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法律状态
2022-06-28
公开
发明专利申请公布
技术领域
本发明属于食品和环境检测技术领域，具体涉及一种染料功能化的柔性上转换发光固相传感器的制备方法及其应用。
背景技术
气体污染物及其衍生物(简称气体污染衍生物)与人类生活息息相关，包括在环境、生理、食品加工等方面。气体污染衍生物指被排放空气或水中对人体存在隐患的气体，如一氧化碳、二氧化硫、二氧化碳等在水和空气中发生化学反应产生的一系列衍生物质。这些气体主要来自火山爆发、废气排放等。这些气体虽对人体存在隐患，但合理控制并应用于其他方面也会有助人类生活。如内源性二氧化硫与人体中的心血管系统、肺、肾等功能有关；亚硫酸盐还被广泛用作防腐剂和抗氧化剂添加剂，可抑制微生物的生长和食品中的过度氧化。
中国国家标准GB 3095-2012规定了气体污染物的浓度。以往针对气体污染衍生物的检测，如二氧化硫有粒子色谱法、紫外荧光法；二氧化碳有直接光谱吸收法、调制光谱吸收法等；存在操作过于复杂、难度较高、检测成本较高难点，且只能针对一个或者几种气体污染物，无法满足多种气体浓度快速、经济、特异性的检测要求。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种用于气体污染衍生物检测的上转换发光固相传感器的制备方法，以满足上述的检测需求，实现对食品和环境中气体污染衍生物的快速、特异性检测。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
步骤一，制备上转换荧光纳米粒子：
在甲醇A中加入六水氯化镱、六水氯化钇和六水氯化铥，通过超声使其混合均匀；然后再加入油酸和1-十八烯后，于一定温度条件下进行第一次搅拌，搅拌后冷却至室温，再滴加入氢氧化钠、氟化铵和甲醇B，密封后进行加热处理，加热处理后，升至一定温度后进行第二次搅拌，搅拌后冷却至室温，经离心分离得到上转换纳米粒子沉淀，并用环己烷和乙醇的混合溶液清洗，干燥后即得到上转换荧光纳米粒子；
步骤二，制备上转换纳米粒子掺杂的固相传感器：
将聚二甲基硅氧烷单体与固化剂混合，得到的物质记为混合物A；在混合物A中加入步骤一制备的上转换荧光纳米粒子，搅拌均匀形成凝胶，经真空脱气后将凝胶浇筑进模具后并再次真空脱气，使用盖板压实模具，再经干燥处理使凝胶凝固，凝固后冷却至室温，得到上转换纳米粒子掺杂的固相传感器；
步骤三：制备染料功能化的柔性上转换发光固相传感器：
将高碘酸钠、苯甲醇、丙烯酸、水按一定比例混合成溶液A，再将步骤二制备上转换纳米粒子掺杂的固相传感器浸入其中，在紫外灯照射后，用蒸馏水进行第一次清洗，清洗后得到表面修饰羧基的上转换纳米粒子掺杂的固相传感器；
将1-3-二甲基氨酰亚胺丙基-3-乙基碳二酰亚胺盐酸盐、羟基琥珀酰亚胺、蒸馏水、吗啉乙磺酸缓冲液混合得到溶液B，然后将表面修饰羧基的上转换纳米粒子掺杂的固相传感器浸入溶液B中进行孵育，孵育结束后用蒸馏水进行第二次清洗，得到表面羧基活化的固相传感器；再将其完全浸泡在副蔷薇苯胺溶液中进行孵育，孵育后用蒸馏水进行第三次清洗，清洗后得到染料功能化的柔性上转换发光固相传感器。
