一种用于快速检测镍离子的方法和装置
阅读说明：本技术 一种用于快速检测镍离子的方法和装置 (Method and device for rapidly detecting nickel ions ) 是由 张甜 蒋向阳 赵子懿 廖雨潇 皮埃尔 于 2021-09-06 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种用于快速检测镍离子的方法和装置。该用于快速检测镍离子的方法的步骤包括：配制显色溶液、制备羧基化细菌纤维素膜、制备镍离子检测器、制备标准比色卡、检测待测样品。本发明的镍离子检测器,能够快速、简便检测镍离子的浓度,检测下限可精确到ppm级,测定全过程仅需1-3分钟,能够现场得到检测结果,提高检测效率；使用过程简便,无需专业人员进行,可满足百姓日常检测需求；本发明的镍离子检测器体积小、易于携带、成本低、检测速度快,使用过程中仅需检测器与标准比色卡,无需其他溶液或大型装置,检测极为方便,不带来环境污染,节能环保,使用方便,有利于技术经济的可持续发展。(The invention discloses a method and a device for rapidly detecting nickel ions. The method for rapidly detecting nickel ions comprises the following steps: preparing a color developing solution, preparing a carboxylated bacterial cellulose membrane, preparing a nickel ion detector, preparing a standard colorimetric card and detecting a sample to be detected. The nickel ion detector can quickly and simply detect the concentration of nickel ions, the lower limit of detection can be accurate to ppm level, the whole detection process only needs 1-3 minutes, the detection result can be obtained on site, and the detection efficiency is improved; the use process is simple and convenient, professional personnel are not needed, and the daily detection requirements of common people can be met; the nickel ion detector disclosed by the invention is small in size, easy to carry, low in cost, high in detection speed, extremely convenient to detect, free from environmental pollution, energy-saving, environment-friendly and convenient to use, only needs the detector and a standard colorimetric card in the using process, does not need other solutions or large devices, and is favorable for sustainable development of technical economy.)
技术领域
本发明涉及镍离子检测技术领域，尤其涉及一种用于快速检测镍离子的方法和装置。
背景技术
镍是人体的必需元素之一，正常情况下，成人体内含镍约为10mg。镍也是日常生活中极易的致敏的元素之一，接触镍而致敏的人会出现发炎、瘙痒、丘疹水疱性皮炎和湿疹等症状，且出现过敏症状能够无限期持续。人体摄入镍过量时，会出现呕吐、腹泻、肠胃炎等，严重时导致脏器水肿、出水和变性。香烟中的镍会对肺产生刺激和损害作用。因此，控制并减少镍的摄入是不可或缺的。
