CN105241878B

CN105241878B - 一种基于毛细现象与纳米银识别原理的醛类速测器件及其制备方法和应用

Info

Publication number: CN105241878B
Application number: CN201510720000.3A
Authority: CN
Inventors: 王桦; 孙宗招; 徐禄禄; 刘静慧; 赵跃峰; 刘燕
Original assignee: Qufu Normal University
Current assignee: Qufu Normal University
Priority date: 2015-10-30
Filing date: 2015-10-30
Publication date: 2017-10-24
Anticipated expiration: 2035-10-30
Also published as: CN105241878A

Abstract

本发明公开一种基于毛细现象与银纳米复合材料识别原理的醛类速测器件，由毛细管和固化于毛细管内表面的银纳米复合材料构成，银纳米复合材料为明胶包裹的银离子和银纳米颗粒。同时还提供了其制备方法和应用。通过在处理过的毛细管内壁修饰明胶包裹的银纳米复合材料，进而借助被测样品中醛类化合物与管壁上银纳米复合材料发生可视化颜色反应，实现对水产品中醛类的定量分析，不涉及复杂光电仪器使用。采用的毛细管平台具有廉价、便携、呈现一体化设计特点，具有操作简单、检测时间短、灵敏度高、试样用量少、装置便携、样品用量少等优点，可实现对水产品中醛类（如甲醛）的现场速测。

Description

一种基于毛细现象与纳米银识别原理的醛类速测器件及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于分析化学技术领域，涉及一种基于毛细现象与纳米银识别原理的醛类速测器件及其制备方法和应用。

背景技术

食品安全是重大的民生问题, 与广大人民的身体健康以及社会的和谐稳定息息相关。特别是, 自从党的“十八大”提出“生态文明”的奋斗目标以来，保障食品和环境安全已成为我国经济社会发展中一项重大而紧迫的任务。特别是近年来，近河和近海环境污染（含生产中非法添加物）形势日趋严峻，环境毒物随水产品生态链进入人体而致中毒事件时有发生。因此，研发水产品的有效监管技术并促进水产行业健康发展成为当务之急。

甲醛等醛类是工业领域常用的一种粘合剂，特别是在建筑材料中，如木质家具，油漆等。长期使用接触这些材料，会使室内甲醛浓度逐渐积累，到一定程度就会危害人体的健康。例如，研究发现甲醛与室内空气综合症有关，如眼鼻刺激，疲劳，头痛和咳嗽。目前，不只是室内甲醛污染需要人们关注，食品中如鱼贝类水产品潜在的毒物中，以醛类物质的危害最为严重和常见。研究表明，水产品中加入甲醛等醛类物质以防腐，如甲醛溶液（俗称***），长期接触***可能会导致癌症。微量甲醛在人体中积累可能会导致细胞变性。所以甲醛已被世界卫生组织列为一种“疑似致癌物质”。目前，检测食品与环境中甲醛的方法主要有色谱分析法、电泳法、荧光分析、以酶为基础的生物传感器和以金属氧化物基础的气体传感器。这些技术虽选择性和灵敏度高，但存在仪器贵重、操作复杂、分析速度慢、难以现场监测应用等局限性。近年来出现了采用比色检测甲醛的方法，但用于食品（如水产品）中甲醛的速测技术才刚刚起步。例如，科研人员用浸有托伦斯试剂和ATP的全氟磺酸膜片比色检测了甲醛。但该方法检测时长长达1小时，极大影响了其检测灵敏度。Suslick等通过伯胺与甲醛的反应设计了一种快速检测甲醛的方法。虽然该方法能实现可逆检测，但是必须依赖于一系列的pH指示剂和大量的统计信息；此外，Jingbin Zeng等开发的一种琼脂焦糖为基础的比色检测甲醛的方法，但该方法主要依托于托伦斯试剂，其稳定性欠佳。因此，开发一种快速检测，灵敏实用，操作简便且能现场应用的便携式检测甲醛的方法具有重要的意义。

