滤纸为基础比色传感器阵列用于痕量重金属离子检测方法

摘要

本发明为一种比色传感器阵列用于多种痕量重金属离子检测的方法：借助喷蜡式打印机在定量滤纸上绘制出特有的亲水通道，将几种重金属离子指示剂分别固定于各个亲水通道中构成指示剂阵列，并在每个通道后端接以固定有高分子吸水材料的吸水单元，重金属离子溶液经由亲水通道与指示剂反应，同时借助于后端高分子材料的吸水作用，使得重金属离子溶液得以不断流经指示剂，富集反应，从而达到对水中八种痕量重金属离子含量进行半定量测定的目的。用彩色成像设备采集指示剂在不同重金属离子前后的颜色变化，构建每种重金属离子的“指纹图谱”。测试过程中用数理统计方法，将样品图谱与“指纹图谱”库对照，从而对未知的重金属离子进行定性或半定量的分析。

说明书

技术领域

本发明涉及传感器，具体地说是一种以滤纸为基础的比色传感器阵列 用于水中多种痕量重金属离子检测的方法。

背景技术

近年来，全球工业经济的迅猛发展而带来的一系列环境问题给生态系 统平衡以及人类健康造成了严重危害，已经引起大家的普遍关注。水是人 类的生命之源,它与自然界和人类的和谐统一发展息息相关，因而水资源的 污染问题成为环境领域的热点问题之一。在众多水污染中，重金属污染占 了相当大的比重，鉴于其具有易被生物富集、有生物放大效应、毒性大 等特点，因此水中重金属污染的及时预警，快速分析检测和有效治理对人 类健康以及水资源的有效利用变得尤为重要。

一些重金属通过矿山开采、金属冶炼加工、化工废水的排放、农药 化肥的滥用,生活垃圾的弃置等人为污染及地质侵蚀、风化等天然源形式进 入水中，最终大部分转化为可溶性的阳离子盐而广泛存在于自然界中。世 界卫生组织（WHO）和美国环保局（EPA）都对水中重金属离子污染物给 予了高度的重视。我国也在新的《生活饮用水卫生标准》中对日常饮用水 中重金属离子的含量进行了明确规定，并制定了《污水综合排放标准》，严 格限制污水中重金属离子的排放。

目前针对水中重金属污染治理的研究已经日益成熟，国际上广泛采用 的重金属离子定性定量检测技术包括原子吸收（AAS)、电感耦合等离子体 发射光谱（ICP-AES)、电感耦合等离子体质谱（ICP-MS)、阳极溶出伏安、 X射线荧光光谱法、等离子体感应光谱等。这些方法已能够成功检测水中痕 量重金属离子污染物，基于这些方法的各种重金属离子检测仪也已商品化， 如美国Trace Detect公司的Safe Guard，Yield Guard等系列产品。然而，上述 诸多方法普遍成本较高，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；并且具有多种形态的 重金属离子，其各化学形态之间往往处于动态平衡，繁琐的样品前处理（预 分离、富集、衍生等）也会导致不同化学形态的重新分配，从而大大影响 测定结果。

面对这些难题，最理想的解决方法就是原位实时检测。目前市面上有 一些商品化的重金属离子检测试纸，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。除去简单的目视比色外，目前市面已有进口的光谱比色仪， 但这些比色设备多仅仅只能对一种指示剂进行评估，不能消除多种样品对 同一指示剂同时响应时的相互干扰。这其中，光化学比色方法因其操作简 便，成本低廉而受到科学家们的广泛青睐，而阵列式分析则成为解决不同 重金属离子污染物对指示剂的相互交叉干扰问题的最佳方式之一。

发明内容

本发明的目的在于提供一种以滤纸为基础的比色传感器阵列用于水中 多种痕量重金属离子检测的方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

1）传感器阵列的制备：使用喷蜡式打印机在定量滤纸上绘制通道，固 体蜡印经烘箱高温加热后熔化，从试纸表面渗透至背面，借由蜡的疏水作 用，隔离出相对应的从中心向外扩散的亲水通道。指示剂通过聚合物固定 在亲水通道的中心部位，亲水通道末端固定高分子吸水材料；

2）指纹图谱的建立：将待检测重金属离子标准溶液（5x10^-5mol/L汞、 铅、镉、银、钴、镍、铜或锌）加入到已固定好指示剂的传感器阵列的中 心加样区，溶液从中心沿着不同的亲水通道迅速均匀扩散开，随之通过指 示剂；借助于通道后端高分子吸水材料的吸水作用，溶液能沿着亲水通道 源源不断地从中心加样区流经指示剂，不断富集反应；

