CN103674939B - 一种用于检测双氧水的仿酶试纸及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及双氧水的检测，具体的说是一种用于检测双氧水的仿酶试纸及其制备和应用。仿酶试纸为表面改性过的纤维素材料负载铁基化合物和显色剂；所述铁基化合物的负载量为表面改性过的纤维素材料质量的1-30％；显色剂的负载量为表面改性过的纤维素材料质量的0.1-20％;显色剂为3,3ˊ,5,5ˊ-四甲基联苯胺（TMB）。本发明试纸将显色剂、铁化合物负载在纤维素材料（比如滤纸、棉花、棉布等）上，模仿过氧化氢酶分解并检测双氧水，产品应用于化工、纺织、环保、医疗及食品加工，属于食品安全、医疗卫生与环境技术范围内对双氧水的检测。
Description
技术领域
本发明涉及双氧水的检测，具体的说是一种用于检测双氧水的仿酶试纸及其制备和应用。
背景技术
过氧化氢(H2O2)是生物体系中的一种重要化学物质，它严重影响细胞功能和新陈代谢，高浓度的H2O2甚至会引起细胞死亡。在许多酶促反应、蛋白质积聚和抗原-抗体识别过程中也伴随着H2O2的生成或消耗。H2O2的检测在环境、食品以及其他领域也具有重要的意义。国外发达国家已经将H2O2用于环境保护，其有效应用与突出效果还是备受环境工作者和安全工作者的推崇，其应用规模也呈增长趋势，而我国由于成本问题在这方面的应用较少。H2O2在食品包装、食品纤维等方面用作消毒杀菌剂，由于其在食品行业广泛的应用，其残留问题是安全工作者首先考虑的问题。为有效降低安全风险，体现“科技以人为本”的现代化理念，必须对H2O2的浓度进行有效检测。H2O2在化工行业上的应用是相当广泛的，它是合成许多无机、有机过氧化物的主要原料。近几年国内重视精细化工产品的生产，积极开发包括H2O2下游产品在内的新产品，使H2O2在化工行业上的消费呈上升趋势。在冶金行业的电镀液净化除铁，毛皮、烟草漂白，火箭、鱼雷等军工用的化学推进剂，化妆品行业、造纸业、电子行业等领域H2O2也都有一定应用。因此，H2O2的检测具有重要的意义。
目前，检测H2O2的方法和正在研究的方法主要有下述几类：常规滴定法、分光光度法、化学发光法、荧光光度法、色谱法、共振光散射法、电化学分析法等。这些方法各有优缺点。常规法滴定H2O2的依据是H2O2具有氧化性和还原性，通过氧化还原滴定法(如KMnO4法等)样品中的H2O2，目视法确定终点。该方法操作简单，适合于常量分析，但是方法灵敏度低，干扰因素多，具有费时、费料、终点色变不明显、不能连续化、微量化等不足，因此不能用于微量分析，不适于痕量检测的发展趋势。分光光度分析因其操作简单，不需要复杂的设备，选择性较好，在各个领域上得到广泛使用，但灵敏度一般欠佳，测定结果不够稳定。近年来主要往有机显色剂的褪色反应发展，如高甲友，秦希亚等利用流动注射-分光光度法测定痕量H2O2，在NaOH-Na2CO3介质(pH＝12.0)中，Cu2+对过氧化氢氧化钙试剂羧酸钠褪色的反应有催化作用，据此建立了测定痕量H2O2的流动注射分光光度法。该方法的线性范围0.1-2.4ug/ml，进样频率120次/h。化学发光法不需要光源及单色器，设备简单，没有散射光及杂散光引起的背景值干扰，线性范围广，检出限低。可实行连续自动操作，尤其是酶的利用和流动技术的发展大大提高了其测定速度，近年来人们不断研究开发出草酸衍生物H2O2等为代表的其他化学发光体系，如鲁米诺H2O2产生化学发光来测定过氧化氢一直以来是研究的热点。