一种水溶液pH值的测定方法

摘要

本发明涉及一种基于金纳米棒的水溶液pH值测定方法，属于纳米材料技术领域。本方法包括以下步骤：(A)向待测溶液中加入金纳米棒溶液和刻蚀液后连续监测溶液的RGB颜色空间值，分别对应红、绿、蓝颜色分量值，直至刻蚀反应结束；(B)将GRB颜色空间值转换成色调值；(C)在极坐标体系内将色调值对刻蚀反应时间作图，求得色调在刻蚀开始后400秒内的逆转值以及整个刻蚀过程中的最大顺转值；(D)当逆转值小于38°时，将色调值的最大顺转值代入校正曲线实现pH值的测量。本发明提供的方法在测量过程中通过逆转值对金纳米棒的质量进行甄别，剔除不合格的比色探针，从而显著提高测量的精度和准确度。

权利要求

1.一种测量水溶液pH值的方法，包括以下步骤：(A)向待测溶液中加入金纳米棒溶液和刻蚀液后连续监测溶液的RGB颜色空间值，分别对应红、绿、蓝颜色分量值，直至刻蚀反应结束；

(B)将RGB颜色空间值转换成色调值；

(C)在极坐标体系内将色调值对刻蚀反应时间作图，求得色调在整个刻蚀过程中的最大顺转值；

(D)将色调值的最大顺转值代入校正曲线实现pH值的测量；

所述刻蚀液由3.3mM KI和6.6M H2O2组成；

所述色调值H由RGB颜色空间通过以下方式计算：式中，R、G和B分别是红色、绿色和蓝色分量值，maxchannel和minchannel分别为R、G、B分量值的最大和最小值；

所述最大顺转值是指在色调值‑刻蚀时间的极坐标系中顺时针方向变化的最大数值。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，待测溶液的体积为800μL。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，金纳米棒溶液的体积为50～100μL，刻蚀液的体积为100‑150μL。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述刻蚀反应的温度为20～40℃。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述刻蚀反应的时间为1000～2000s。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过刻蚀开始后400秒内极坐标体系中色调值随刻蚀反应时间逆时针变化所产生的逆转值判定实验结果是否有效。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，测量过程中逆转值小于38°时，实验结果有效，将色调值的最大顺转值用于pH值的计算，若逆转值大于38°，则需重新测定。

说明书

一种水溶液pH值的测定方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种基于金纳米棒的水溶液pH值测定方法，属于纳米材料技术领域。

背景技术

[0002] 传统测量溶液pH值的方法包括试纸、pH计等途径，但是，试纸法测量的准确度和分辨率都较差，而pH计需要较大体积的溶液才可以完成测量，而且与之配套的玻璃电极比较
脆弱，保养、活化步骤比较繁琐。

[0003] 金纳米棒(gold nanorods，AuNRs)是纵向伸长的金纳米粒子，具有两个LSPR吸收峰，分别对应于横向和纵向的吸收谱带。由于其极高的摩尔消光系数，金纳米棒是进行比色
法测量pH值的理想探针。但是，金纳米棒作为各向异性的纳米结构，在热力学上有减小长径
比、向纳米球转化的趋势。因此，长期放置之后，AuNRs的形貌分布会变得多元化，产生相当
比例的其它形貌的粒子，称为劣化过程。AuNRs劣化过程严重地影响其作为比色探针测量溶
液pH值的精度和准确度。

发明内容

[0004] 本发明解决的技术问题在于提供一种水相pH值准确的测量方法。发明人实验发现，正常AuNRs在刻蚀过程中的色调值逐渐变大，将色调值对反应时间在极坐标内绘图时，
走向为单调的顺时针方向；并且，不同pH环境下AuNRs刻蚀后，色调值的分辨率以及线性关
系良好。而当使用劣化的AuNRs进行实验时，色调值的分辨率以及线性关系变差。重要的是，
此时色调值在上述极坐标内绘图时显示出不同的走势，在反应初期先逆转，然后在400s之
后开始顺转。根据此现象可以在实验过程中鉴别AuNRs的质量，剔除劣化比色探针，从而提
高pH值测量的准确性。有鉴于此，本专利提供了一种水溶液pH值的测定方法，其特征在于，
包括以下步骤：

[0005] (A)向待测溶液中加入金纳米棒溶液和刻蚀液后连续监测溶液的RGB颜色空间值，分别对应红、绿、蓝颜色分量值，直至刻蚀反应结束；

[0006] (B)将GRB颜色空间值转换成色调值；

[0007] (C)在极坐标体系内将色调值对刻蚀反应时间作图，求得色调在整个刻蚀过程中的最大顺转值；

[0008] (D)将色调值的最大顺转值代入校正曲线实现pH值的测量；

[0009] 所述刻蚀液由3.3mM KI和6.6M H2O2组成；

[0010] 所述色调值(H)由RGB颜色空间通过以下方式计算：

[0011]