传感器阵列滤纸底部设有彩色成像设备，通过采集检测试纸上指示剂 暴露在各种不同重金属离子前后的颜色变化，将2种或2种以上指示剂颜 色变化对应的红、绿、蓝（RGB）色光谱值构建每种重金属离子的“指纹图 谱”；

3）数理统计：将传感器阵列对不同重金属离子在5x10-5mol/L浓度 下的颜色变化数字化并构建相应的“指纹图谱”后，为减少样本偏差，对每种 重金属离子重复5次对应实验，将所有待测重金属离子5x10-5mol/L标准 浓度下对应的每组实验的ΔR，ΔG，ΔB值构建矩阵，采用多维变量统计软 件包（Matlab,MVSP（Multi-Variate Statistic Package）或SPSS（Statistical  Package for the Social Sciences）等统计软件，将矩阵导入软件后，在软件中 采用聚类分析或主成分分析等数理统计方法对结果进行归类；对于未知样 本，结合已有指纹图谱库及聚类分析后的结果，进行归一化，由未知样本 归一的类别判定其为何种重金属离子，由指纹图谱色差强弱判定是否超出 5x10-5mol/L的标准浓度。在一定条件下，还可对未知样本进行半定量的 浓度分析。

具体为：

一种以滤纸为基础的比色传感器阵列用于多种痕量重金属离子检测的 方法，所述传感器包括彼此相互独立的呈圆环状结构分布的吸水池，亲水 通道，以及重金属离子螯合剂，

使用喷蜡式打印机于定量滤纸上绘制出亲水通道，分别将不同的重金属 离子指示剂固定在对应通道的相同位置上；以固定在定量滤纸上的重金属 离子指示剂为传感材料，构建传感器阵列；在每个亲水通道后端接以固定 有高分子吸水材料的吸水单元，重金属离子溶液经由亲水通道与指示剂反 应，同时借助于后端高分子材料的吸水作用，使得重金属离子溶液得以不 断流经指示剂，发生富集，提升指示剂检测灵敏度；颜色变化通过彩色成 像设备进行采集比较。

1）传感器阵列的制备：使用喷蜡式打印机在定量滤纸上绘制出线宽 0.25-1.25磅，线长0.4-1.5cm的疏水隔离带若干条，置于80-150℃烘箱内 加热20-60min；试纸上的固体蜡印受热后熔化，从试纸表面渗透至背面， 从而形成多条亲水性的通道。将聚乙烯醇缩丁醛：磷酸三辛酯：聚乙二醇-400 以30-75mg：200-280mg：75-200mg质量比混合溶于3-10mL无水乙醇中， 常温下震荡混匀1-1.5小时，得聚合物溶液；以2-6mg/L比例将各种重金 属离子指示剂加入到上述合成的聚合物中，搅拌溶解，采用毛细管（0.2uL） 点样方式，将溶有重金属离子指示剂的聚合物溶液均匀固定于检测试纸的 通道上（介于20-25μm），氮气保护下室温干燥；得用于重金属离子检测 的检测试纸；亲水通道末端固定高分子吸水材料；

2）指纹图谱的建立：将待检测重金属离子标准溶液（5x10^-5mol/L汞、 铅、镉、银、钴、镍、铜或锌）加入到已固定好指示剂的传感器阵列的中 心加样区，溶液从中心沿着不同的亲水通道迅速均匀扩散开，随之通过指 示剂；借助于通道后端高分子吸水材料的吸水作用，溶液能沿着亲水通道 源源不断地从中心滴液处流经指示剂，不断富集反应；

传感器阵列滤纸底部设有彩色成像设备，通过采集检测试纸上指示剂 暴露在各种不同重金属离子前后的颜色变化，将2种或2种以上指示剂颜 色变化对应的红、绿、蓝（RGB）色光谱值构建每种重金属离子的“指纹图 谱”；

3）未知重金属离子水溶液样品测试过程：

按照步骤1）-2）进行操作，不同之处在于，步骤2）重金属离子水溶 液为未知重金属离子水溶液样品；

将其颜色变化对应的红、绿、蓝（RGB）色光谱值构建样品的图谱： 采用扫描仪彩色成像设备提取各个指示剂反应前后的颜色，通过Photoshop 软件对指示剂与重金属离子反应前后膜上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，将反应后图像的RGB值减去反应 前图像的RGB值，提取“差减图像”的ΔR，ΔG，和ΔB值，然后按ΔR，ΔG， ΔB值还原对应的颜色图像，为未知重金属离子水溶液建立其对应的“指纹 图谱”；

