CN105115967A - 加载硅酸锌微球的功能化纤维素膜及用于检测单宁酸的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种加载硅酸锌微球的功能化纤维素滤纸膜试纸及用于检测单宁酸的方法，该功能化纤维素滤纸膜试纸用纤维素滤纸作为吸附基层，其上附硅酸锌微球壳聚糖。将其用于对茶叶中单宁酸的快速检测，成本低廉，根据所检测的单宁酸浓度不同，发生不同的颜色变化，做到可视化检测，利用水热法合成的硅酸锌微球对三价铁离子吸附效果显著，避免硫氰酸铁颜色对实验显色的干扰，检测限低，不需要大型仪器，样品不需要前处理，操作简单，稳定性好。

Description

加载硅酸锌微球的功能化纤维素膜及用于检测单宁酸的方法

技术领域

本发明涉及用于检测单宁酸的功能化纤维素滤纸膜试纸及其用于检测单宁酸的方法，属于分析化学技术领域。

背景技术

单宁酸是一种天然的酚类化合物，在多种植物的叶、茎、树皮和果壳中含量丰富。水果、茶叶、啤酒和中草药中单宁酸的含量，不仅影响它们的口味，而且也是评价其质量的重要标准。此外，单宁酸具有抗氧化，抗突变，抗癌和抗毒素等活性，可用于治疗烧伤、腹泻和中毒等。

目前，检测单宁酸的方法主要有分光光度法（酒石酸亚铁法、福林酚法等）、滴定法（络合滴定法、氧化还原滴定等）、高效液相色谱法和流动注射分析法。酒石酸亚铁法和福林酚法所用到的试剂极不稳定并且反应时间过长，滴定法干扰因素较多准确度不高而高效液相色谱和流动注射分析则需要大型且昂贵的设备和专业的操作人员，样品前处理时间长，操作复杂，且检测成本高。上述这些方法都难以实现实时在线的快速准确检测。所以有必要找到一种新的检测方法来解决这些问题。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种新型加载硅酸锌微球的功能化纤维素滤纸膜试纸，以解决单宁酸检测操作复杂和检测成本高的问题。

本发明还提供将其加载硅酸锌微球的功能化纤维素滤纸膜试纸用于检测单宁酸的方法，以实现实时在线的快速检测，并且检测结果准确。

实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种加载硅酸锌微球的功能化纤维素滤纸膜试纸，其特征在于，用纤维素滤纸作为吸附基层，其上附硅酸锌微球的壳聚糖分散液。

进一步，所述硅酸锌微球的壳聚糖分散液的制作方法，包括如下步骤：

1）准确称量0.0022g干燥后的空心微球，分散在100mL质量份数3%的壳聚糖溶液中；

2）加入10uL醋酸溶液，超声分散8-10分钟，即得0.1mM分散均匀的硅酸锌微球分散液。

所述加载硅酸锌微球的功能化纤维素滤纸膜试纸的制作方法，包括如下步骤：

1）取中性定性滤纸置于无水乙醇中浸泡大约3~4h，置于烘箱中35-55℃烘干3-10min；

2）将上述烘干的滤纸浸泡于钛溶液中于震荡摇床中中速震荡20-40分钟，取出滤纸片在洁净纸巾上擦拭使酞酸丁酯在滤纸片分布均匀，置于烘箱中35-55℃烘干5-10min；重复操作此步骤两次；

所述钛溶液为无水乙醇、酞酸丁酯、冰醋酸按体积比10:3:1混合均匀而得；

3）将上述处理的滤纸片浸泡在去离子水中，置于120-160℃烘箱中水解3-6h，水解完成后置于烘箱中35-55℃烘干5-10min，得到TiO₂覆膜的滤纸片；

4）将十六烷基三甲基氧硅烷：去离子水：无水乙醇按照3：10：87的比例混合均匀，将步骤3）水解得到的TiO₂覆膜滤纸片浸泡在其中9-12min，再用25%的醋酸浸润4-8min，置于烘箱中60-90℃反应4-7h，此时十六烷基三甲基氧硅烷通过化学键作用连接到试纸片上，试纸片呈现疏水状态；

5）将上述试纸用自制掩膜遮盖，置于紫外灯下照射80-120min，此时得到分布着均一大小亲水区的试纸片，其中自制掩膜制作方法如下：

取5*10cm的塑料板，用记号笔标记将其分成50个1*1cm的正方形，然后用打孔器在每个正方形的正中心打孔，孔的直径大小为5mm，紫外照射后中心圆孔区域对应的纸片位置变成亲水区域，而其他被掩盖的区域仍然是疏水的；