镍具有良好的可塑性、耐腐蚀性和磁性等性能，广泛应用于钢铁、镍合金、电镀及电池等领域，广泛用于飞机、雷达等各种军工制造业和电镀工业等。镍对人体的危害不容小视，国家对镍的含量也有明确限定。在国家标准GB 8978-1996《中华人民共和国国家标准污水综合排放标准》明确规定，镍的含量不得超过1.0mg/L。镍离子含量的检测对污水排放、环境检测、农业应用、食品安全的领域均有着重要意义。当前，常见的重金属检测方法有：原子吸收分光光度法、紫外分光光度计、荧光分光光度计、电感耦合等离子质谱仪。但上述方法仪器体积较大，不便于携带；单次检测价格昂贵，不适用于日常检测；检测专业化，不适用于普通居民日常使用。因此，现有重金属检测方法无法满足快速便携的检测要求。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种用于快速检测镍离子的方法和装置，用以解决现有技术中镍离子检测成本高、时间长，且检测装置不便携带的技术问题。
本发明的第一方面提供一种用于快速检测镍离子的方法，包括以下步骤：
S1、配制显色溶液：通过丁二酮肟、氢氧化钠、去离子水配制丁二酮肟碱性溶液；
S2、制备羧基化细菌纤维素膜：将细菌纤维素膜进行羧基化改性，得到羧基化细菌纤维素膜；
S3、制备镍离子检测器：将上述羧基化细菌纤维素膜浸入至上述丁二酮肟碱性溶液中，恒温振荡后洗涤，随后将洗涤至中性的羧基化细菌纤维素进行冷冻干燥，得到镍离子检测器；
S4、制备标准比色卡：将pH＝9的一系列浓度梯度为：0、1、2、5、10、20、50mg/L的标准镍离子溶液，滴加在镍离子检测器上，拍照记录镍离子检测器的颜色，并制作成为标准比色卡；
S5、检测待测样品：将待测样品滴加到另一镍离子检测器上，将镍离子检测器的颜色与标准比色卡比对，得到待测样品中镍离子的浓度。
本发明的第二方面提供一种用于快速检测镍离子的装置，该用于快速检测镍离子的装置包括镍离子检测器和标准比色卡。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明的镍离子检测器，能够快速、简便检测镍离子的浓度，检测下限可精确到ppm级，测定全过程仅需1-3分钟，能够现场得到检测结果，提高检测效率；使用过程简便，无需专业人员进行，可满足百姓日常检测需求；
(2)本发明的镍离子检测器体积小、易于携带、成本低、检测速度快，使用过程中仅需检测器与标准比色卡，无需其他溶液或大型装置，检测极为方便，不带来环境污染，节能环保，使用方便，有利于技术经济的可持续发展。
附图说明
图1为本发明实施例1中的标准比色卡；
图2为本发明实施例2中的检测器的SEM图像；
图3为本发明实施例10中制备的pH值与吸光度的示意图；
图4为本发明实施例11中的显色剂浓度与吸光度的关系图；
图5为本发明实施例12中的多种离子选择性吸光度比较图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。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。
本发明的第一方面提供一种用于快速检测镍离子的方法，包括以下步骤：
S1、配制显色溶液：通过丁二酮肟、氢氧化钠、去离子水配制丁二酮肟碱性溶液；
S2、制备羧基化细菌纤维素膜：将细菌纤维素膜进行羧基化改性，得到羧基化细菌纤维素膜；
S3、制备镍离子检测器：将上述羧基化细菌纤维素膜浸入至上述丁二酮肟碱性溶液中，恒温振荡后洗涤，随后将洗涤至中性的羧基化细菌纤维素进行冷冻干燥，得到镍离子检测器；
S4、制备标准比色卡：将pH＝9的一系列浓度梯度为：0、1、2、5、10、20、50mg/L的标准镍离子溶液，滴加在镍离子检测器上，拍照记录镍离子检测器的颜色，并制作成为标准比色卡；
S5、检测待测样品：将待测样品滴加到另一镍离子检测器上，将镍离子检测器的颜色与标准比色卡比对，得到待测样品中镍离子的浓度。
本发明通过阳离子羧基化改性细菌纤维素，使细菌纤维素表面-OH被氧化为-COOH，增加细菌纤维素中羧基含量来增加其亲水性能；同时，由于静电作用加速了镍离子在羧基化细菌纤维素表面的富集，提高了检测下限与检测精度，检测效果好。