但这类方法所用仪器昂贵，需专业人员操作，难以在普通实验室操作。电化学分析法具有选择性较好，分析速度快，简便廉价，易于实现自动化等特点，所以受到重视，发展速度较快。李丽花等人利用电化学方法在多壁碳纳米管(MWCNT)修饰的玻碳电极表面聚合一层普鲁士蓝(PB)(PB/MWCNT/GCE)，制备了一种新型的过氧化氢(H2O2)传感器。该传感器在以1.0mol/LKCl为支持电解质的磷酸盐溶液(pH＝2.0)中，对H2O2具有明显的催化效应，在2.9×10-6-8.8×10-2mol/L范围内还原峰电流与H2O2的浓度呈良好的线性关系，相关系数为0.9949；检出限1.4×10-6mol/L。离子选择电极电位法是电化学分析法的类型之一，具有响应范围宽，且受样品颜色干扰小，快速等优点，近些年使用该技术测定溶液中物质浓度有相关报道，它所示的电极电位EISE值与溶液中相应离子活度lgα的关系符合能斯特方程，即EISE与lgα呈线性关系。董学芝等人以结晶紫-四苯硼酸根离子缔合物为电活性物质的结晶紫PVC膜涂层玻璃电极，并将其应用于催化电位滴定分析。
尽管，目前H2O2分析方法多种多样，然而测试方法相对繁琐，测试过程中需要携带大型、笨重的仪器进行分析，因此对于现场测试，特别是远距离检测，这些方法存在很大的问题，因此建立快速准确的H2O2检测方法非常重要。
发明内容
本发明目的在于提供一种用于检测双氧水的仿酶试纸及其制备和应用。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种用于检测双氧水的仿酶试纸，仿酶试纸为表面改性过的纤维素材料负载铁基化合物和显色剂；所述铁基化合物的负载量为表面改性过的纤维素材料质量的0.1-30％；显色剂的负载量为表面改性过的纤维素材料质量的0.01-20％；显色剂为3,3',5,5'-四甲基联苯胺(TMB)。
所述表面改性过的纤维素材料是将纤维素原料浸入到添加有0-30％(质量百分比)的正硅酸乙酯(TEOS)和0-30％(质量百分比)的硅烷偶联剂的有机溶液中，而后抽滤，在0-250℃干燥0.01-24h，待用；所述纤维素原料加入量为添加有正硅酸乙酯(TEOS)和硅烷偶联剂的有机溶液质量的1-50％。
所述抽滤后干燥所得表面改性过的纤维素材料可反复浸没在添加有正硅酸乙酯和硅烷偶联剂的有机溶液中使提高纤维素材料表面的修饰量。
所述将纤维素原料浸入到添加有0-30％(质量百分比)的正硅酸乙酯(TEOS)和0-30％(质量百分比)的硅烷偶联剂的有机溶液中1-60min。
将纤维素原料浸入到1-5％(质量百分比)的正硅酸乙酯(TEOS)和1-5％(质量百分比)的硅烷偶联剂的有机溶液中5-20分钟，而后抽掉溶液，在25-100℃，干燥0.01-24h。
所述有机溶液为乙醇，丙醇，甲醇，乙腈、丙酮、丁醇、苯、甲苯、四氢呋喃、DMSO中的一种或多种混合。
将上述改性纤维素在含铁基化合物的溶液中以0-200℃下回流0.01-60h，回流后取出用溶剂洗涤至无Fe3+流失，而后在0-250℃下，干燥0.01-24h；干燥处理后将负载铁的纤维素材料浸渍在含0.1-20wt％TMB的乙醇溶液中0.01-24h，而后于0-200℃，干燥0.01-24h，即得到用于检测双氧水的仿酶试纸。