6）配置5mM的硫氰酸铁溶液10mL，往里滴加硅酸锌微球的壳聚糖溶液1-2mL，混合均匀得到接近无色的A溶液；每次取10uL该A溶液滴在亲水区，放在40℃烘箱下使其干燥均匀，即得功能化纤维素滤纸膜试纸。

进一步，所述硅酸锌微球的壳聚糖溶液采用如下方法制得：

（1）取1mL0.2mol/L的硝酸锌溶液加入到30mL乙醇和3mLPEG（聚乙二醇）200的混合液中，接着在磁力搅拌情况下加入1mL0.2mol/L的硅酸钠溶液，得到白色沉淀物；

（2）连续搅拌10分钟后，将0.1mL的4mol/L的氢氧化钠加入到该混合物中，再搅拌15分钟；

（3）将混合物密封在反应釜中190℃下水热反应12小时；所获得的沉淀物离心并用去离子水洗涤三次，乙醇洗涤一次除去剩余的离子和聚乙二醇，得到硅酸锌微球；

（4）将上述硅酸锌微球在70℃下干燥，准确称量0.0022g的空心微球，分散在100mL质量份数3%的壳聚糖溶液中，最后加入10uL醋酸溶液，超声分散8-10分钟即得0.1mM分散均匀的硅酸锌微球分散液；其中，硅酸锌微球与壳聚糖溶液的质量配比为0.0022%。

一种检测单宁酸的方法，包括以下步骤：

1）将待测茶叶粉碎过筛置于40℃烘箱中烘15-20h，以去除水分；取0.1g加入到100ml沸水中，100℃下恒温水浴20-30min，抽滤定容至500ml；

2）取10uL步骤1）得到的待测滴处理液，加到功能化纤维素滤纸膜试纸的中心圆区域进行检测；根据颜色深浅不仅可以通过裸眼直接判断单宁酸在不同茶叶中的含量高低，并且可以对照图5的试纸条颜色以及标准曲线图定量分析其中的单宁酸含量。

进一步，还包括以下步骤：

1）在上述功能化纤维素滤纸膜试纸的亲水区域滴加不同浓度的待测单宁酸溶液，于40℃烘箱中干燥10min，取出；

2）分析反应前后的颜色变化，提取其RGB值，与标准曲线进行对比，进行定量分析。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

本方法用于茶叶中单宁酸的快速检测，成本低廉，根据所检测的单宁酸浓度不同，发生不同的颜色变化，做到可视化检测，利用水热法合成的硅酸锌微球对三价铁离子吸附效果显著，避免硫氰酸铁颜色对实验显色的干扰，检测限低，不需要大型仪器，样品不需要前处理，操作简单，稳定性好。具体优点如下：

（1）应用常见的材料和简单的工艺制备一种低成本的单宁酸检测膜；

（2）利用水热法合成硅酸锌微球，将硫氰酸铁溶液本身的血红色变为无色；

（3）利用微球的吸附作用，排除硫氰酸铁溶液本身的颜色干扰，保证结果的准确性；

（4）无需对检测样进行前处理，直接对单宁酸进行快速检测；

（5）实现对单宁酸的可视化检测；

（6）实现对低浓度单宁酸的检测，保证较高的灵敏度。

附图说明

图1为硅酸锌微球的扫描电镜图（a）和透射电镜图（b）。

图2为单宁酸检测芯片实物照片。

图3为单宁酸检测标准曲线。

图4为硅酸锌微球对不同浓度Fe(SCN)3的吸附效果颜色显示。

图5为水溶液中0.5μM、0.75μM、1μM、2.5μM、5μM、7.5μM、10μM、25μM、50μM、75μM、100μM不同浓度的单宁酸检测效果图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步详细说明。

一、硅酸锌微球的合成（水热合成法），具体步骤包括：

1.取1mL0.2mol/L的硝酸锌溶液加入到30mL乙醇和3mLPEG（聚乙二醇）200的混合液中，接着在磁力搅拌情况下加入1mL0.2mol/L的硅酸钠溶液，得到白色沉淀物。

2.连续搅拌10分钟后，将0.1mL的4mol/L的氢氧化钠加入到该混合物中，再搅拌15分钟。

3.将混合物密封在反应釜中190℃下水热反应12小时；所获得的沉淀物离心并用去离子水洗涤三次，乙醇洗涤一次除去剩余的离子和聚乙二醇，得到硅酸锌微球。

4.将上述硅酸锌微球在70℃下干燥并分散在3%壳聚糖溶液中，备用；其中，硅酸锌微球与壳聚糖溶液的质量配比为0.0022%。

参见图1为硅酸锌微球的扫描电镜图（a）和透射电镜图（b）。

二、功能化纤维素滤纸膜制作过程：

1）取中性定性滤纸置于无水乙醇中浸泡大约3~4h，置于烘箱中35-55℃烘干3-10min；

2）将上述烘干的滤纸浸泡于钛溶液中于震荡摇床中中速震荡20-40分钟，取出滤纸片在洁净纸巾上擦拭使酞酸丁酯在滤纸片分布均匀，置于烘箱中35-55℃烘干5-10min；重复操作此步骤两次；