本发明的步骤S1中，丁二酮肟碱性溶液中，氢氧化钠的质量浓度为0.08～0.12g/L，丁二酮肟的浓度为6～14mmol/L；配制时的温度为20～45℃。
在本发明的一些具体实施方式中，丁二酮肟碱性溶液中，氢氧化钠的质量浓度为0.1g/L，丁二酮肟的浓度范围为8～12mmol/L。
本发明的步骤S2中，细菌纤维素膜的制备过程包括：配制木醋杆菌培养基，在无菌条件下接种菌种，活化后将菌种恒温静置培养得到薄膜，用氢氧化钠溶液除去残留细菌，并用去离子水洗至中性，得到透明水凝胶状细菌纤维素薄膜。
本发明的一些具体实施方式中，木醋杆菌培养基的成分为：2～3wt％葡萄糖、0.2～0.8wt％酵母提取物、0.2～0.8wt％胰蛋白胨、0.08～0.15wt％一水合柠檬酸、0.08～0.15wt％磷酸二氢钾、0.2～0.8wt％十二水合磷酸氢二钠，pH为5～7。菌种活化的温度为28～32℃，时间为36～72h；菌种恒温静置培养的温度为28～32℃，时间为7～14d。
本发明的一些更具体实施方式中，木醋杆菌培养基的成分为：2.5wt％葡萄糖、0.5wt％酵母提取物、0.5wt％胰蛋白胨、0.11wt％一水合柠檬酸、0.11wt％磷酸二氢钾、0.5wt％十二水合磷酸氢二钠，pH为6。
本发明中，将细菌纤维素膜(BC)使用铜离子-过氧化氢羧基化方法进行改性，得到羧基化细菌纤维素膜。
在本发明的一些具体实施方式中，改性的过程具体为：将细菌纤维素膜浸入含铜离子和过氧化氢(H2O2)的混合溶液中，加热搅拌，随后经水洗至洗涤液为中性，得到羧基化细菌纤维素膜。
在本发明的一些更具体实施方式中，含铜离子和过氧化氢(H2O2)的混合溶液中，H2O2浓度为10～30％，铜离子浓度为0.018～0.025g/L；加热搅拌的温度为60～65℃，加热搅拌的时间为5～6h，搅拌转速为200～220r/min；基材的清洗方式为：使用超纯水超声清洗10～20分钟，随后换水重复上述清洗步骤，直至洗涤液pH为7时，清洗完成。
本发明的步骤S3中，恒温震荡的温度为30～40℃时间为1～2h；冷冻干燥的过程为：将洗涤至中性的羧基化细菌纤维素在-80～-60℃冰箱中预冷冻1～6h后，置于冷冻干燥机中冻干24～72h。本发明通过冷冻干燥，能够保持膜结构形态不被破坏，同时避免药品被空气杂质污染。
本发明中，标准镍离子溶液选用的镍源为氯化镍、硫酸镍、硝酸镍中的至少一种，优选为氯化镍。
本发明中，上述待测样品为液体，待测样品中镍离子的浓度范围为1～50mg/L。
本发明中，制备标准比色卡以及检测待测样品的过程中，标准镍离子溶液以及待测样品滴加量一致。在本发明的一些具体实施方式中滴加量均为0.2mL。
本发明的第二方面提供一种用于快速检测镍离子的装置，该用于快速检测镍离子的装置包括镍离子检测器和标准比色卡。
实施例1
本实施例提供了一种镍离子检测器和标准比色卡的制备方法，包括以下步骤：
(1)配制显色溶液：将0.01g的氢氧化钠和1mmol的丁二酮肟加入100mL的水中溶解，配制成丁二酮肟碱性溶液；
(2)制备细菌纤维素膜：配制500mL木醋杆菌培养基(包含2.5wt％葡萄糖、0.5wt％酵母提取物、0.5wt％胰蛋白胨、0.11wt％一水合柠檬酸、0.11wt％磷酸二氢钾、0.5wt％十二水合磷酸氢二钠)，将培养基pH调制6，在无菌条件下接种5mL菌液(保藏编号ATCC700178)，在30℃恒温培养箱中活化48h，活化后将菌液移至10×20×20cm的塑料箱中，放置在30℃恒温箱中静置10天，培养得到薄膜，用氢氧化钠溶液除去残留细菌，并用去离子水洗至中性，得到透明水凝胶状细菌纤维素膜。
(3)制备羧基化细菌纤维素膜：取100mL 20％的H2O2，加入氯化铜4.02mg，将步骤(2)制备的细菌纤维素膜放入其中，加热到65℃，转速为200r/min，反应6小时后将其取出，使用超纯水100mL超声清洗10分钟，随后换水重复上述清洗步骤，直至洗涤液pH为7时，清洗完成，得到羧基化细菌纤维素膜。
(4)制备镍离子检测器：将步骤(3)得到的羧基化细菌纤维素膜浸入至步骤(1)得到的丁二酮肟碱性溶液中，在30℃恒温振荡2小时后洗涤，随后将洗涤至中性的羧基化细菌纤维素膜取出放在-80℃冰箱中预冷冻2h后，置于冷冻干燥机中冻干24h，取出将其剪裁5×8mm，得到镍离子检测器。