在样品测试过程后，采用数理统计方法，运用Matlab,MVSP （Multi-Variate Statistic Package）或SPSS（Statistical Package for the Social  Sciences）统计分析软件，将样品的图谱数据与“指纹图谱”库的数据库相对 照，从而对未知的重金属离子进行定性或半定量的分析。

所述传感器阵列基质材料为亲水定量滤纸。

所述亲水通道由喷蜡打印机打印，并热熔渗透到滤纸中构成。

所述彩色成像设备为CCD、数码相机或扫描仪。

所述数理统计是将图像数字化后对数据聚类分析或主成分分析方法。

在样品测试过程后，提取指示剂与重金属离子反应前后的图像，选定均 一的特定区域，求得其对应的色彩平均RGB值，将直观的图像数字化，并 进行差减；

指示剂与重金属离子反应后所产生的颜色变化能够通过数字化的形式 反映出来，为定量与半定量分析提供依据，同时有利于数据库的数理统计 分析，为每种重金属离子构建与之对应的“指纹图谱”。

由图像颜色变化构建的数据库进行数理统计分析，采用一种聚类分析 或主成分分析用于数据归一化的方法，进行分类。

所述重金属离子指示剂为2-（3,5-二溴-2-吡啶偶氮）-5-二乙氨基酚， 1,3-二氨基-4-（5-溴-2-吡啶偶氮）苯，2-（5-溴-2-吡啶偶氮）-5-（二乙胺基） 苯酚，4-(5-氯-2-吡啶偶氮)-1,3-苯二氨，4-（3,5-二溴-2-吡啶偶氮）-1,3-苯 二氨，2-（5-溴-2-吡啶偶氮）-5-[N,N-二甲基]苯酚，1-吡啶偶氮-2-萘酚，4- （2-吡啶偶氮）间苯二酚；

定量滤纸为无灰级滤纸，孔径介于20-25μm。

所述传感器阵列中具有多种重金属离子指示剂，每种重金属离子可能 在其它非特异性指示剂上也有响应，因此可以形成相对应的指纹响应谱， 而不仅仅只是一种指示剂响应；增加了传感器的响应维度，有效排除了不 同重金属离子对同一种指示剂响应的相互干扰；

提取指示剂与重金属离子反应前后的图像，选定均一的特定区域，求得 其对应的色彩平均RGB值，将直观的图像数字化，并进行差减。

所述的高分子吸水材料能够让样品溶液源源不断地流过固定有指示剂 的检测试纸通道。重金属离子在流经指示剂的同时，能够被富集，并与指 示剂充分接触反应，加速其反应动力学过程。

所述数理统计分析为未知样品的合理归类提供理论支持。

本发明具有如下优点:

1.喷蜡式打印机在亲水定量滤纸上绘制出疏水隔离带，蜡经受热熔化 后渗入滤纸背面，隔离溶液，形成亲水通道。

2.高分子吸水材料让样品溶液不断通过固定有指示剂的亲水通道。重 金属离子能够在不断通过指示剂过程中被有效富集，并与指示剂充分接触， 加速了指示剂与重金属离子的反应动力学过程。

3.多种重金属离子指示剂构成传感器阵列，每个重金属离子有其相对 应的指纹谱，而不仅仅只是一个指示剂响应。

4.指示剂与重金属离子反应后所产生的颜色变化能够通过数字化的形 式反映出来，为定量与半定量分析提供基础，同时有利于数据库的数理统 计分析，为每种重金属离子构建与之对应的指纹图谱。

附图说明

图1为传感器阵列的设计，样品溶液由定量滤纸（101）中心加样区（201） 沿着八条不同的亲水通道（301）迅速均匀扩散开，流经指示剂（401），直 至被后端吸水单元（501）内高分子吸水材料（601）不断地累积吸收。吸 水设备底部为透明玻璃视窗，成像系统经由溶液透过检测试纸的方向取像。

图2为比色传感器阵列对8种重金属离子在5x10^-5mol/L浓度的响应 （为便于观察，颜色范围从4-35扩展到0-255）。

所产生的颜色变化经由Photoshop^TM软件按同等比例增强后显示在图 中。该软件处理仅为展示颜色变化的强弱，并不影响各重金属离子数字化 后“指纹图谱”的数值。从图中可明显看出，8种重金属离子分别显示了其独 有的“指纹图谱”，为其有效进行区分奠定了基础。