所述钛溶液为无水乙醇、酞酸丁酯、冰醋酸按体积比10:3:1混合均匀而得；

3）将上述处理的滤纸片浸泡在去离子水中，置于120-160℃烘箱中水解3-6h，水解完成后置于烘箱中35-55℃烘干5-10min，得到TiO₂覆膜的滤纸片；

4）将十六烷基三甲基氧硅烷：去离子水：无水乙醇按照3：10：87的比例混合均匀，将步骤3）水解得到的TiO₂覆膜滤纸片浸泡在其中9-12min，再用25%的醋酸浸润4-8min，置于烘箱中60-90℃反应4-7h，此时十六烷基三甲基氧硅烷通过化学键作用连接到试纸片上，试纸片呈现疏水状态；

5）将上述试纸用自制掩膜遮盖，置于紫外灯下照射80-120min，此时得到分布着均一大小亲水区的试纸片，其中自制掩膜制作方法如下：

取5*10cm的塑料板，用记号笔标记将其分成50个1*1cm的正方形，然后用打孔器在每个正方形的正中心打孔，孔的直径大小为5mm，紫外照射后中心圆孔区域对应的纸片位置变成亲水区域，而其他被掩盖的区域仍然是疏水的。

6）配置5mM的硫氰酸铁溶液10mL，往里滴加硅酸锌微球的壳聚糖溶液1-2mL，混合均匀得到接近无色的A溶液；每次取10uL该A溶液滴在亲水区，放在40℃烘箱下使其干燥均匀，即得功能化纤维素滤纸膜试纸。

图2为单宁酸检测芯片实物照片。

三、单宁酸的检测：

1.在所制得的功能化纤维素滤纸膜试纸的亲水区域滴加不同浓度的单宁酸溶液，于40℃烘箱中干燥10min，取出试纸片。

2.分析反应前后的颜色变化，提取其RGB值，以欧氏距离的变化，做出标准曲线。

参见图3为单宁酸检测标准曲线。标准曲线的线性范围是0.1μM-25μM，线性方程为：

Y=9.020*X+7.091，R²=0.9865。

可见，当浓度在0.1μM-25μM时具有良好的线性关系，得到曲线Y=9.020*X+7.091，R²=0.9865。对单宁酸的检测下限值可达到35nM，检测限低于国际标准。

四、茶叶样品的检测：

将成品茶粉碎过筛置于40℃烘箱中烘干水分，取0.1g加入到100ml沸水中，100℃下恒温水浴30min，抽滤定容至500ml。

每次取10uL滴加到试纸片的亲水区域进行检测。本实验选择了碧螺春、铁观音、金骏眉、普洱和苦丁五种不同种类的茶叶，结果能很明显的区分开来，并且从颜色深浅可以直观的看出单宁酸在不同茶叶中的含量差异。

图4为硅酸锌微球对10mM、5mM、2.5mM、1mM、0.5mM不同浓度Fe(SCN)₃的吸附效果颜色显示。

图5为水溶液中0.5μM、0.75μM、1μM、2.5μM、5μM、7.5μM、10μM、25μM、50μM、75μM、100μM不同浓度的单宁酸检测效果图。

结果显示，直接用肉眼观察可见单宁酸检测试纸的颜色随溶液中浓度的减小而变淡，表明其颜色的深度与溶液中浓度呈正相关。

本发明检测原理：

三价铁离子可分别与硫氰酸根和单宁发生络合反应生成棕色的多元离子络合物，由于铁离子与两种不同的配体结合，减小了形成类似络合物的可能性，从而提高了反应的选择性。

空心微球是非晶态的结构，带有大量有效的空余结合位点，因此离子可以直接嵌入非晶态结构的空位达到吸附效果；三价铁离子价态高于二价锌离子，离子半径小于锌离子，因此它们之间很容易发生离子交换，部分三价铁可以代替微球上的二价锌达到吸附效果。

同时在处理后的多功能试纸片的作用下，显色质点扩散更均匀，颜色加深，灵敏度提高。

本发明的上述实施例仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (6)