[0012] 上式中，R、G和B分别是红色、绿色和蓝色分量值，maxchannel和minchannel分别为R、G、B分量值的最大和最小值；

[0013] 所述最大顺转值是指在色调值‑刻蚀时间的极坐标系中顺时针方向变化的最大数值。

[0014] 优选的，待测溶液的体积为800μL。

[0015] 优选的，金纳米棒溶液的体积为50～100μL，刻蚀液的体积为100～150μL。

[0016] 优选的，所述刻蚀反应的温度为20～40℃。

[0017] 优选的，所述刻蚀反应的时间为1000～2000s。

[0018] 可选的，刻蚀开始后400秒内色调值对刻蚀反应时间的极坐标体系内的变化可能为逆时针变化，可以从图上读出色调值的逆转值。

[0019] 优选的，测量过程中所述逆转值小于38°时，将色调值的最大顺转值用于pH值的计算，若逆转值大于38°时，则此次测量无效，需重新测定。

[0020] 将逆转值作为甄别AuNRs质量是否优良的指标，并把逆转值是否大于38°作为依据，使测量过程中有效剔除不合格的AuNRs比色探针，提高了测量的准确度和线性关系。本
2
说明书中的实施例表明，采用该方法得到的pH测量的标准曲线的相关系数(R)大于0.95，
实验值和理论值的最大偏离小于0.5pH单位。本发明在不借助TEM等大型设备的前提下，实
现AuNRs质量的有效甄别，圆满地解决了由于金纳米棒质量劣化而使测量结果不准的问题，
拓展了AuNRs在测量领域的应用范围。

附图说明

[0021] 图1为实施例1中合成的金纳米棒TEM图。

[0022] 图2为实施例2中新鲜制备的AuNRs作为比色探针在不同pH下刻蚀的色调值‑刻蚀时间的极坐标相应曲线。图中曲线1～7分别对应pH1～7的响应。

[0023] 图3为实施例2中新鲜制备AuNRs作为比色探针刻蚀时的色调值最大顺转值对pH值的校准曲线(误差棒为重复3次的标准偏差)。

[0024] 图4实施例3中老化25天后AuNRs作为比色探针在不同pH下刻蚀的色调值‑刻蚀时间的极坐标相应曲线。图中曲线1～7分别对应pH1～7的响应。

[0025] 图5为实施例2中新鲜制备AuNRs作为比色探针刻蚀时的色调值最大顺转值对pH值的校准曲线(误差棒为重复3次的标准偏差)。

[0026] 图6为实施例3中放置了25天的金纳米棒TEM图。

具体实施方式

[0027] 本专利提供了一种水溶液pH值的测定方法，包括以下步骤：

[0028] 向待测溶液中加入金纳米棒溶液和刻蚀液后连续监测溶液的RGB颜色空间值，分别对应红、绿、蓝颜色分量值，直至刻蚀反应结束；待测溶液的体积为800μL；所述刻蚀液由
3.3mM KI和6.6M H2O2组成；金纳米棒溶液的体积为50‑100μL，刻蚀液的体积为100‑150μL；
所述刻蚀反应的温度为20‑40℃；所述刻蚀反应的时间为1000‑2000s。

[0029] 按照下式将GRB颜色空间值转换成色调值(H)

[0030]

[0031] 式中，R、G和B分别是红色、绿色和蓝色分量值，maxchannel和minchannel分别为R、G、B分量值的最大和最小值；

[0032] 在极坐标体系内将色调值对刻蚀反应时间作图，求得色调在值刻蚀开始后400秒内的逆转值和整个刻蚀过程中的最大顺转值；所述逆转值是指在色调值‑刻蚀时间的极坐
标系中逆时针方向变化的数值(°)，所述最大顺转值是指在色调值‑刻蚀时间的极坐标系中
顺时针方向变化的最大数值(°)。

[0033] 测量过程中逆转值小于38°时，将色调值的最大顺转值代入校正曲线用于pH值的计算，若逆转值大于38°，则此次测量无效，需重新测定。

[0034] 为进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的水溶液pH值的测定方法进行详细说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。

[0035] 下属实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径购得。

[0036] 实施例1

[0037] 1.1金纳米棒的制备

[0038] 本说明所用的AuNRs通过种子合成法制备。

[0039] 种子溶液由如下步骤制备：在25mL的圆底烧瓶中混合25μL HAuCl4(50mM)和5mL CTAB(0.1M)。缓慢搅拌5分钟后，加入新鲜制备的300μL NaBH4冰溶液(0.01M)，然后剧烈搅
拌30秒。最终，将其置于30℃的水浴中孵育1h即可得种子溶液。