玻璃毛细管一般是内径等于或小于1.0 毫米的玻璃细管，因管径有的细如毛发故称毛细管。毛细管的一些特殊性质及成本低等优点而被应用于各种研究分析中。例如，毛细管电泳是一类以毛细管为分离通道、以高压高直流电场为驱动力的常见液相分离分析技术，包含电泳、色谱及其交叉内容。此外，基于毛细管的传感器也被应用于光化学检测和电化学分析，例如《Determination of pyruvic acid by using enzymic fluorescencecapillary analysis 》提出了一种基于酶催化反应的丙酮酸“荧光毛细分析法(FCA)”。该方法采用一个专用支架和常规医用毛细管，用以替代传统荧光池, 实现了对微量样品中丙酮酸的分析，但需要外来动力以吸取样品，并需使用大型荧光仪才能完成测定操作。最近，《Development of a long-life capillary enzyme bioreactor for the determinationof blood glucose》构建了一种以毛细管为反应器的酶催化反应分析装置用于血糖的检测，该装置通过在毛细管壁表面固定葡萄糖氧化酶，实现对血液中葡萄糖的电化学测定。但是，目前这些分析方法中，毛细管仅是样品分离通道或活性物质（如酶）的固定化表面，样品的吸入尚需使用流动注射或泵等辅件，均未涉及毛细管的毛细现象，同时，尚需依赖外来信号检测仪器（如荧光仪和电化学仪）才能完成定量分析，不能快速、直观地获取定量分析结果。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述缺点，以普通毛细管作为检测平台，提供一种简便、灵敏、快速、廉价、可现场应用的便携式醛类速测器件。

本发明还提供了上述醛类速测器件制备方法，采用一锅式反应途径合成明胶包裹的银纳米复合材料（包含银离子和银纳米颗粒的混合物），并固化于毛细管内表面。

本发明醛类速测器件主要用于水产品中醛类含量的速测。

本发明技术方案如下：

一种基于毛细现象与纳米银识别原理的醛类速测器件，其特征在于：由毛细管和固化于毛细管内表面的银纳米复合材料构成，毛细管内表面的银纳米复合材料负载量为2.0×10^-4～3.2×10^-4mg/mm²；所述的银纳米复合材料为银离子和银纳米颗粒的混合物，银纳米复合材料外表面包裹有明胶。

所述的毛细管内径为0.9～1.1mm，厚度为0.10～0.15mm，长度为10cm，材质为玻璃。

所述的醛类速测器件，毛细管内初始颜色为无色。

上述基于毛细现象与纳米银识别原理的醛类速测器件的制备方法，包括以下步骤：

1）制备明胶包裹的银纳米复合材料：

将20 mM/L 的硝酸银水溶液和质量分数4 %的明胶水溶液按体积比0.2~0.6：1，混合均匀，37 ℃温育搅拌并避光反应2～3 h，然后将反应液于-20～-10 ℃低温冷冻20～30min终止反应，得凝固态的明胶包裹的银纳米复合材料，备用；

2）银纳米复合材料固化于毛细管内表面：

a)将毛细管在体积比为2.5~4.0：1的硫酸-过氧化氢混合液中浸泡10～12 h，再分别用蒸馏水和无水乙醇清洗三次，然后将毛细管置于体积分数6%的3-氨丙基三乙氧基硅烷（APTES）-乙醇溶液中浸泡10～12 h，毛细管取出后用乙醇冲洗三次，烘干备用；

b)将步骤1）制备的银纳米复合材料升温至35 ℃转变为液态溶液，并用0.01 M/L的氢氧化钠水溶液调节溶液pH为10.0～11.0，然后取20～40 μL溶液加入到步骤a)处理后的毛细管中，使溶液均匀覆盖于毛细管内壁后，于37 ℃温育30～40 min，吹出毛细管内剩余溶液，得醛类速测器件。

步骤b)所述溶液用注射器注射到毛细管中。

所述的醛类速测器件置于4 ℃保存。

本发明基于毛细现象与银纳米复合材料识别原理的醛类速测器件的应用：用于样品中醛类总含量的速测，优选水产品中甲醛含量的速测。由于实际样品中醛类通常并不是以单一的醛（如甲醛，乙醛）存在，因此在检测过程中不易做到单一醛类的检测。另外，本发明速测器件是关于醛类的快速检测，而甲醛作为一种防腐剂和保鲜剂，应用比较广泛，在水产品中含量很高，可做为典型检测。