将上述改性纤维素在含铁基化合物的溶液中以以0-200℃下回流0.1-6h，回流后取出用溶剂洗涤至无Fe3+流失，而后在25-100℃下，干燥1-10h；干燥处理后将负载铁的纤维素材料浸渍在含0.1-20wt％TMB的乙醇溶液中0.1-10h，而后于25-100℃，干燥0.01-24h，即得到用于检测双氧水的仿酶试纸。
所述铁基化合物为FeCl3,FeCl2,Fe(NO3)3,Fe2(SO4)3,FeSO4,FeBr3,Fe(OH)3,Fe(Ac)3,FePO4中的一种或多种混合。
所述含铁基化合物的溶液为水、乙醇，丙醇，甲醇，乙腈、丙酮、丁醇、苯、甲苯、四氢呋喃、DMSO中的一种或多种混合。
回流后取出用溶剂洗涤，所述溶剂为乙醇，丙醇，甲醇，乙腈、丙酮、丁醇、苯、甲苯、四氢呋喃、DMSO中的一种或多种混合。
用于检测双氧水的仿酶试纸的应用，所述仿酶试纸用于包括化工、纺织、环保、医疗及食品加工等领域中痕量双氧水的检测。
硅烷偶联剂为KH550(γ-氨丙基三乙氧基硅烷)、KH-580(γ-巯丙基三乙氧基硅烷)。
使用时，只需将上述复合材料浸入待测液中立即取出后1-10s内，就可以用肉眼分变出指示剂变为绿色，根据指示剂颜色深浅判断H2O2浓度范围，并且H2O2浓度从0.001mM-100mM范围内颜色逐渐加深(如图4a,4b)。
本发明同现有技术相比的优点：
1.本发明试纸结构简单，且可控制制备，其利用表面纳米微观结构的构建，试纸中仿酶催化剂可重复、应用范围广。
2.采用本发明试纸进行检测便捷，测试速度快，检测限低，成本低。
3.本发明工艺简单可行，易于规模化生产。
4.本发明利用金属Fe的仿过氧化氢酶性质，通过表面修饰的方法在纤维素材料表面锚定仿过氧化氢酶活性中心，利用TMB等显色剂的显色反应来快速有效的对痕量H2O2检测。
5.本发明试纸将显色剂、铁化合物负载在纤维素材料(比如滤纸、棉花、棉布等)上，模仿过氧化氢酶分解并检测双氧水，产品应用于化工、纺织、环保、医疗及食品加工，属于食品安全、医疗卫生与环境技术范围内对双氧水的检测。
附图说明
图1为本发明实施例提供的二氧化硅负载后纤维素及空气煅烧后残余效果图。由图1表明SiO2成功负载在纤维素表面。
图2为本发明实施例提供的负载前滤纸扫描电镜照片。
图3为本发明实施例提供的负载后滤纸扫描电镜照片。通过对比负载前照片表明仿酶催化剂已经负载在纤维素表面。
图4a为本发明实施例提供的棉花负载仿酶催化剂在不同双氧水浓度条件下的显色图。
图4b为本发明实施例提供的仿酶滤纸在不同双氧水浓度条件下显色。表明仿酶催化剂在不同双氧水浓度条件下，随双氧水浓度变化，颜色也由深到浅变化。
图5为本发明实施例提供的过氧化氢酶在不同双氧水条件下的可见光吸收效果图。
图6为本发明实施例提供的氧化酶负载条件下的紫外可见光吸收。
图7为本发明实施例提供的仿酶滤纸的紫外可见光吸收。(其中，通过图5、图6和图7的对比表明仿酶催化剂特别是仿酶试纸具有肉眼看得见的更低检测限。)
具体实施方式
为了更清楚的说明本发明内容，本专利将列举一些实施例，但本专利不局限于所列举的实施例。
实施例1
取0.6g滤纸或棉花，溶入60ml添加有5％(质量百分比)TEOS和2％KH-550(道康宁购买,质量百分比)的乙醇溶液，在室温下浸渍0.5h，然后抽滤，在100℃保温保持10h，获得SiO2包覆的纤维素(参见图1)，然后将SiO2包覆的纤维浸入到5wt％FeCl3的乙醇溶液中回流24h，然后取出用乙醇反复洗涤至无Fe3+流出(可采用硝酸银溶液检验，洗液无白色沉淀，然后在100℃条件下干燥24h，得到负载过氧化氢酶的纤维素杂化材料；最后将该杂化材料浸渍在含5wt％TMB的乙醇溶液中2h，取出后100℃干燥10h，获得H2O2检测仿酶催化剂的仿酶试纸(参见图4b)。