进一步地，步骤一中所述甲醇A、六水氯化镱、六水氯化钇和六水氯化铥的用量比为5mL-15mL：0.03g-0.1g：0.2-1g：0.001g-0.01g；所述甲醇A、油酸、1-十八烯的用量比为5mL-15mL：3mL-10mL：10mL-20mL；所述甲醇A、氢氧化钠、氟化铵和甲醇B的用量比为5mL-15mL：0.1g-0.3g：0.1g-0.3g：5mL-15mL；所述环己烷和乙醇的体积比为1:1。
进一步地，步骤一中所述一定温度条件下进行第一次搅拌的温度为150-170℃，所述第一次搅拌具体是在与氮气反应的环境下进行磁力搅拌25-35min；所述密封后进行加热处理的加热温度为50-80℃，加热时间为30-50min；所述升至一定温度后进行第二次搅拌的温度为290-310℃，搅拌的时间为50-70min。
进一步地，步骤二中，所述聚二甲基硅氧烷单体与固化剂的质量比为5-15:1-3；所述上转换荧光纳米粒子与混合物A的质量比为1:500；所述干燥处理的温度为90-110℃，干燥时间为50-70min。
进一步地，步骤三中，所述溶液A中高碘酸钠、苯甲醇、丙烯酸和水的用量比为0.01-0.02g：0.5-0.8g：8-12g：85-95g；所述紫外灯照射的时间为2-3h；所述第一次清洗的温度为65-75℃。
所述1-3-二甲基氨酰亚胺丙基-3-乙基碳二酰亚胺盐酸盐、羟基琥珀酰亚胺、蒸馏水、吗啉乙磺酸缓冲液的用量比为10-30mg：5-15mg：0.5-1.5mL：0.3-0.6mL；所述浸入溶液B中进行孵育的时间为2h；所述第二次清洗的温度为室温；所述副蔷薇苯胺溶液浓度为0.01～0.05mg/mL；所述浸泡在副蔷薇苯胺溶液中进行孵育的时间为11-13h；所述第三次清洗的温度为室温。
本发明还提供一种染料功能化的柔性上转换发光固相传感器用于气体污染衍生物检测的用途，步骤如下：
(1)气体污染衍生物浓度预测模型的建立：
将染料功能化的柔性上转换发光固相传感器加入不同浓度的气体污染衍生物标准溶液中反应一段时间，不同浓度的标准溶液与染料功能化的柔性上转换发光固相传感器为一一对应关系；反应结束后，用氮气吹干并测量固相传感器的荧光强度信号特征值；以气体污染衍生物标准溶液浓度和荧光强度信号特征值进行线性拟合，建立气体污染衍生物浓度检测的预测模型；
(2)食品和环境样本中气体污染衍生物浓度检测：
将食品和环境样本经预处理，提取得到含有气体污染衍生物的溶液，然后浸入染料功能化的柔性上转换发光固相传感器反应一段时间，反应结束后，用氮气吹干并测量固相传感器的荧光强度信号特征值；将测定的荧光强度信号特征值，带入步骤(1)所建立的预测模型，计算出食品和环境样本中气体污染衍生物的浓度。
进一步地，步骤(1)中，所述气体污染衍生物标准溶液的浓度为0nM-100nM。
进一步地，步骤(2)中，所述气体污染衍生物包括二氧化硫及其衍生物、一氧化碳及其衍生物、臭氧及其衍生物。
进一步地，步骤(1)～(2)中，所述的反应一段时间均为9-11min。
本发明具有以下有益效果：
(1)本发明公开了一种柔性发光固相传感器制备方法，具体是通过高温热分解法合成上转换纳米粒子与固相传感器均匀混合，加入固化剂，用模具成型得到上转换纳米粒子掺杂的固相上转换发光传感器；制作环境、制作方法易实现。
(2)本发明公开了一种气体污染衍生物的检测方法，是基于柔性发光固相传感器对气体污染衍生物进行检测，具体是通过碳基氨反应制成的染料功能化柔性上转换发光固相传感器中的副蔷薇苯胺染料与上转换纳米粒子分别作为荧光内滤效应的荧光受体和荧光供体；实现精确快速检测气体污染衍生物的浓度。
