一种金铂纳米复合材料的制备方法及其在比色检测重金属汞离子中的应用
本发明属于重金属离子检测，特别涉及一种金/铂纳米复合材料的制备方法及其在比色检测重金属汞离子(hg2+)中的应用。
背景技术：
1、在自然界中，汞主要以有机汞、无机汞或金属汞这三种形式存在，其来源主要包括人为来源和自然界来源，人类活动是成为造成汞污染的最主要原因。其中，化石燃料燃烧(主要指自燃煤)占到排放量的四分之一，其他人为来源还包括钢铁工业、冶炼、水泥生产等。hg2+是公认的毒性最大、危害最大的重金属离子之一，即使低浓度的hg2+仍具有较强的毒性。hg2+主要通过吸入、皮肤接触或食物链进入人体，对大脑、肝脏、肾脏和神经系统等造成不可逆的损伤。特别是对于儿童和胎儿来说，hg2+的危害更为严重，可能影响智力发育和神经系统发育，严重时甚至会导致死亡。目前，人们已经开发了许多具有高选择性和高灵敏度的方法来检测hg2+，但这些方法存在着检测成本高、耗时长、样品制备过程复杂等明显缺点，限制了它们的实际应用。因此，开发一种高效、简便、快速、灵敏且安全的检测hg2+方法具有十分重要的意义。
2、贵金属纳米材料是指由贵金属元素(如au、ag、pt等)构成的纳米级材料，具有独特的物理、化学和光学性质，在多个领域具有重要的应用价值。贵金属纳米材料已被证明具有氧化物酶、氧化物酶、过氧化氢酶等多种类酶活性，且相比于其他类酶材料催化活性更高，具有独特的物理、化学、光学特性，在生物医学、检测等方面被广泛应用，是纳米酶领域的热点研究材料。
3、au、pt纳米材料因为具有高比表面积、高类酶催化活性、高生物安全性、优异的导电性和光学性能等优势，是目前应用最广泛的贵金属材料之一。但单金属纳米材料容易受到某些物理或化学特性的限制，导致其实际应用效果不佳。而双金属纳米材料能够突破以上限制，特别是含有贵金属元素的纳米材料。两种金属之间会发生电子激活、电荷转移、结构应变和稳定的界面电子流等协同效应，在纳米酶活性、光学性质、稳定性和选择性等方面明显优于单金属纳米粒子，被认为是当今最有前途的纳米材料。
4、单金属纳米材料容易受到某些物理或化学特性的限制，导致其实际应用效果不佳。而双金属纳米材料能够突破以上限制，特别是含有贵金属元素的纳米材料。两种金属之间会发生电子激活、电荷转移、结构应变和稳定的界面电子流等协同效应，在纳米酶活性、光学性质、稳定性和选择性等方面明显优于单金属纳米粒子，被认为是当今最有前途的纳米材料。
5、介孔二氧化硅(msio2)是一类具有高比表面积、大比孔容和中孔尺寸的二氧化硅材料。高比表面积和大比孔容有利于金属或金属氧化物的分散，介孔可以作为金属颗粒的宿主，并在高温下限制它们的生长。这些性质使介孔二氧化硅成为多相催化的良好载体，在吸附、分离、催化、药物传递等领域具有广泛的应用。
6、从目前的研究成果来看，应用au/pt双金属纳米材料高灵敏闭塞检测hg2+的研究还未见报道。
技术实现思路
1、本发明的目的是提供一种金/铂纳米复合材料的制备方法及其在比色检测重金属汞离子中的应用，以解决现有hg2+检测方法存在的检测成本高、耗时长、样品制备过程复杂的问题。
2、基于背景技术的描述，本发明设计并合成了一种覆有pda涂层且aptes修饰的msio2为核心载体的金铂纳米复合材料，记为msio2@pda-au/pt。通过化学反应，aptes分子中的硅烷基团与msio2表面的羟基发生缩合反应，形成共价键连接。同时，向msio2表面引入了氨基官能团，可以提高其表面活性，增强对金属离子的吸附能力。da在碱性条件下可通过自聚合反应包覆在msio2表面，形成具有良好生物相容性、粘附性及光热转换性能的pda涂层。当pda与haucl4溶液混合时，au3+被pda中的邻苯二酚基团还原成au0原子，邻近的au0聚合在一起形成aunps。最后，aa作为还原剂，k2ptcl4为前驱体，使pt层沉积生长在aunps表面，形成最终的双金属纳米复合材料。本发明所制备的金/铂纳米复合纳米材料具有良好的生物相容性，并同时具备体外检测hg2+的能力。
