CN106841387A - 一种基于功能化的介孔硅球声表面波传感器的制备及应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于食品安全检测领域，具体涉及一种基于功能化的介孔硅球声表面波传感器的制备及应用，特别涉及利用声表面波传感器(surface acoustic wave sensor)快速检测食品中的甲醛。本发明提供的基于功能化的介孔硅球声表面波传感器的制备方法包括以下步骤：先制备敏感材料，然后将敏感材料均匀的涂覆在声表面波传感器的电极上，即可制得。其应用方法为，先用本发明提供的基于功能化的介孔硅球声表面波传感器测定甲醛标准溶液，进行标定：再测定待测食品后，跟甲醛标准溶液的标定进行比照，即可得到待测食品的甲醛含量。本发明提供的基于功能化的介孔硅球声表面波传感器及其测定食品中甲醛的含量，提高了对食品中甲醛检测的选择性和准确性，能够检测到食品中微量的甲醛。

Description

一种基于功能化的介孔硅球声表面波传感器的制备及应用

技术领域

本发明属于食品安全检测领域，具体涉及一种基于功能化的介孔硅球声表面波传感器的制备及应用，特别涉及利用本专利发明的声表面波传感器(surface acoustic wavesensor)快速检测食品中的甲醛的方法。

背景技术

现如今，随着人们经济水平的显著提高及食品观念的逐渐改变，人们也越来越关注食品安全问题。向食品中添加有毒有害的非食品原料是威胁食品安全的主要原因之一。甲醛是一种非食品原料，也是一种较高毒性的物质和潜在的强致突变物，国家明令禁止将其作为食品添加剂使用。由于甲醛具有防腐、保鲜、增白、增重、改善质地和口感等作用，一些不法商贩常为牟取暴利将其添加到食品中，导致很多甲醛食品的出现，如甲醛鱿鱼、甲醛蘑菇、甲醛白菜及甲醛面条等。然而，食用含有甲醛的食品可能会产生中毒反应，轻者会出现头晕、呕吐、腹泻等症状；重者会出现昏迷、休克，同时损伤人的肝肾功能，可能导致肝、肾衰竭等症状。随着对甲醛认识的不断加深，目前很多方法应用到食品中甲醛的检测，如分光光度法、色谱法、荧光法、试纸法、酶法和化学发光法等，但是这些方法存在一些缺点，如样品前处理时间长、操作复杂、灵敏度和选择性低、成本高和不能满足现场的快速检测等问题，因此寻找出一种操作简单、检测快速和可以实时现场检测食品中甲醛的方法对保障食品安全具有极其重要的意义。

声表面波传感器(SAW传感器)是一种高灵敏、高选择性的质量型传感器技术，其具有装置简单、便于携带、灵敏度和选择性高、成本低及可靠性高等优点而被广泛应用于环境、医药、化妆品等领域的分析和检测中，但是却很少应用在食品中检测有毒、有害物质。因此将SAW传感器应用在食品领域，为食品安全检测提供一种新颖、快速、准确的检测手段，也为SAW传感器开辟了一条新的应用领域。

发明内容

本发明针对当前技术存在缺点和不足，本发明用一种基于功能化的介孔硅球声表面波传感器快速检测食品中的甲醛，声表面波传感器检测系统由测试频率变化的网络分析仪、体积为3L的测试腔、置于测试腔内的振荡器和谐振器上的电极、振荡器和电极之间的振荡回路及振荡回路与网络分析仪的连接电路组成。本发明提供的声表面波传感器所使用的敏感材料为生物仿生材料(聚多巴胺)功能化的介孔硅球，其能快速检测食品中的甲醛，检测范围为0.01ppm-500ppm，检测时间为9s±2s。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明涉及一种基于功能化的介孔硅球声表面波传感器的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

