×10^-2M、 8×10^-2M的一系列铜离子标准溶液；

3）指示剂与铜离子的反应：将1mL上述①中的指示剂溶液加入到1.5 mL塑料小管中，取②的铜标准溶液12.5μL加入到塑料小管中，充分混匀 后置于70°C恒温水浴锅中反应30分钟，得到反应趋于稳定的红色溶液。

4）荧光激发设备的设计：荧光激发设备包括8盏4V 20mA的发光二 极管紫外灯串联，并将其均匀的固定在一个顶部封闭的黑色套桶中央，套 桶下端开口，构成一个面光源，发光二极管下方固定有一个直径为2.5cm 的仅可让365nm光通过的窄带滤光片，使透过的光只有365nm左右；另 外，在放反应溶液的小管底部下方配有另一个400-700nm的带通滤光片， 用来过滤掉发光二极管灯发出的背景光；

5）成像比色：采用CCD、数码相机或扫描仪等彩色成像设备提取塑料 小管中指示剂加铜离子前后的颜色，通过Photoshop^TM等软件对膜过滤前后 产生的颜色进行数字化处理，得到指示剂反应前后图像对应的RGB值，将 不加浓度铜离子与指示剂反应后图像的RGB值减去未加铜离子前图像的 RGB值，得到“差减图像”的ΔR，ΔG，和ΔB值，将三者平方和再开方的 值与相对应的铜离子标准溶液浓度构建标准浓度曲线（如图2所示）。

未知样本的测定：

配制未知浓度铜离子样本溶液，用带有0.45±0.2μm微孔尼龙滤膜过滤 头的注射器吸取50-100mL待测样品，以除去样品中有机物，大颗粒或絮 状杂质；移除过滤头，将溶液转移到烧杯中；用0.5M稀盐酸或氢氧化钠溶 液调节过滤后样品溶液的pH值为6-8。

取12.5微升上述溶液，加入到1mL含5×10^-4M铜离子指示剂的溶液， 摇匀后置于70℃恒温水浴锅中反应30min；

采用上述同样的荧光取象设备，对稳定后的溶液取象；将其颜色与标 准比色卡比对，得出大致浓度。提取其颜色变化前后的红、绿、蓝（RGB） 值进行差减，得到变化图像的ΔR，ΔG，ΔB值。将ΔR，ΔG，ΔB的值及 三者平方和再开方的值（13.59）代入铜标准溶液曲线中，通过标准曲线线 性方程（图2所示，y=157.62x-0.52），求得与之相对应的准确待测铜溶液 浓度（8.95×10^-5M）。

本发明采用自制的荧光比色设备，通过365nm特定波长的紫外光对指 示剂进行激发。用电子成像设备，如扫描仪、数码相机等捕捉铜离子加入 前后指示剂的荧光颜色变化。提取其颜色变化前后图像中红、绿、蓝（RGB） 三个通道的颜色变化值，构建铜离子与之相对应浓度梯度的标准曲线。将 直观的颜色数字化后，使得定量测定成为可能，同时也进一步提升了灵敏 度，微小的肉眼难以看见的颜色变化可以通过数字化后的差值更直观的显 现出来。所用的荧光激发及图像采集设备简单，轻便易于携带，可用于现 场测样，图像采集迅速，可以进行实时检测。该方法可检测10^-5M的离子 浓度，并可有效排除9种离子共存干扰，具有较高的选择性。