3、本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：
4、本发明的一种金/铂纳米复合材料的制备方法，主要包括以下步骤：
5、(1)制备二氧化硅球；
6、将十六烷基三甲基溴化铵(ctab)加入超纯水，超声至完全澄清透明，放入水浴加热锅中，依次加入无水乙醇、naoh溶液和正硅酸乙酯(teos)，在恒定转速搅拌下反应，离心洗涤收集沉淀，将沉淀分散至乙醇溶液中，获得二氧化硅球；
7、(2)制备3-氨丙基三乙氧基硅烷(aptes)修饰后的介孔二氧化硅纳米球；
8、将二氧化硅球离心后收集沉淀，重新超声分散至无水乙醇溶液中，同时加入3-氨丙基三乙氧基硅烷，过夜搅拌，次日进行离心洗涤收集沉淀，将沉淀分散至无水乙醇溶液中；加入硝酸铵进行冷凝回流，洗涤收集沉淀，得到3-氨丙基三乙氧基硅烷修饰后的介孔二氧化硅纳米球；
9、(3)制备包覆聚多巴胺(pda)涂层的介孔二氧化硅纳米球；
10、将3-氨丙基三乙氧基硅烷修饰后的介孔二氧化硅纳米球溶于tris-hcl缓冲液中，将多巴胺溶于tris-hcl缓冲液中，然后将它们在黑暗条件下搅拌混合，用超纯水离心洗涤多次收集沉淀，得到包覆聚多巴胺涂层的介孔二氧化硅纳米球；
11、(4)制备负载金纳米球的包覆聚多巴胺涂层的介孔二氧化硅纳米球；
12、将超纯水升温后加入包覆聚多巴胺涂层的介孔二氧化硅纳米球，搅拌混合，加入haucl4·3h2o水溶液继续搅拌混合，离心洗涤多次收集沉淀，得到负载金纳米球的包覆聚多巴胺涂层的介孔二氧化硅纳米球；
13、(5)制备沉积铂纳米材料的负载金纳米球的包覆聚多巴胺涂层的介孔二氧化硅纳米球；
14、将负载金纳米球的包覆聚多巴胺涂层的介孔二氧化硅纳米球与k2ptcl4水溶液搅拌混合，加入aa水溶液静置反应，用等体积的无水乙醇溶液离心洗涤多次收集沉淀，得到金/铂纳米复合材料。
15、作为优选的实施例，步骤(1)中，所述十六烷基三甲基溴化铵与超纯水的用量比为：(0.05～0.2)g∶(15～20)ml，超声3～5min至完全澄清透明，放入70～75℃水浴加热锅中预热10～15min。
16、作为优选的实施例，步骤(1)中，所述无水乙醇、naoh溶液和正硅酸乙酯的体积比为：(2.0～3.0)∶(0.1～0.2)∶(0.15～0.2)，所述naoh溶液浓度为2～3mol/l。
17、作为优选的实施例，步骤(2)中，将二氧化硅球离心后收集沉淀，重新超声15～20min后分散至15～20ml无水乙醇溶液中，同时按照二氧化硅球溶液与3-氨丙基三乙氧基硅烷的体积比为(10～20:0.1～0.2)的比例加入3-氨丙基三乙氧基硅烷，过夜搅拌反应时间≥12h，次日进行离心洗涤收集沉淀，将沉淀分散至无水乙醇溶液中；按照aptes的体积μl：硝酸铵的质量g为150～300：0.2～0.5的比例的比例加入硝酸铵在60～65℃下冷凝回流6～12h，洗涤收集沉淀并分散至tris-hcl缓冲液中，得到3-氨丙基三乙氧基硅烷修饰后的介孔二氧化硅纳米球。
18、作为优选的实施例，步骤(3)中，将3-氨丙基三乙氧基硅烷修饰后的介孔二氧化硅纳米球溶于tris-hcl缓冲液中，将多巴胺溶于tris-hcl缓冲液中，所述3-氨丙基三乙氧基硅烷修饰后的介孔二氧化硅纳米球与多巴胺的质量比为4∶1，然后将所得的两种溶液在黑暗条件下搅拌混合8～10h，用超纯水离心洗涤多次收集沉淀并分散至超纯水中，得到包覆聚多巴胺涂层的介孔二氧化硅纳米球。
19、作为优选的实施例，步骤(3)中，所述tris-hcl缓冲液的ph为8.0～8.5，浓度为8～12mmol/l。