为检测不同H2O2浓度，首先配不同浓度的H2O2溶液(0.001mM-100mM)，测试时取10ml待测液，将实施例所得杂化材料的仿酶试纸浸入到待测溶液中，40℃保持10min，对于试纸材料浸入后1-3s，然后将溶液或试纸在日本日立紫外可见光谱仪上进行紫外可见光谱分析如图4a，4b,随着双氧水浓度的增加，仿酶试纸的颜色(绿色)逐渐加深，通过比色的方法根据颜色的深浅得出待测溶液中双氧水浓度范围。
实施例2
取0.1g滤纸或棉花，溶入40ml添加有5％(质量百分比)TEOS和2％KH-580(道康宁购买，质量百分比)的乙醇溶液，在室温下浸渍0.5h，然后抽滤，在100℃保温保持10h，获得SiO2包覆的纤维素，然后将SiO2包覆的纤维浸入到5wt％FeCl3的乙醇溶液中回流24h，然后取出用乙醇反复洗涤至无Fe3+流出，然后在100℃条件下干燥24h，得到负载过氧化氢酶的纤维素杂化材料；最后将该杂化材料浸渍在含1wt％TMB的乙醇溶液中2h，取出后100℃干燥10h，获得H2O2检测仿酶催化剂的仿酶试纸。
为检测不同H2O2浓度，首先配不同浓度的H2O2溶液(0.001mM-100mM)，测试时取10ml待测液，将实施例所得杂化材料的仿酶试纸浸入到待测溶液中，40℃保持10min，对于试纸材料浸入后1-3s，然后将溶液或试纸在日本日立紫外可见光谱仪上进行紫外可见光谱分析。随着双氧水浓度的增加，仿酶试纸的颜色(绿色)逐渐加深，通过比色的方法根据颜色的深浅得出待测溶液中双氧水浓度范围。
实施例3
取0.6g滤纸或棉花，溶入60ml添加有5％(质量百分比)TEOS和2％KH-550(道康宁购买,质量百分比)的丙酮醇溶液，在室温下浸渍0.5h，然后抽滤，在100℃保温保持10h，获得SiO2包覆的纤维素，然后将SiO2包覆的纤维浸入到5wt％FeCl3的乙醇溶液中回流24h，然后取出用乙醇反复洗涤至无Fe3+流出，然后在100℃条件下干燥24h，得到负载过氧化氢酶的纤维素杂化材料；最后将该杂化材料浸渍在含5wt％TMB的乙醇溶液中2h，取出后100℃干燥10h，获得H2O2检测仿酶催化剂的仿酶试纸。
为检测不同H2O2浓度，首先配不同浓度的H2O2溶液(0.001mM-100mM)，测试时取10ml待测液，将实施例所得杂化材料的仿酶试纸浸入到待测溶液中，40℃保持10min，对于试纸材料浸入后1-3s，然后将溶液或试纸在日本日立紫外可见光谱仪上进行紫外可见光谱分析如图4a，4b,随着双氧水浓度的增加，仿酶试纸的颜色(绿色)逐渐加深，通过比色的方法根据颜色的深浅得出待测溶液中双氧水浓度范围。
实施例4
取0.6g滤纸或棉花，溶入60ml添加有5％(质量百分比)TEOS和1％KH-550(道康宁购买,质量百分比)的丙酮醇溶液，在室温下浸渍0.5h，然后抽滤，在100℃保温保持2h，获得SiO2包覆的纤维素，然后将SiO2包覆的纤维浸入到5wt％FeCl3的乙醇溶液中回流24h，然后取出用乙醇反复洗涤至无Fe3+流出(使用硝酸银溶液检验，洗液无白色沉淀)，然后在100℃条件下干燥24h，得到负载过氧化氢酶的纤维素杂化材料；最后将该杂化材料浸渍在含5wt％TMB的乙醇溶液中2h，取出后100℃干燥10h，获得H2O2检测仿酶催化剂的仿酶试纸。