S1.敏感材料的制备：将多巴胺按0.01-0.02g/L的比例溶解于弱碱性的5-10mmol/L Tris-Hcl缓冲溶液，并加入介孔硅球使其与多巴胺的摩尔比14～25：1，然后在室温下搅拌12-24h，然后离心收集聚多巴胺粘附的介孔硅球；干燥后，得到聚多巴胺功能化的介孔硅球复合材料即为敏感材料；优选的，所述Tris-Hcl缓冲溶液的PH＝8.5，效果最好。

S2.基于功能化的介孔硅球声表面波传感器的制备：将S1中的敏感材料均匀的涂覆在声表面波传感器的电极表面，即可制得基于功能化的介孔硅球声表面波传感器。

其中，在步骤S1中，所述干燥的温度为50℃-80℃。

其中，在步骤S2中，所述声表面波气体传感器在涂覆之前，要进行清洗的预处理；所述清洗的预处理即将声表面波电极依次在丙酮溶液、无水乙醇中超声15min，然后用去离子水清洗干净，最后在氮气环境下吹干。

其中，在步骤S2中，所述涂覆的方法为将步骤S1的敏感材料配置成浓度为2-5mg/ml的溶液，均匀的涂覆到声表面波电极表面，成膜后待用。所述涂覆可以为旋涂或滴涂。

用上述方法制得基于功能化的介孔硅球声表面波传感器。

聚多巴胺(PDA)是一种生物仿生材料，易黏附于各种材料表面和提供可进行二次反应的活性基团(氨基和羟基)。而PDA中的氨基可以与甲醛分子中羰基进行可逆的加成反应，以此通过在材料表面修饰聚多巴胺来有效地提高对甲醛检测的化学选择性。基于此机理，将聚多巴胺功能化的介孔硅球作为SAW传感器的敏感材料，构建出选择较好的SAW传感器来检测食品中的甲醛。不仅为食品中甲醛的检测提供一种简便快速、可靠高效的方法，而且为SAW传感器检测食品中甲醛提供一种良好的敏感材料。与其它检测方法相比，基于聚多巴胺功能化的介孔硅球SAW传感器具有诸多优点，主要表现在：①选择性好、可靠性高和检测速度快，不需要对样品进行繁琐的前处理；②成本低，检测过程中不需要使用大型昂贵的检测仪器；③重复性与再现性好，使用寿命长；④体积小、便携性，适用于现场的快速检测。

使用上述基于功能化的介孔硅球声表面波传感器检测食品中甲醛的方法，所述检测食品中甲醛的方法包括以下步骤：

(1)甲醛标准溶液的标定：将甲醛标准液进行一系列的梯度稀释，制备出0.01ppm-500pbm的甲醛溶液，用微量进样器取不同浓度的甲醛溶液于测试腔内进行测试，测试腔温度保持在25-30℃左右，保持湿度在30％-80％，使用网络分析仪进行信号实时采集。并记录不同浓度的甲醛对应的信号响应值，从而确定甲醛浓度与响应值之间的线性关系。

(2)待测食品的标定：将碎的待测食品用蒸馏水浸泡后，过滤，离心，取上清液，用微量进样器取适量的清液于测试腔内进行测试，测试腔温度保持在25-30℃左右，保持湿度在30％-80％，使用网络分析仪进行信号的实时采集，用所述声表面波传感器进行测试，记录响应信号值，与步骤(1)中确定的甲醛的各种浓度与响应值之间的线性关系进行比较，即可得到待测食品的甲醛含量。本检测方法的检测范围为0.01ppm-500ppm，检测时间为9s±2s。

本发明方法检测食品中甲醛的优点和特点如下：

(1)声表面波传感器作为一种选择性高的质量型传感器，具有装置体积小、成本低廉、便于携带等优点，可以直接对空气或食品中的有毒化学物质则进行现场测试，避免了远距离送样检测的问题。将其运用到食品中甲醛的检测，具有操作简单、检测快速、选择性好、灵敏度和准确性高等优点，并能够实时现场检测到食品中微量的甲醛。