图3为比色传感器阵列对8种重金属离子在5x10^-5mol/L浓度响应的 聚类分析。每种重金属离子进行5次平行试验，传感器优良的重现性确保 了同一种重金属离子的5组平行试验很好地归为一类；同时，建立在各重 金属离子数字化后“指纹图谱”的数据库基础上，多维度的响应使得8种重金 属离子彼此得以有效区分。

具体实施方式

一种以滤纸为基础的比色传感器阵列用于多种痕量重金属离子检测的 方法，所述传感器包括彼此相互独立的呈圆环状结构分布的吸水池，亲水 通道，以及重金属离子螯合剂。

使用喷蜡式打印机于定量滤纸上绘制出亲水通道，分别将不同的重金属 离子指示剂固定在对应通道的相同位置上；以固定在定量滤纸上的重金属 离子指示剂为传感材料，构建传感器阵列；在每个亲水通道后端接以固定 有高分子吸水材料的吸水单元，重金属离子溶液经由亲水通道与指示剂反 应，同时借助于后端高分子材料的吸水作用，使得重金属离子溶液得以不 断流经指示剂，发生富集，提升指示剂检测灵敏度；颜色变化通过彩色成 像设备进行采集比较。

标准“指纹图谱”库的建立：

1）固定指示剂的用于重金属离子检测的传感器阵列试纸，具体制备过 程如下：

使用喷蜡式打印机在定量滤纸上绘制出线宽1磅，线长0.6cm的疏水 隔离带16条，置于120℃烘箱内加热30min；试纸上的固体蜡印受热后熔 化，从试纸表面渗透至背面，从而形成多条亲水性的通道。

将聚乙烯醇缩丁醛：磷酸三辛酯：聚乙二醇-400以30mg：200mg：75 mg质量比混合溶于5mL无水乙醇中，常温下震荡混匀1小时，得聚合物 溶液；将不同质量重金属离子指示剂[2-（3,5-二溴-2-吡啶偶氮）-5-二乙氨 基酚（4mg），1,3-二氨基-4-（5-溴-2-吡啶偶氮）苯（2mg），2-（5-溴-2- 吡啶偶氮）-5-（二乙胺基）苯酚（2mg），4-(5-氯-2-吡啶偶氮)-1,3-苯二氨（4 mg），4-（3,5-二溴-2-吡啶偶氮）-1,3-苯二氨（4mg），2-（5-溴-2-吡啶偶氮） -5-[N,N-二甲基]苯酚（4mg），1-吡啶偶氮-2-萘酚（4mg），4-（2-吡啶偶氮） 间苯二酚（4mg）]分别加入到1mL上述合成的聚合物溶液中，搅拌溶解， 采用毛细管（0.2uL）点样方式，将溶有重金属离子指示剂的聚合物溶液均 匀固定于检测试纸的八条通道上（介于20-25μm），氮气保护下室温干燥； 得用于重金属离子检测的检测试纸；

2）比色读取：在吸水池中塞入高分子吸水材料，并用胶水使高分子吸 水材料与检测试纸能够紧密贴合；分别在检测试纸中心滴液处累积加入800 uL浓度为5x10^-5mol/L汞、铅、镉、银、钴、镍、铜、锌八种重金属离子 标准溶液，溶液由检测试纸中心沿着八条不同的“亲水”通道迅速均匀扩散 开，流经指示剂，被后端吸水池内高分子吸水材料不断的累积吸收，各个 通道的不同指示剂与重金属离子富集反应后分别产生不同颜色变化，通过 扫描仪读取。

3）通过Photoshop软件分析各指示剂颜色变化前后的RGB值，将反应 后的指示剂RGB值减去反应前的RGB值，得到差值图像的ΔR,ΔG，ΔB值。 然后按ΔR，ΔG，ΔB值还原对应的颜色图像，为各个重金属离子在5x10^-5mol/L浓度下建立其对应的“指纹图谱”。对每种重金属离子重复5次对应实 验，将所有待测金属在5x10^-5mol/L浓度下对应的每组实验的ΔR，ΔG， ΔB值构建矩阵，采用多维变量统计软件包MVSP（Multi-Variate Statistic  Package）统计软件，将矩阵导入软件后，在软件中采用聚类分析数理统计 方法对结果进行归类，得到重金属离子在5x10^-5mol/L浓度下的聚类分析 数据库。