为检测不同H2O2浓度，首先配不同浓度的H2O2溶液(0.001mM-100mM)，测试时取10ml待测液，将实施例所得杂化材料的仿酶试纸浸入到待测溶液中，40℃保持10min，对于试纸材料浸入后1-3s，然后将溶液或试纸在日本日立紫外可见光谱仪上进行紫外可见光谱分析随着双氧水浓度的增加，仿酶试纸的颜色(绿色)逐渐加深，通过比色的方法根据颜色的深浅得出待测溶液中双氧水浓度范围。
实施例5
取0.6g滤纸或棉花，溶入60ml添加有5％(质量百分比)TEOS和1％KH-550(道康宁购买,质量百分比)的乙醇溶液，在室温下浸渍0.5h，然后抽滤，在100℃保温保持2h，获得SiO2包覆的纤维素，然后将SiO2包覆的纤维浸入到含5wt％Fe(NO3)3和3wt％FeCl3的乙醇溶液中回流24h，然后取出用乙醇反复洗涤至无Fe3+流出，然后在100℃条件下干燥24h，得到负载过氧化氢酶的纤维素杂化材料；最后将该杂化材料浸渍在含5wt％TMB的乙醇溶液中2h，取出后100℃干燥10h，获得H2O2检测仿酶催化剂的仿酶试纸。
为检测不同H2O2浓度，首先配不同浓度的H2O2溶液(0.001mM-100mM)，测试时取10ml待测液，将实施例所得杂化材料的仿酶试纸浸入到待测溶液中，40℃保持10min，对于试纸材料浸入后1-3s，然后将溶液或试纸在日本日立紫外可见光谱仪上进行紫外可见光谱分析随着双氧水浓度的增加，仿酶试纸的颜色(绿色)逐渐加深，通过比色的方法根据颜色的深浅得出待测溶液中双氧水浓度范围。
实施例6
取0.6g滤纸或棉花，溶入60ml添加有5％(质量百分比)TEOS和1％KH-550(道康宁购买,质量百分比)的乙醇溶液，在室温下浸渍0.5h，然后抽滤，在100℃保温保持2h，获得SiO2包覆的纤维素，然后将SiO2包覆的纤维浸入到5wt％Fe(NO3)3的乙醇溶液中回流24h，然后取出用乙醇反复洗涤至无Fe3+流出，然后在100℃条件下干燥24h，得到负载过氧化氢酶的纤维素杂化材料；最后将该杂化材料浸渍在含5wt％TMB的乙醇溶液中2h，取出后100℃干燥10h，获得H2O2检测仿酶催化剂的仿酶试纸。
为检测不同H2O2浓度，首先配不同浓度的H2O2溶液(0.001mM-100mM)，测试时取10ml待测液，将实施例所得杂化材料的仿酶试纸浸入到待测溶液中，40℃保持10min，对于试纸材料浸入后1-3s，然后将溶液或试纸在日本日立紫外可见光谱仪上进行紫外可见光谱分析随着双氧水浓度的增加，仿酶试纸的颜色(绿色)逐渐加深，通过比色的方法根据颜色的深浅得出待测溶液中双氧水浓度范围。
对比实施例：
为了阐述本发明的效果，采用市购的过氧化氢酶进行对比实验，在测试时过氧化氢酶质量同仿酶催化剂的仿酶试纸质量相当，检测条件同放酶催化条件一致，为检测不同双氧水浓度，首先配不同浓度的H2O2溶液(0.001mM-100mM)，测试时取10ml待测液，将过氧化氢酶倒在溶液中，40℃保持10min，然后将溶液在日本日立紫外可见光谱仪上进行紫外可见光谱分析,如图5，在相同条件下，过氧化氢酶催化的TMB底物溶液，在655nm处的吸收强度，随双氧水浓度增加而增加，最大吸收为0.17左右。而比想同条件下仿酶催化剂最大吸收1.18小的多(如图6)。