[0040] 生长溶液的制备方法如下：200μL HCl(1M)、100μL HAuCl4(50mM)和10mL CTAB(0.1M)加入到50mL的玻璃圆底烧瓶中，轻轻搅拌。最后，加入120μL AgNO3(10mM)和100μL抗
坏血酸(100mM)即可制得种子生长液。

[0041] 制备AuNRs时，将24μL种子溶液注入上述种子生长液中并剧烈搅拌30s，然后在30℃的水浴中孵育24小时等待其生长完成。10mL的AuNRs离心(10000转/分，15分)，使用超纯
水洗涤两次，最后分散在2mL的CTAB(10mM)中。

[0042] 1.2金纳米棒的表征

[0043] AuNRs形貌使用TF20透射电子显微镜进行表征。图1显示，所合成的金纳米棒长度约为40nm，直径约为10nm，新合成的AuNRs外形规整、匀称。

[0044] 实施例2

[0045] 本实施例采用实施例1合成的AuNRs进行pH值的检测。AuNRs溶液为新鲜配制，待测溶液分别为pH值为1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0的标准溶液，刻蚀液由3.3mM KI和6.6M 
H2O2组成。

[0046] 向800μL不同pH值的溶液中加入100μL AuNRs溶液和100μL刻蚀液，剧烈摇动混匀后转移入比色皿中，刻蚀温度为20℃，刻蚀时间为1500s，使用TCS3200颜色传感器(TAOS公
司，美国)进行监测，连续采集RGB信号，按照下式将RGB值转换成色调值H

[0047]

[0048] 公式(1)中R、G和B分别是红色、绿色和蓝色的分量值，Maxchannel和minchannel是红色、绿色和蓝色通道中的最大和最小强度。

[0049] 用新配制的AuNRs作为比色探针，刻蚀过程中色调值‑反应时间在极坐标内绘图时，发现其走向为顺时针方向(顺转)，曲线平滑，分辨率良好，中间没有逆时针走向过程(图
2)。将最大色调值对pH值作图，可以发现在pH＝1‑7的范围内有良好的线性(图3)，相关系数
2
R＝0.987，线性方程为y＝‑38.22x+427.34(其中x为pH值，y为色调值)。

[0050] 将图3中实测的pH值与校正曲线的计算值相比较，得到的偏离值列于表1，结果显示，采用新鲜配制的AuNRs作为比色探针测量pH值时，与线性校正曲线的最大偏离为
0.281pH单位，与校正曲线符合度高。

[0051] 表1新鲜配制的AuNRs比色探针的实验数据

[0052]

[0053] 实施例3

[0054] 本实施例采用长时间常温放置(老化)后的AuNRs作为比色探针进行pH值测量。

[0055] 实施例1中合成的AuNRs室温放置25天后，将其作为比色探针，采用与实施例2相同的条件进行水溶液pH值的测量。实验发现，放置25天后的AuNRs进行实验时显示出不同的响
应图样(图4)，其响应在反应初期先逆时针旋转，然后在400s之后开始顺时针旋转。这一现
象在每个已经测试的pH值下表现一致。总体上，变化曲线之间的分辨率较差。

[0056] 将最大色调值对pH值作图，可以发现在pH＝1‑7的范围内线性关系较差(图5)，校2
正曲线拥有较低的线性相关系数(R＝0.927，小于0.95)，线性方程为y＝‑23.96x+368.72。
和实施例2中新鲜配制的AuNRs相比，老化后的AuNRs作为探针测量水溶液pH值时校正曲线
斜率的绝对值低，说明灵敏度降低。

[0057] 将图5中实测的pH值与校正曲线的值相比较，得到的偏离值列于表2，结果显示，常温放置25天后的AuNRs作为比色探针测量pH值时，与线性校正曲线的最大偏离为1.00pH单
位，与校正曲线符合度差。将图4中400s内的逆转值列入表中，发现在极坐标系中逆转值介
于156.9°～168.2°。

[0058] 表2放置25天的AuNRs比色探针的实验数据

[0059]

[0060] 对本实施例中的AuNRs进行TEM表征，发现这些放置了25天之后的AuNRs发生了劣化现象，只有52.9％的纳米粒子为棒状，30.2％转变为纳米立方，而剩余的16.9％为不规则
的纳米结构。由于纳米立方和不规则的纳米结构光学性质与纳米棒有显著的差别，因此，该
AuNRs已经不适合作为测量pH值的比色传感器。

[0061] 实施例4

[0062] 本实施例探究以下内容：(1)AuNRs的劣化程度对水相pH值测量结果的影响；(2)AuNRs的劣化程度对逆转值的影响；(3)以逆转值为指标，选择合适的AuNRs比色探针对水溶
液pH进行准确测量的可行性；(4)通过实验结果求出合格AuNRs比色探针的逆转值阈值。