(5)制备标准比色卡：将pH＝9的一系列浓度梯度为：0、1、2、5、10、20、50mg/L的标准镍离子溶液，移取不同浓度的镍离子溶液0.2mL分别滴加在镍离子检测器上，30s后拍照记录检测器的颜色，并制作成为标准比色卡。
本实施例制备得到的比色卡如图1所示，该检测器对镍离子的检测限低至1mg/L。图2为镍离子检测器的SEM图像，说明显色剂成功的负载到羧基化细菌纤维素膜上。
实施例2
本实施例提供了一种镍离子检测器和标准比色卡的制备方法，包括以下步骤：
(1)配制显色溶液：将0.01g的氢氧化钠和0.8mmol/L的丁二酮肟加入100mL的水中溶解，配制成丁二酮肟碱性溶液；
(2)制备细菌纤维素膜：配制500mL木醋杆菌培养基(包含2.5wt％葡萄糖、0.5wt％酵母提取物、0.5wt％胰蛋白胨、0.11wt％一水合柠檬酸、0.11wt％磷酸二氢钾、0.5wt％十二水合磷酸氢二钠)，将培养基pH调制6，在无菌条件下接种5ml菌液(保藏编号ATCC700178)，在30℃恒温培养箱中活化48h，活化后将菌液移至10×20×20cm的塑料箱中，放置在30℃恒温箱中静置14天，培养得到薄膜，用氢氧化钠溶液除去残留细菌，并用去离子水洗至中性，得到透明水凝胶状细菌纤维素膜。
(3)制备羧基化细菌纤维素膜：取100mL 20％的H2O2，加入氯化铜4.02mg，将步骤(2)制备的细菌纤维素膜放入其中，加热到60℃，转速为200r/min，反应6小时后将其取出，使用超纯水100mL超声清洗10分钟，随后换水重复上述清洗步骤，直至洗涤液pH为7时，清洗完成，得到羧基化细菌纤维素膜。
(4)制备镍离子检测器：将步骤(3)得到的羧基化细菌纤维素膜浸入至步骤(1)得到的丁二酮肟碱性溶液中，在30℃恒温振荡2小时后洗涤，随后将洗涤至中性的羧基化细菌纤维素膜取出放在-80℃冰箱中预冷冻2h后，置于冷冻干燥机中冻干24h，取出将其剪裁5×8mm，得到镍离子检测器。
(5)制备标准比色卡：将pH＝9的一系列浓度梯度为：0、1、2、5、10、20、50mg/L的标准镍离子溶液，移取不同浓度的镍离子溶液0.2mL分别滴加在镍离子检测器上，30s后拍照记录检测器的颜色，并制作成为标准比色卡。
本实施例制备的标准比色卡、检测限均与实施例1一致。
实施例3
本实施例提供了一种镍离子检测器和标准比色卡的制备方法，包括以下步骤：
(1)配制显色溶液：将0.01g的氢氧化钠和1.2mmol的丁二酮肟加入100mL的水中溶解，配制成丁二酮肟碱性溶液；
(2)制备细菌纤维素膜：配制500mL木醋杆菌培养基(包含2.5wt％葡萄糖，0.5wt％酵母提取物，0.5wt％胰蛋白胨，0.11wt％一水合柠檬酸，0.11wt％磷酸二氢钾、0.5wt％十二水合磷酸氢二钠)，将培养基pH调制6，在无菌条件下接种5mL菌液(保藏编号ATCC700178)，在30℃恒温培养箱中活化48h，活化后将菌液移至10×20×20cm的塑料箱中，放置在30℃恒温箱中静置12天，培养得到薄膜，用氢氧化钠溶液除去残留细菌，并用去离子水洗至中性，得到透明水凝胶状细菌纤维素膜。
(3)制备羧基化细菌纤维素膜：取100mL 20％的H2O2，加入氯化铜4.02mg，将步骤(2)制备的细菌纤维素膜放入其中，加热到60℃，转速为200r/min，反应6小时后将其取出，使用超纯水100mL超声清洗10分钟，随后换水重复上述清洗步骤，直至洗涤液pH为7时，清洗完成，得到羧基化细菌纤维素膜。
(4)制备镍离子检测器：将步骤(3)得到的羧基化细菌纤维素膜浸入至步骤(1)得到的丁二酮肟碱性溶液中，在30℃恒温振荡2小时后洗涤，随后将洗涤至中性的羧基化细菌纤维素膜取出放在-80℃冰箱中预冷冻2h后，置于冷冻干燥机中冻干24h，取出将其剪裁5×8mm，得到镍离子检测器。
(5)制备标准比色卡：将pH＝9的一系列浓度梯度为：0、1、2、5、10、20、50mg/L的标准镍离子溶液，移取不同浓度的镍离子溶液0.2mL分别滴加在镍离子检测器上，30s后拍照记录检测器的颜色，并制作成为标准比色卡。
本实施例制备的标准比色卡、检测限均与实施例1一致。
实施例4
一种用于快速检测镍离子的方法，包括以下步骤：
(1)配制镍离子溶液：使用100mg/L的镍离子母液，配制浓度1mg/L的镍离子溶液；镍离子母液中的镍源为氯化镍。