未知样本的测定：

取其中一种重金属离子作为待测样品，按其在5x10^-5mol/L浓度左右配 置未知样本溶液。

1）固定指示剂的用于重金属离子检测的传感器阵列试纸，具体制备过 程如下：

使用喷蜡式打印机在定量滤纸上绘制出线宽1磅，线长0.6cm的疏水 隔离带16条，置于120℃烘箱内加热30min；试纸上的固体蜡印受热后熔 化，从试纸表面渗透至背面，从而形成多条亲水性的通道。

将聚乙烯醇缩丁醛：磷酸三辛酯：聚乙二醇-400以30mg：200mg：75 mg质量比混合溶于5mL无水乙醇中，常温下震荡混匀1小时，得聚合物 溶液；将不同质量重金属离子指示剂[2-（3,5-二溴-2-吡啶偶氮）-5-二乙氨 基酚（4mg），1,3-二氨基-4-（5-溴-2-吡啶偶氮）苯（2mg），2-（5-溴-2- 吡啶偶氮）-5-（二乙胺基）苯酚（2mg），4-(5-氯-2-吡啶偶氮)-1,3-苯二氨（4 mg），4-（3,5-二溴-2-吡啶偶氮）-1,3-苯二氨（4mg），2-（5-溴-2-吡啶偶氮） -5-[N,N-二甲基]苯酚（4mg），1-吡啶偶氮-2-萘酚（4mg），4-（2-吡啶偶氮） 间苯二酚（4mg）]分别加入到1mL上述合成的聚合物溶液中，搅拌溶解， 采用毛细管（0.2uL）点样方式，将溶有重金属离子指示剂的聚合物溶液均 匀固定于检测试纸的八条通道上（介于20-25μm），氮气保护下室温干燥； 得用于重金属离子检测的检测试纸；

2）比色读取：在吸水池中塞入高分子吸水材料，并用胶水使高分子吸 水材料与检测试纸能够紧密贴合；检测试纸中心滴液处累积加入800uL未 知重金属离子浓度的溶液，溶液由检测试纸中心沿着八条不同的“亲水”通道 迅速均匀扩散开，流经指示剂，被后端吸水池内高分子吸水材料不断的累 积吸收，各个通道的不同指示剂与重金属离子富集反应后分别产生不同颜 色变化，通过扫描仪读取。

3）通过Photoshop软件分析各指示剂颜色变化前后的RGB值，将反应 后的指示剂RGB值减去反应前的RGB值，得到差值图像的ΔR,ΔG，ΔB值。 然后按ΔR，ΔG，ΔB值还原对应的颜色图像，为未知样本建立其对应的“指 纹图谱”。将该指纹图谱的ΔR，ΔG，ΔB值代入矩阵，采用多维变量统计 软件包MVSP（Multi-Variate Statistic Package）统计软件，在软件中采用聚 类分析数理统计方法对结果进行归类，得到该重金属离子的定性及半定量 信息。

本发明借助彩色喷蜡式打印机在定量滤纸上绘制出亲水通道，将几种 重金属离子指示剂分别固定其中而构成阵列，并在通道后端接以塞有高分 子吸水材料的吸水设备，从而达到在10分钟内可对水中汞、铅、镉、银、 钴、镍、铜、锌等多种痕量重金属离子含量通过不断地累积，进行快速半 定量的测定。该传感器阵列用彩色成像设备采集指示剂暴露在各种不同重 金属离子前后的颜色变化，将其颜色变化对应的红、绿、蓝（RGB）色光 谱值构建每种重金属离子的“指纹图谱”。在样品测试过程中，采用聚类分析 以及主成分分析等数理统计方法，将样品的图谱与“指纹图谱”库对照，从而 对未知的重金属离子进行定性或半定量的分析。本方法包括亲水通道的绘 制、吸水设备的设计、色差的提取、以及数据的数理统计三步。彩色喷蜡 式打印机在检测试纸上绘制出重金属离子溶液的专一性亲水通道；独特设 计的吸水装置能够让重金属样品溶液在不断通过固定有指示剂的“输水”通 道时被有效富集，提高了指示剂与重金属离子反应的几率；相互独立的多 条疏水通道阵列避免了彼此间的干扰；重金属离子被富集后，与指示剂发 生显色反应，其颜色变化经成像设备采集，并数字化，为定量或半定量测 定提供依据，并能对肉眼无法观察到的细小色差进行辨别，进一步提升传 感器的检测灵敏度。