20、作为优选的实施例，步骤(4)中，将超纯水升温至85～90℃，加入包覆聚多巴胺涂层的介孔二氧化硅纳米球，搅拌反应2～5min，加入haucl4·3h2o水溶液继续搅拌15～20min，离心洗涤多次收集沉淀，将收集到的沉淀溶于5～10ml超纯水中，得到负载金纳米球的包覆聚多巴胺涂层的介孔二氧化硅纳米球。
21、作为优选的实施例，步骤(5)中，按照负载金纳米球的包覆聚多巴胺涂层的介孔二氧化硅纳米球与k2ptcl4的质量比为1∶1的比例将负载金纳米球的包覆聚多巴胺涂层的介孔二氧化硅纳米球与k2ptcl4水溶液搅拌混合，加入两倍质量的aa水溶液静置反应24～26h；用等体积的无水乙醇溶液离心洗涤多次收集沉淀，得到金/铂纳米复合材料。
22、本发明制备的一种金/铂纳米复合材料在比色检测重金属汞离子中的应用，主要包括以下步骤：
23、将不同浓度的hg2+溶液加入到含有金/铂纳米复合材料和tmb的naac-hac缓冲液混合体系中，总体积为200μl，在35～38℃下孵育15-30min，然后检测在652nm处的吸光度，计算出hg2+的浓度。
24、作为优选的实施例，所述金/铂纳米复合材料浓度为100μg/ml，加入体积为30μl；所述tmb浓度为6mmol/l，加入体积为10μl；所述naac-hac缓冲液的ph为4。
25、本发明的有益效果是：
26、本发明提供了一种金/铂纳米复合材料的制备方法，通过该制备方法合成的金/铂纳米复合材料是一种尺寸均一、形貌稳定的单分散纳米粒子，具有很强的类氧化物酶活性。本发明提供了一种金/铂纳米复合材料的制备方法，制备流程简单、经济环保且产率高，更便于实现工业化发展。
27、本发明还提供了一种金/铂纳米复合材料在比色检测重金属汞离子(hg2+)中的用途，利用成功制备的金/铂纳米复合材料构建了一种检测范围广、特异性强、灵敏度高的hg2+检测手段。相比传统的重金属检测方法来说，本发明的检测方法操作简单，且不需要大型仪器，极大地降低了检测成本，缩短检测时间，提高检测效率。并且相比现有其他比色法来说，本发明所构建的检测体系构成简单，仅由金/铂纳米复合材料和显色底物构成，不需要其他试剂的参与即可完成对hg2+的精准检测，更加方便快捷。
28、其中，本发明所制备的金/铂纳米复合材料具有很强的类氧化物酶活性，在对重金属汞离子(hg2+)进行检测时，以tmb为底物，通过米氏方程拟合曲线可以看出其符合天然酶的规律。在对hg2+检测时，可以通过少量的hg2+表现出较大的吸光度的差异，有着卓越的检测hg2+性能。
29、本发明的检测方法检测hg2+的线性范围为0.05-1μm，检出限(limit ofdetection，lod)为4.7nmol/l。具有检测范围广、灵敏度高的优点，且能排除其他金属离子的干扰，在实际样品(例如自来水、湖水)检测中也具有良好的回收率和准确性。
技术特征：
1.一种金/铂纳米复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种金/铂纳米复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述十六烷基三甲基溴化铵与超纯水的用量比为：(0.05～0.2)g∶(15～20)ml，超声3～5min至完全澄清透明，放入70～75℃水浴加热锅中预热10～15min。
3.根据权利要求1所述的一种金/铂纳米复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述无水乙醇、naoh溶液和正硅酸乙酯的体积比为：(2.0～3.0)∶(0.1～0.2)∶(0.15～0.2)，所述naoh溶液浓度为2～3mol/l。