所述的应用，步骤如下：

1）建立标准色彩对照图谱：配制浓度梯度含醛类的标准溶液，将醛类速测器件***配制的标准溶液中，固化于毛细管内表面的银纳米复合材料与吸入毛细管内的醛类进行显色反应，静置7～8 min，颜色稳定后，将反应后的颜色与标准溶液浓度一一对应，建立标准色彩对照图谱；

2）样品检测：待测样品经超声波细胞粉碎机粉碎，然后加水浸泡2～3h，样品在水中浓度为150 mg/L，取上清液，用水稀释10～100倍，***醛类速测器件，固化于毛细管内表面的银纳米复合材料进行显色反应，静置7～8 min，颜色稳定后，将反应后颜色与步骤1）建立的标准色彩对照图谱颜色比对，确定样品中醛类的浓度。

所述的应用，醛类速测器件对醛类的最低检测限为2.0nM。

本发明涉及的明胶包裹的银纳米复合材料对醛类响应机理，以甲醛为例：明胶包裹的银纳米复合材料被固化于毛细管内壁，其中银离子在银纳米颗粒催化下，与毛细管吸取的样品中醛类发生还原反应，所形成的银单质附着于银纳米颗粒表面长大并形成可视化变色，与标准毛细管颜色比对，通过标准色彩对照图谱确定其浓度，实现对醛类可视化的速测，显色反应的机理示意图如图1所示，所涉及的显色反应式为：

。

本发明基于毛细现象与银纳米复合材料识别原理的醛类（如甲醛）速测器件，以毛细管为载体并采用化学和物理方法进行特殊处理和功能化，构成与便携式或微型化光电信号输出器件相匹配的传感速测平台；本发明还提供了上述醛类速测器件制备方法，采用一锅式反应途径合成明胶包裹的银纳米复合材料（包含银离子和银纳米颗粒的混合物），由于明胶独特的溶胶-凝胶转换特性（35 ℃以下为固体，以上为液体），因此，借助低温（-20 ℃）速冻适时终止明胶还原银离子的反应，得包含明胶、银离子和银纳米颗粒的纳米复合材料，并将其固化于毛细管内壁，得醛类速测器件，经称量计算，60 %～80 %的银纳米复合材料将固定在毛细管内壁。上述醛类速测器件的应用，是借助毛细管的毛细现象自动吸取样品，进而利用其催化包裹的银离子与样品中醛基的特异性还原变色反应，实现对鱼贝类等水产品中醛类的现场速测，具有简便、灵敏、快速、廉价、可现场应用、便携等优点。

本发明与现有技术相比，其有益效果为：

（1）通过在处理过的毛细管内壁修饰明胶包裹的银纳米复合材料（包含银离子和银纳米颗粒的混合物），进而借助被测样品中醛类化合物与管壁上银纳米复合材料结合发生可视化颜色变化，实现对水产品中醛类的定量分析，不涉及复杂光电仪器使用。

（2）采用的毛细管平台具有廉价、便携、呈现一体化设计特点，既是被测液容器和反应容器，又是功能识别分子的固定化载体；同时，借助毛细管的毛细现象，自助吸取样品，其定量方式直观、快捷，可通过毛细管中颜色变化程度进行定量分析。

（3）具有操作简单、检测时间短、灵敏度高、试样用量少、装置便携、样品用量少等优点，可实现对水产品中醛类（如甲醛）的现场速测。

附图说明

图1为本发明醛类速测器件显色反应的机理示意图；

图2为本发明醛类速测器件检测甲醛的吸光度-浓度标准曲线；

图3为本发明醛类速测器件检测甲醛的标准色彩对照图谱。

具体实施方式

下面通过具体实施例进一步说明本发明的技术方案。

实施例1

制备醛类速测器件方法，包括以下步骤：

1）制备明胶包裹的银纳米复合材料：

将20mM/L的硝酸银水溶液和质量分数4%的明胶水溶液按体积比0.4:1混合均匀，于37 ℃温育搅拌并避光反应2 h，然后将反应液移至-15 ℃低温冷冻25 min，终止明胶还原银离子的反应，得明胶包裹的银纳米复合材料，备用；