[0063] AuNRs溶液分别为新鲜配制、室温放置5、10、15、20、25天的AuNRs溶液，待测溶液分别为pH值为1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0的标准溶液，刻蚀液由3.3mM KI和6.6MH2O2组
成。

[0064] 依次将上述每一种AuNRs溶液用作比色探针，通过刻蚀反应测量pH1.0‑pH7.0系列标准溶液的响应。实验条件如下：

[0065] 向800μL不同pH值(pH1.0～pH7.0)的一系列溶液中分别加入50μL AuNRs溶液和150μL刻蚀液，剧烈摇动混匀后转移入比色皿中，刻蚀温度为40℃，刻蚀时间为1000s，使用
TCS3200颜色传感器进行监测，连续采集RGB信号，按照公式(1)将RGB值转换成色调值H。对
于每一个pH的待测溶液，将测得的色调值H对反应时间在极坐标内绘图，读出其逆转值和最
大顺转值(最大色调值)。比较pH1.0～pH7.0的7个溶液刻蚀过程中H的逆转值，其最大值为
最大逆转值，录于表3。将7个待测溶液的最大色调值对相应的pH值回归，得到回归方程和线
2 2
性相关系数(R)，将R 录于表3。将每一个待测溶液实测的pH值与校正曲线的计算pH值相比
较，得到该溶液的实验偏离值，比较7个待测溶液的实验偏离值，取最大实验偏离值录于表
3。

[0066] 表3 AuNRs劣化程度对pH值测量的影响

[0067]

[0068] 表3的实验结果表明，随着AuNRs在室温下放置天数的增加，最大逆转值逐渐增大，表明劣化逐渐严重。同时，随着放置天数的增加，用此纳米棒作为比色探针测量水溶液pH值
2
的线性关系也越来越差，表现为相关系数(R)越来越小，最大实验偏离(以pH单位计)也越
来越大。

[0069] 根据上述实验结果，理论上应该用新鲜配制的AuNRs作为比色探针测量水溶液pH值，但是，AuNRs的合成过程较长；而且，HAuCl4试剂比较昂贵，如果只用新鲜配制的AuNRs会
造成较大的浪费；再者，由于不同操作人员技术熟练程度的差异，合成的AuNRs的品质也有
差异，不能保证所有新合成的AuNRs都有良好的品质。因此，找出一种合适的AuNRs质量评价
指标是一项重要而有意义的工作。

[0070] 由于最大逆转值与AuNRs的劣化程度之间有较好的相关性，本申请用其作为判断2
AuNRs品质的依据。根据pH值测量的相关要求，在本申请涉及的实际测量中，要求R≥0.95
且最大实验偏差≤0.5pH。

[0071] 根据上述要求，通过表3的实验数据可知，合格的AuNRs比色探针的逆转值应≤38°。

[0072] 实施例5

[0073] 本实施例展示将逆转值≤38°作为合格的AuNRs比色探针挑选依据，用于水溶液pH值测量的结果。

[0074] AuNRs溶液分别为室温放置5、10、15、20、25天的AuNRs溶液，待测溶液分别为pH值为1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0的标准溶液，刻蚀液由3.3mM KI和6.6M H2O2组成。

[0075] 实验条件如下：800μL待测溶液中分别加入50μL AuNRs溶液和150μL刻蚀液，剧烈摇动混匀后转移入比色皿中，刻蚀温度为20℃，刻蚀时间为2000s。余同实施例4。

[0076] 实验由甲乙二人同时操作，在测定7种pH标准溶液过程中，将5种AuNRs溶液编号，隐去与其质量相关的信息，实验中随机取用。

[0077] 甲在测量过程中虽然测量逆转值，但不通过逆转值对AuNRs的质量进行甄别，实验结果直接进行回归计算。

[0078] 乙在测量过程中随机取用AuNRs溶液，通过逆转值对AuNRs的质量进行甄别，如果某AuNRs作为比色探针在刻蚀过程中的逆转值<38°，则判定该AuNRs质量为合格，继续实验；
否则另取AuNRs溶液重新进行测定。

[0079] 表4AuNRs随机取用(甲)和质量甄别(乙)对实验结果的影响

[0080]

[0081] 甲乙二人的实验结果如表4。数据说明，不同质量的AuNRs随机取用，如不作甄别，校正曲线的相关系数为0.937，小于行业内一般0.95的要求；最大实验偏离为0.850pH单位，
大于设定的偏离值(0.50pH单位)。如果以逆转值≤38°为依据，测量过程中对AuNRs质量进
行甄别，剔除不合格的比色探针，可以显著提高测量的精度和准确度，测得的校正曲线的相
关系数提高至0.975，最大实验偏离降低至0.324pH单位，符合行业设定的要求。

[0082] 以上实施例中的实验结果说明了本发明方法在以AuNRs为比色探针测量水溶液pH值时的有效性。