1.一种加载硅酸锌微球的功能化纤维素滤纸膜试纸，其特征在于，用纤维素滤纸作为吸附基层，其上附硅酸锌微球的壳聚糖分散液。

2.根据权利要求1所述加载硅酸锌微球的功能化纤维素滤纸膜试纸，其特征在于，所述硅酸锌微球的壳聚糖分散液的制作方法，包括如下步骤：

1）准确称量0.0022g干燥后的空心微球，分散在100mL质量份数3%的壳聚糖溶液中；

2）加入10uL醋酸溶液，超声分散8-10分钟，即得0.1mM分散均匀的硅酸锌微球分散液。

3.根据权利要求1所述加载硅酸锌微球的功能化纤维素滤纸膜试纸，其特征在于，制作方法包括如下步骤：

1）取中性定性滤纸置于无水乙醇中浸泡大约3~4h，置于烘箱中35-55℃烘干3-10min；

2）将上述烘干的滤纸浸泡于钛溶液中于震荡摇床中中速震荡20-40分钟，取出滤纸片在洁净纸巾上擦拭使酞酸丁酯在滤纸片分布均匀，置于烘箱中35-55℃烘干5-10min；重复操作此步骤两次；

所述钛溶液为无水乙醇、酞酸丁酯、冰醋酸按体积比10:3:1混合均匀而得；

3）将上述处理的滤纸片浸泡在去离子水中，置于120-160℃烘箱中水解3-6h，水解完成后置于烘箱中35-55℃烘干5-10min，得到TiO₂覆膜的滤纸片；

4）将十六烷基三甲基氧硅烷：去离子水：无水乙醇按照3：10：87的比例混合均匀，将步骤3）水解得到的TiO₂覆膜滤纸片浸泡在其中9-12min，再用25%的醋酸浸润4-8min，置于烘箱中60-90℃反应4-7h，此时十六烷基三甲基氧硅烷通过化学键作用连接到试纸片上，试纸片呈现疏水状态；

5）将上述试纸用自制掩膜遮盖，置于紫外灯下照射80-120min，此时得到分布着均一大小亲水区的试纸片，其中自制掩膜制作方法如下：

取5*10cm的塑料板，用记号笔标记将其分成50个1*1cm的正方形，然后用打孔器在每个正方形的正中心打孔，孔的直径大小为5mm，紫外照射后中心圆孔区域对应的纸片位置变成亲水区域，而其他被掩盖的区域仍然是疏水的；

6）配置5mM的硫氰酸铁溶液10mL，往里滴加硅酸锌微球的壳聚糖溶液1-2mL，混合均匀得到接近无色的A溶液；每次取10uL该A溶液滴在亲水区，放在40℃烘箱下使其干燥均匀，即得功能化纤维素滤纸膜试纸。

4.根据权利要求3所述加载硅酸锌微球的功能化纤维素滤纸膜试纸，其特征在于，所述硅酸锌微球的壳聚糖溶液采用如下方法制得：

（1）取1mL0.2mol/L的硝酸锌溶液加入到30mL乙醇和3mLPEG（聚乙二醇）200的混合液中，接着在磁力搅拌情况下加入1mL0.2mol/L的硅酸钠溶液，得到白色沉淀物；

（2）连续搅拌10分钟后，将0.1mL的4mol/L的氢氧化钠加入到该混合物中，再搅拌15分钟；

（3）将混合物密封在反应釜中190℃下水热反应12小时；所获得的沉淀物离心并用去离子水洗涤三次，乙醇洗涤一次除去剩余的离子和聚乙二醇，得到硅酸锌微球；

（4）将上述硅酸锌微球在70℃下干燥，准确称量0.0022g的空心微球，分散在100mL质量份数3%的壳聚糖溶液中，最后加入10uL醋酸溶液，超声分散8-10分钟即得0.1mM分散均匀的硅酸锌微球分散液；其中，硅酸锌微球与壳聚糖溶液的质量配比为0.0022%。

5.一种检测单宁酸的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）将待测茶叶粉碎过筛置于40℃烘箱中烘15-20h，以去除水分；取0.1g加入到100ml沸水中，100℃下恒温水浴20-30min，抽滤定容至500ml；

2）取10uL步骤1）得到的待测滴处理液，加到功能化纤维素滤纸膜试纸的中心圆区域进行检测；根据颜色深浅不仅可以通过裸眼直接判断单宁酸在不同茶叶中的含量高低，并且可以对照图5的试纸条颜色以及标准曲线图定量分析其中的单宁酸含量。

6.根据权利要求4所述单宁酸的检测方法，其特征在于，还包括以下步骤：

1）在上述功能化纤维素滤纸膜试纸的亲水区域滴加不同浓度的待测单宁酸溶液，于40℃烘箱中干燥10min，取出；

2）分析反应前后的颜色变化，提取其RGB值，与标准曲线进行对比，进行定量分析。