2）银纳米复合材料固化于毛细管内表面：

a)将毛细管在体积比为3 ：1的硫酸-过氧化氢混合液中浸泡12 h，再分别用蒸馏水和无水乙醇清洗三次，然后将毛细管置于体积分数6 %的3-氨丙基三乙氧基硅烷（APTES）-乙醇溶液中浸泡12 h，毛细管取出后用乙醇冲洗三次，烘干备用；

b)将步骤1）制备的500 μL银纳米复合材料升温至35 ℃转变为液态溶液，即溶胶状态，用0.01 M/L的氢氧化钠水溶液调节溶液pH为10.0～11.0，然后用注射器吸取20 μL溶液注射到步骤a) 处理后的毛细管中，放平并转动毛细管，溶液均匀覆盖于毛细管内壁后，于37 ℃温育30 min，吹出毛细管内剩余溶液，得醛类速测器件，置于4 ℃保存。

实施例1基于毛细现象与纳米银识别原理的醛类速测器件，由毛细管和固化于毛细管内表面的银纳米复合材料构成，银纳米复合材料为银离子和银纳米颗粒的混合物，银纳米复合材料外表面包裹有明胶；毛细管内表面的银纳米复合材料负载量为2.0×10^-4～3.2×10^-4mg/mm²；毛细管内径为：1.0 mm，厚度为0.15 mm，长度为10 cm，材质为玻璃，毛细管内初始颜色为无色。

本发明醛类速测器件性能验证，以实施例1制备的醛类速测器件用于检测甲醛为例：

建立标准曲线与标准色彩对照图谱：配制浓度梯度含甲醛-水的标准溶液，甲醛浓度依次为2 nM/L、10 nM/L、20 nM/L、50 nM/L、100 nM/L、200 nM/L、400 nM/L和800 nM/L，将醛类速测器件分别***配制的标准溶液中，固化于毛细管内表面的银纳米复合材料与吸入毛细管内的甲醛进行显色反应，静置7~8 min，颜色不再变化后，吹出管中液体。

1）测定显色毛细管中液体的吸光度，建立吸光度与甲醛浓度的标准曲线，如图2所示；

2）记录显色后毛细管颜色，将反应后的颜色与甲醛标准溶液浓度一一对应，建立本发明醛类速测器件检测甲醛的标准色彩对照图谱，如图3所示。

从图2和3可以看出，本发明实施例1制备的醛类速测器件检测甲醛时，在10 nM～800 nM浓度范围内呈现良好的线性关系，相关系数0.9865，最低检测限为2.0 nM。图3建立的醛类速测器件检测甲醛的标准色彩对照图谱，可作为显色标准，与其他样品的甲醛检测结果对比，定量的检测甲醛。

采用本发明实施例1制备的醛类速测器件速测常见水产品中醛类（以甲醛为例）含量。

实施例2：活鲜鱼中醛类含量的速测

以新鲜鲫鱼测甲醛为例。在市场随机取样，选取鲫鱼部分鱼体用超声波细胞粉碎机粉碎，加水至样品浓度为150 mg/L，浸泡3 h，取浸泡上清液，用水稀释10倍，***醛类速测器件，固化于毛细管内表面的银纳米复合材料进行显色反应，静置7～8 min，颜色稳定后，将反应后颜色与图3标准色彩对照图谱颜色比对，确定鲫鱼样品中甲醛的浓度。