Claims (11)
1.一种用于检测双氧水的仿酶试纸，其特征在于：仿酶试纸为表面改性过的纤维素材料负载铁基化合物和显色剂；所述铁基化合物的负载量为表面改性过的纤维素材料质量的0.1-30％；显色剂的负载量为表面改性过的纤维素材料质量的0.01-20％；显色剂为3,3',5,5'-四甲基联苯胺；
所述表面改性过的纤维素材料是将纤维素原料浸入到添加有0-30％的正硅酸乙酯和0-30％的硅烷偶联剂的有机溶液中，而后抽滤，在0-250℃干燥0.01-24h，待用；所述纤维素原料加入量为添加有正硅酸乙酯和硅烷偶联剂的有机溶液质量的1-50％。
2.按权利要求1所述的用于检测双氧水的仿酶试纸，其特征在于：所述抽滤后干燥所得表面改性过的纤维素材料可反复浸没在添加有正硅酸乙酯和硅烷偶联剂的有机溶液中使提高纤维素材料表面的修饰量。
3.按权利要求1或2所述的用于检测双氧水的仿酶试纸，其特征在于：所述将纤维素原料浸入到添加有0-30％的正硅酸乙酯和0-30％的硅烷偶联剂的有机溶液中1-60min。
4.按权利要求3所述的用于检测双氧水的仿酶试纸，其特征在于：将纤维素原料浸入到1-5％的正硅酸乙酯和1-5％的硅烷偶联剂的有机溶液中5-20分钟，而后抽掉溶液，在25-100℃，干燥0.01-24h。
5.按权利要求1所述的用于检测双氧水的仿酶试纸，其特征在于：所述有机溶液为乙醇，丙醇，甲醇，乙腈、丙酮、丁醇、苯、甲苯、四氢呋喃、DMSO中的一种或多种混合。
6.按权利要求1所述的用于检测双氧水的仿酶试纸，其特征在于：将上述改性纤维素在含铁基化合物的溶液中以0-200℃下回流0.01-60h，回流后取出用溶剂洗涤至无Fe3+流失，而后在0-250℃下，干燥0.01-24h；干燥处理后将负载铁的纤维素材料浸渍在含0.1-20wt％TMB的乙醇溶液中0.01-24h，而后于0-200℃，干燥0.01-24h，即得到用于检测双氧水的仿酶试纸。
7.按权利要求6所述的用于检测双氧水的仿酶试纸，其特征在于：将上述改性纤维素在含铁基化合物的溶液中以以0-200℃下回流0.1-6h，回流后取出用溶剂洗涤至无Fe3+流失，而后在25-100℃下，干燥1-10h；干燥处理后将负载铁的纤维素材料浸渍在含0.1-20wt％TMB的乙醇溶液中0.1-10h，而后于25-100℃，干燥0.01-24h，即得到用于检测双氧水的仿酶试纸。
8.按权利要求6或7所述的用于检测双氧水的仿酶试纸，其特征在于：所述铁基化合物为FeCl3,FeCl2,Fe(NO3)3,Fe2(SO4)3,FeSO4,FeBr3,Fe(OH)3,Fe(Ac)3,FePO4中的一种或多种混合。
9.按权利要求6或7所述的用于检测双氧水的仿酶试纸，其特征在于：所述含铁基化合物的溶液为水、乙醇，丙醇，甲醇，乙腈、丙酮、丁醇、苯、甲苯、四氢呋喃、DMSO中的一种或多种混合。
10.按权利要求6或7所述的用于检测双氧水的仿酶试纸，其特征在于：回流后取出用溶剂洗涤，所述溶剂为乙醇，丙醇，甲醇，乙腈、丙酮、丁醇、苯、甲苯、四氢呋喃、DMSO中的一种或多种混合。
11.一种权利要求1所述用于检测双氧水的仿酶试纸的应用，其特征在于：所述仿酶试纸用于包括化工、纺织、环保、医疗及食品加工等领域中痕量双氧水的检测。
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