(3)本发明构建的上转换发光柔性染料功能化传感器具有可再生功能，传感器可有效再生6次，具有良好的便携性和经济性，从而使得该检测方法具有良好的实用前景。
附图说明
图1为实施例1制备的上转换纳米粒子的透射电镜图。
图2为实施例1制备的上转换纳米粒子掺杂的固相传感器的Mapping图。
图3为实施例1制备的染料功能化的柔性上转换发光固相传感器的Mapping图。
图4为实施例1中检测不同浓度二氧化硫衍生物建立的预测模型；其中，A为检测不同浓度二氧化硫衍生物的传感器荧光信号图；B为以二氧化硫衍生物浓度值和荧光强度信号特征值建立的标准曲线。
具体实施方式
如下为本发明在实际样本中测试的实施方式，此详细说明不能认为是本发明的限制性，而是理解作本发明实际测试中更细节化的描述。
本实施例所检测二氧化硫及其衍生物(简称二氧化硫衍生物)指氧化硫在空气或水溶液中产生化学反应而得到的一系列衍生物。
本实施例所述的葡萄酒为法国原装进口的拉斐罗瑟夫古堡干红葡萄酒、酒精度为13.5％vol，购自镇江大润发。
实施例1：
步骤一，制备上转换纳米粒子：
在烧瓶中加入10mL甲醇，然后加入0.2412g六水氯化钇、0.0775g六水氯化镱、0.0019g六水氯化铥，通过超声使其均匀混合；再加入6mL油酸和15mL1-十八烯后，在氮气保护下于160℃磁力搅拌反应30min，冷却至室温后；逐滴加入含有0.1g氢氧化钠、0.1482g氟化铵和10mL甲醇形成的混合溶液。密封烧瓶并于80℃加热40min挥发甲醇，然后于300℃磁力搅拌1h，冷却至室温后，离心分离得到上转换纳米粒子沉淀，并用体积比为1:1的环己烷和乙醇混合溶液清洗三次，最后经干燥得到上转换纳米粒子；
图1为所制备的上转换纳米粒子的透射电镜图，说明上转换纳米粒子制备成功；
步骤二，制备上转换纳米粒子掺杂的固相传感器：
将聚二甲基硅氧烷单体与固化剂以10:1的质量比混合，得到的物质记为混合物A；在混合物A中加入步骤一制备的上转换荧光纳米粒子20mg，其中上转换荧光纳米粒子与混合物A的质量比为1:500，搅拌均匀形成凝胶，经真空脱气后将混合凝胶浇筑进模具后并在此真空脱气，使用聚甲基丙烯酸甲酯盖板压实模具，在干燥环境下使其凝固，凝固后取出使其冷却至室温，揭开聚甲基丙烯酸甲酯盖板得到上转换纳米粒子掺杂的固相传感器；
图2为所制备的上转换纳米粒子掺杂的固相传感器的Mapping图，即为上转换发光柔性传感器未染料的Mapping图；
步骤三，制备染料功能化的柔性上转换发光固相传感器：
准确称取0.0107g高碘酸钠、0.5g苯甲醇、10g丙烯酸加入到89.5g水中混合成水溶液，再将聚二甲基硅氧烷浸入其中，用紫外灯照射2.5h，再用70℃蒸馏水反复清洗去除表面吸附的丙烯酸和其他聚合物，得到表面修饰羧基的上转换纳米粒子掺杂的固相传感器；
将20mg 1-3-二甲基氨酰亚胺丙基-3-乙基碳二酰亚胺盐酸盐、10mg羟基琥珀酰亚胺、0.5mL蒸馏水、0.45mL吗啉乙磺酸缓冲液混合成水溶液，将表面修饰羧基的上转换纳米粒子掺杂的固相传感器浸入其中孵育2h，孵育结束后用蒸馏水反复清洗得到表面羧基活化的固相传感器；在室温环境下将其完全浸泡在浓度为0.01mg/mL副蔷薇苯胺溶液中12h，最后再用蒸馏水反复清洗；以此制备得到染料功能化的柔性上转换发光固相传感器；
图3为所制备的上转换发光传感器已染料的Mapping图，对比图2可以说明上转换发光传感器染料完成。