结果验证：测定上述鲫鱼样品显色后的毛细管吸光度，并根据图2甲醛的吸光度-浓度标准曲线计算甲醛浓度，与根据标准色彩对照图谱颜色比对的甲醛的浓度相符合。

其它鱼类中醛类均以这种方法测出，结果如下表1：

表1活鲜鱼中甲醛含量速测结果

实施例3：冷冻鱼中醛类含量的速测

在超市中随机取冷冻鱼，检测方法同实施例2，得出冷冻鱼中醛类含量，结果见表2。

结果验证：测定上述鱼类样品显色后的毛细管吸光度，并根据醛类的吸光度-浓度标准曲线计算醛类浓度，与根据标准色彩对照图谱颜色比对的醛类的浓度相符合。

表2冷冻鱼中醛类含量速测结果

实施例4：贝类醛类含量的速测

以扇贝中速测甲醛为例，在超市中随机取扇贝，检测方法同实施例2，得出扇贝中醛类含量，结果见表3。

结果验证：测定上述扇贝样品显色后的毛细管吸光度，并根据甲醛的吸光度-浓度标准曲线计算甲醛浓度，与根据标准色彩对照图谱颜色比对的甲醛的浓度相符合。

其它贝类中醛类含量均以这种方法测出，结果如下表3：

表3贝类中醛类含量速测结果

Claims

1.一种基于毛细现象与纳米银识别原理的甲醛速测器件，其特征在于：由毛细管和固化于毛细管内表面的银纳米复合材料构成，毛细管内表面的银纳米复合材料负载量为2.0×10^-4～3.2×10^-4mg/mm²；所述的银纳米复合材料为银离子和银纳米颗粒的混合物，银纳米复合材料外表面包裹有明胶。

2.根据权利要求1所述的甲醛速测器件，其特征在于：所述的毛细管内径为0.9～1.1mm，厚度为0.10～0.15 mm，长度为10 cm，材质为玻璃。

3.根据权利要求1所述的甲醛速测器件，其特征在于：所述的甲醛速测器件，毛细管内初始颜色为无色。

4.一种权利要求1-3任一项所述甲醛速测器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）制备明胶包裹的银纳米复合材料：

将20 mM/L 的硝酸银水溶液和质量分数4%的明胶水溶液按体积比0.2～0.6：1，混合均匀，37 ℃温育搅拌并避光反应2～3 h，然后将反应液于-20～-10 ℃低温冷冻20～30 min终止反应，得凝固态的明胶包裹的银纳米复合材料，备用；

2）银纳米复合材料固化于毛细管内表面：

a)将毛细管在体积比为2.5～4.0：1的硫酸-过氧化氢混合液中浸泡10～12 h，再分别用蒸馏水和无水乙醇清洗三次，然后将毛细管置于体积分数6%的3-氨丙基三乙氧基硅烷-乙醇溶液中浸泡10～12 h，毛细管取出后用乙醇冲洗三次，烘干备用；

b)将步骤1）制备的银纳米复合材料升温至35 ℃转变为液态溶液，并用0.01 M/L的氢氧化钠水溶液调节溶液pH为10.0～11.0，然后取20～40 μL溶液加入到步骤a)处理后的毛细管中，溶液均匀覆盖于毛细管内壁后，于37 ℃温育30～40 min，吹出毛细管内剩余溶液，得甲醛速测器件。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述的甲醛速测器件置于4 ℃保存。

6.一种权利要求1-3任一项所述甲醛速测器件的应用，其特征在于：用于样品中甲醛总含量的速测。

7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于：用于水产品中甲醛含量的速测。

8.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，步骤如下：

1）建立标准色彩对照图谱：配制浓度梯度含甲醛的标准溶液，将甲醛速测器件***配制的标准溶液中，固化于毛细管内表面的银纳米复合材料与吸入毛细管内的甲醛进行显色反应，静置7～8 min，颜色稳定后，将反应后的颜色与标准溶液浓度一一对应，建立标准色彩对照图谱；

2）样品检测：待测样品经超声波细胞粉碎机粉碎，然后加水浸泡2～3h，样品在水中浓度为150 mg/L，取上清液，用水稀释10～100倍，***甲醛速测器件，固化于毛细管内表面的银纳米复合材料进行显色反应，静置7～8 min，颜色稳定后，将反应后颜色与步骤1）建立的标准色彩对照图谱颜色比对，确定样品中甲醛的浓度。

9.根据权利要求6所述的应用，其特征在于：甲醛速测器件对甲醛的最低检测限为2.0nM。