(2)检测镍离子：将配制好的镍离子溶液取0.2mL滴加到镍离子检测器上，并将其颜色与标准比色卡比对，读出其中镍离子浓度为1mg/L；本实施例中，使用实施例1制备的镍离子检测器和标准比色卡检测镍离子。
实施例5
一种用于快速检测镍离子的方法，包括以下步骤：
(1)配制镍离子溶液：使用100mg/L的镍离子母液，配制浓度2mg/L的镍离子溶液；镍离子母液中的镍源为氯化镍。
(2)检测镍离子：将配制好的镍离子溶液取0.2mL滴加到镍离子检测器上，并将其颜色与标准比色卡比对，读出其中镍离子浓度为2mg/L；本实施例中，使用实施例1制备的镍离子检测器和标准比色卡检测镍离子。
实施例6
一种用于快速检测镍离子的方法，包括以下步骤：
(1)配制镍离子溶液：使用100mg/L的镍离子母液，配制浓度5mg/L的镍离子溶液；镍离子母液中的镍源为氯化镍。
(2)检测镍离子：将配制好的镍离子溶液取0.2mL滴加到镍离子检测器上，并将其颜色与标准比色卡比对，读出其中镍离子浓度为5mg/L；本实施例中，使用实施例1制备的镍离子检测器和标准比色卡检测镍离子。
实施例7
一种用于快速检测镍离子的方法，包括以下步骤：
(1)配制镍离子溶液：使用100mg/L的镍离子母液，配制浓度10mg/L的镍离子溶液；镍离子母液中的镍源为氯化镍。
(2)镍离子的检测：将配制好的镍离子溶液取0.2mL滴加到镍离子检测器上，并将其颜色与标准比色卡比对，读出其中镍离子浓度为10mg/L；本实施例中，使用实施例1制备的镍离子检测器和标准比色卡检测镍离子。
实施例8
一种用于快速检测镍离子的方法，包括以下步骤：
(1)配制镍离子溶液：使用100mg/L的镍离子母液，配制浓度20mg/L的镍离子溶液；镍离子母液中的镍源为氯化镍。
(2)检测镍离子：将配制好的镍离子溶液取0.2mL滴加到镍离子检测器上，并将其颜色与标准比色卡比对，读出其中镍离子浓度为20mg/L；本实施例中，使用实施例1制备的镍离子检测器和标准比色卡检测镍离子。
实施例9
一种用于快速检测镍离子的方法，包括以下步骤：
(1)配制镍离子溶液：使用100mg/L的镍离子母液，配制浓度50mg/L的镍离子溶液；镍离子母液中的镍源为氯化镍。
(2)检测镍离子：将配制好的镍离子溶液取0.2mL滴加到镍离子检测器上，并将其颜色与标准比色卡比对，读出其中镍离子浓度为50mg/L；本实施例中，使用实施例1制备的镍离子检测器和标准比色卡检测镍离子。
实施例10
镍离子的最佳pH探究，包括以下步骤：
配制10mg/L的镍离子标准溶液，通过HCI与NaOH调节溶液pH为：1、3、5、7、9、11、13；加入1mL不同pH镍离子溶液与1mL实施例1制备的丁二酮肟碱性溶液，测定其在波峰547nm处的吸光度，结果如图3所示。通过图3可以看出，镍离子的最佳pH为9。
实施例11
镍离子的最佳显色剂浓度探究，包括以下步骤：
配制50mg/L、pH＝9的镍离子标准溶液，配制浓度为2～14mmol/L的显色剂溶液(氢氧化钠的质量浓度为0.1g/L)；加入1mL镍离子标准溶液与1mL不同浓度丁二酮肟碱性溶液，测定其在波峰547处的吸光度，结果如图4所示。通过图4可以看出，显色剂的最佳浓度为8mmol/L。
实施例12
镍离子的溶液的选择性探究，包括以下步骤：
配制一系列5mg/L的16种常见重金属离子，将1mL常见金属溶液、1mL丁二酮肟碱性溶液加入10mL玻璃瓶内，测量该溶液在547nm波长处的吸光度，记录并整理如图5。通过图5可以看出，该方法对镍离子具有很好的选择性。
对比例1
与实施例1相比，区别仅在于，直接采用细菌纤维素膜制备镍离子检测器、标准比色卡。具体步骤如下：
(3)制备镍离子检测器：将细菌纤维素膜浸入至步骤(1)得到的丁二酮肟碱性溶液中，在30℃恒温振荡2小时后洗涤，随后将洗涤至中性的细菌纤维素膜取出放在-80℃冰箱中预冷冻2h后，置于冷冻干燥机中冻干24h，取出将其剪裁5×8mm，得到细菌纤维素镍离子检测器。
其余过程与实施例1一致。
结果表明：细菌纤维素对镍离子的检测限为2mg/L，说明通过羧基化提高了其对镍离子的检测能力。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
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