对葡萄酒中二氧化硫衍生物浓度的检测：
(1)二氧化硫衍生物浓度预测模型的建立：
将染料功能化的柔性上转换发光固相传感器加入不同浓度的气体污染衍生物标准溶液，不同浓度的标准溶液与固相传感器为一一对应关系；反应结束后，用氮气吹干测量固相传感器的荧光强度信号特征值；以气体污染衍生物标准溶液浓度和荧光强度信号特征值进行线性拟合，建立气体污染衍生物含量检测的预测模型(图4B)；
具体为：分别配制0nM、10nM、20nM、30nM、40nM、50nM、60nM、70nM、80nM、90nM、100nM浓度的二氧化硫标准溶液，分别取100uL加入特异性检测体系，经过在37℃温度下孵育25min后采集荧光信号特征值；
其中，测定检测溶液的荧光强度信号特征值的步骤为：测定固相传感器在980nm激发光激发下541nm处的荧光强度信号特征值，记录不含二氧化硫衍生物时固相传感器的荧光强度值F
图4为所检测不同浓度二氧化硫衍生物建立的标准曲线；
从图4可以看出，随二氧化硫标准溶液中二氧化硫浓度的增加，541nm处的荧光信号不断增强；经线性拟合得到二氧化硫检测的标准曲线(F-F
(2)对葡萄酒中二氧化硫衍生物浓度的检测：
准备四份10mL的葡萄酒样品，分别标记为A、B、C、D，将四个葡萄酒样品中分别加入1mL的碳酸氢钠溶液(5mM)，以确保葡萄酒中的二氧化硫衍生物以亚硫酸盐状态存在。随后，将四份葡萄酒样品溶液均稀释5000倍，最后取100uL用于检测，与染料功能化的柔性上转换发光固相传感器孵育25min结束后，测定荧光强度信号特征值，带入步骤(1)所得的标准曲线，分别计算出四份葡萄酒样品A、B、C、D所含二氧化硫衍生物的浓度对应为18.8mg\L、9.23mg\L、10.42mg\L、8.41mg\L；对比国标法-滴定法所测定四份样品中二氧化硫衍生物的浓度，结果分别为：19.877mg\L、9.11mg\L、10.365mg\L、8.313mg\L；通过对比可以发现本发明的方法具有较高的精确度。
柔性上转换发光固相传感器的再生：将与二氧化硫衍生物样本溶液反应过后的固相传感器按照步骤三所述操作，再次活化固相传感器的表面羧基，反应结束后用蒸馏水反复清洗得到表面羧基活化的固相传感器，实现柔性上转换发光固相传感器的重生；将同一传感器用于相同样本的二氧化硫衍生物重复检测与再生，传感器再生3次以内可以保证检测精度在90％以上，传感器再生6次以内可以保证检测精度在80％以上。
实施例2：
步骤一，制备上转换荧光纳米粒子：
在烧瓶中加入10mL甲醇，然后加入0.2412g六水氯化钇、0.0775g六水氯化镱、0.0019g六水氯化铥，通过超声使其均匀混合；加入6mL油酸和15mL 1-十八烯后，在氮气保护下于160℃磁力搅拌反应30min，冷却至室温后，逐滴加入含有0.1g氢氧化钠和0.1482g氟化铵溶解于10mL甲醇的混合溶液。密封烧瓶并于80℃加热40min挥发甲醇，然后于300℃磁力搅拌1h，冷却至室温后，离心分离得到上转换纳米粒子沉淀，并用体积比为1:1的环己烷和乙醇混合溶液清洗三次，干燥得到上转换纳米粒子；
步骤二，制备上转换纳米粒子掺杂的固相传感器：
将聚二甲基硅氧烷单体与固化剂以10:1的质量比混合，得到的物质记为混合物A；在混合物A中加入步骤一制备的上转换荧光纳米粒子20mg，其中上转换荧光纳米粒子与混合物A的质量比为1:500，搅拌均匀形成凝胶，经真空脱气后将混合凝胶浇筑进模具后并在此真空脱气，使用聚甲基丙烯酸甲酯盖板压实模具，在干燥环境下使其凝固，凝固后取出使其冷却至室温，揭开聚甲基丙烯酸甲酯盖板得到上转换纳米粒子掺杂的固相传感器；