4.根据权利要求1所述的一种金/铂纳米复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，将二氧化硅球离心后收集沉淀，重新超声15～20min后分散至15～20ml无水乙醇溶液中，同时按照二氧化硅球溶液与3-氨丙基三乙氧基硅烷的体积比为(10～20:0.1～0.2)的比例加入3-氨丙基三乙氧基硅烷，过夜搅拌反应时间≥12h，次日进行离心洗涤收集沉淀，将沉淀分散至20～30ml无水乙醇溶液中；按照aptes的体积μl：硝酸铵的质量g为150～300：0.2～0.5的比例加入硝酸铵在60～65℃下冷凝回流6～12h，洗涤收集沉淀并分散至tris-hcl缓冲液中，得到3-氨丙基三乙氧基硅烷修饰后的介孔二氧化硅纳米球。
5.根据权利要求1所述的一种金/铂纳米复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，将3-氨丙基三乙氧基硅烷修饰后的介孔二氧化硅纳米球溶于tris-hcl缓冲液中，将多巴胺溶于tris-hcl缓冲液中，所述3-氨丙基三乙氧基硅烷修饰后的介孔二氧化硅纳米球与多巴胺的质量比为4∶1，然后将所得的两种溶液在黑暗条件下搅拌混合8～10h，用超纯水离心洗涤多次收集沉淀并分散至超纯水中，得到包覆聚多巴胺涂层的介孔二氧化硅纳米球。
6.根据权利要求5所述的一种金/铂纳米复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述tris-hcl缓冲液的ph为8.0～8.5，浓度为8～12mmol/l。
7.根据权利要求1所述的一种金/铂纳米复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，将超纯水升温至85～90℃，加入包覆聚多巴胺涂层的介孔二氧化硅纳米球，搅拌反应2～5min，加入haucl4·3h2o水溶液继续搅拌15～20min，离心洗涤多次收集沉淀，将收集到的沉淀溶于5～10ml超纯水中，得到负载金纳米球的包覆聚多巴胺涂层的介孔二氧化硅纳米球。
8.根据权利要求1所述的一种金/铂纳米复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(5)中，按照负载金纳米球的包覆聚多巴胺涂层的介孔二氧化硅纳米球与k2ptcl4的质量比为1∶1的比例将负载金纳米球的包覆聚多巴胺涂层的介孔二氧化硅纳米球与k2ptcl4水溶液搅拌混合，加入两倍质量的aa水溶液静置反应24～28h；用等体积的无水乙醇溶液离心洗涤多次收集沉淀，得到金/铂纳米复合材料。
9.如权利要求1至8中任意一项所述的制备方法制备的一种金/铂纳米复合材料在比色检测重金属汞离子中的应用，其特征在于，包括以下步骤：
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，所述金/铂纳米复合材料浓度为100μg/ml，加入体积为30μl；所述tmb浓度为6mmol/l，加入体积为10μl；所述naac-hac缓冲液的ph为4。
技术总结
一种金/铂纳米复合材料的制备方法及其在比色检测重金属汞离子中的应用，属于重金属离子检测领域，包括制备二氧化硅球；制备3‑氨丙基三乙氧基硅烷修饰后的介孔二氧化硅纳米球；制备包覆聚多巴胺涂层的介孔二氧化硅纳米球；制备负载金纳米球的包覆聚多巴胺涂层的介孔二氧化硅纳米球；制备沉积铂纳米材料的负载金纳米球的包覆聚多巴胺涂层的介孔二氧化硅纳米球。本发明的金/铂纳米复合材料制备方法流程简单、经济环保且产率高，更便于实现工业化发展。本发明的检测方法操作简单，且不需要大型仪器，极大地降低了检测成本，缩短检测时间，提高检测效率，更加方便快捷。
技术研发人员：孙雪珂,王馨慧,白雨婷,付晓淼,李晶,于洋,牛蕴泽,张莹
受保护的技术使用者：河北师范大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23