步骤三，制备染料功能化的柔性上转换发光固相传感器：
准确称取0.0107g高碘酸钠、0.5g苯甲醇、10g丙烯酸加入到89.5g水中混合成水溶液，再将聚二甲基硅氧烷浸入其中，用紫外灯照射2.5h，再用70℃蒸馏水反复清洗去除表面吸附的丙烯酸和其他聚合物，得到表面修饰羧基的上转换纳米粒子掺杂的固相传感器；20mg 1-3-二甲基氨酰亚胺丙基-3-乙基碳二酰亚胺盐酸盐、10mg羟基琥珀酰亚胺、0.5mL蒸馏水、0.45mL吗啉乙磺酸缓冲液混合成水溶液，将上转换纳米粒子掺杂的固相传感器浸入其中孵育2h，孵育结束后用蒸馏水反复清洗得到表面羧基活化的固相传感器；在室温环境下将其完全浸泡在浓度为0.01mg/mL副蔷薇苯胺溶液中12h，最后再用蒸馏水反复清洗；以此制备得到染料功能化的柔性上转换发光固相传感器；
对雨水中二氧化硫衍生物浓度的检测：
(1)二氧化硫衍生物浓度预测模型的建立：
将染料功能化的柔性上转换发光固相传感器加入不同浓度的气体污染衍生物标准溶液，不同浓度的标准溶液与固相传感器为一一对应关系；反应结束后，用氮气吹干测量固相传感器的荧光强度信号特征值；以气体污染衍生物标准溶液浓度和荧光强度信号特征值进行线性拟合，建立气体污染衍生物含量检测的预测模型；
具体为：分别配制0nM、10nM、20nM、30nM、40nM、50nM、60nM、70nM、80nM、90nM、100nM浓度的二氧化硫标准溶液，分别取100uL加入特异性检测体系，经过在37℃温度下孵育25min后采集荧光信号特征值；
其中，测定检测溶液的荧光强度信号特征值的步骤为：测定固相传感器在980nm激发光激发下541nm处的荧光强度信号特征值，记录不含二氧化硫衍生物时固相传感器的荧光强度值F0和加入二氧化硫标准溶液反应之后柔性传感器的荧光强度值F；(F-F0)/F0即为检测溶液的荧光强度信号特征值。
图4为所检测不同浓度二氧化硫衍生物建立的标准曲线；从图4可以看出，随二氧化硫标准溶液中二氧化硫浓度的增加，541nm处的荧光信号不断增强；经线性拟合得到二氧化硫检测的标准曲线(F-F
(2)对雨水中二氧化硫衍生物浓度的检测：
将收集到的雨水分成四个样本(收集地点：江苏大学)，分别标记为样本A、样本B、样本C、样本D，分别加入4个浓度水平(0nM、10nM、50nM和100nM)的亚硫酸钠标准溶液，最后取100uL用于检测，与染料功能化的柔性上转换发光固相传感器孵育25min结束后，测定荧光强度信号特征值，带入步骤(1)所得的标准曲线。
收集的原始雨水未检测到二氧化硫衍生物，因此对其进行加标回收，分别加入10nM、50nM、100nM的二氧化硫，加标回收率对应为：99.394％、94.855％、99.642％；说明了本发明提供的方法用于检测雨水中二氧化硫衍生物浓度的可行。
说明：以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案；因此，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但是本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围。