(2)用一种生物仿生材料聚多巴胺对介孔硅球功能化，提高了材料的表面活性和生物活性，将功能化后的材料作为声表面波传感器的敏感材料，构建出一种新型的甲醛气体传感器，提高了甲醛检测的化学选择性和灵敏度，为食品中甲醛的检测提供一种简便、新颖、可靠的检测方法。

(3)聚多巴胺功能化的介孔硅球不只限于声表面波器件，也可成膜于其他传感器件(石英晶体微天平传感器和悬臂梁传感器件)，或许得到与本发明相似的效果。

附图说明

图1为实施例1制得介孔硅球的透射电子显微镜的TEM图；

图2为实施例1制得介孔硅球的透射电子显微镜的TEM图；

图3为实施例1和实施例2制得介孔硅球及聚多巴胺功能化的介孔硅球的氮气吸附脱附曲线；

图4为实施例1和实施例2制得介孔硅球及聚多巴胺功能化的介孔硅球的孔体积与孔径的曲线图；

图5为实施例3中以介孔硅球及聚多巴胺功能化的介孔硅球分别作为声表面波传感器的敏感材料，对100ppm甲醛测试的响应图；

图6为实施例4测出的甲醛浓度与响应值之间的线性关系图；

图7为聚多巴胺功能化的介孔硅球作为声表面波传感器的敏感材料，对50ppm甲醛测试的选择性图；

图8为实施例5中测试甲醛的重复曲线图；

图9为实施例6中测试甲醛的重复曲线图。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明作进一步说明：

本发明的具体实施如下。

实施例1制备介孔硅球

首先将十二烷基溴化胺(CTAB)溶解于140ml的去离子水中，形成浓度为4mM的溶液，加入1.5ml的氨水，在室温下搅拌30min。再加入1.5ml的正硅酸四乙酯，继续搅拌5h。然后离心收集得到透明的凝胶状物质，用乙醇、去离子水清洗3-5次。并在80℃下干燥，然后在550℃下煅烧5h即得介孔二氧化硅材料。

TEM图见图1、图2，可以看出本实验中所用的介孔硅球全部具有球型状、形貌规则，晶粒大小均匀且粒径达到100nm左右，高分辨的TEM结果表明该样品具有均匀规则的线型孔道结构。

实施例2制备敏感材料(即聚多巴胺功能化的介孔硅球)

将多巴胺按0.02g/L的比例溶解于PH＝8.5的10mmol/L Tris-Hcl缓冲溶液，并加入实施例1中制备的介孔硅球使其与多巴胺的摩尔比14～25:1，然后在室温下搅拌24h，然后离心收集、干燥，得到聚多巴胺功能化的介孔硅球。

附图3为实施例1、2所制得介孔硅球及聚多巴胺功能化的介孔硅球的氮气吸附脱附曲线，从氮气吸附曲线图可以看出聚多巴胺功能化前后的介孔硅球具有典型的Ⅳ型等温线，并且功能化后材料的比表面积和孔径都变小。从图中可以看出介孔硅球均为典型的Ⅳ型吸附曲线，两条等温线形状基本一致，并具有明显的滞后环。

附图4为为实施例1、2制得介孔硅球及聚多巴胺功能化的介孔硅球的孔体积与孔径的曲线图；聚多巴胺功能化后介孔硅球的孔径均匀，大约4nm，孔道保持良好，只是孔径和比表面积变小。

实施例3制备基于聚多巴胺功能化的介孔硅球声表面波传感器

声表面波电极的预处理：将声表面波电极分别在丙酮溶液、无水乙醇中超声15min，然后用去离子水清洗干净，最后在氮气环境下吹干，并记录此时未涂覆材料电极的频率作为实验的基准频率。

制备基于介孔硅球的声表面波传感器：首先，取实施例2中制备的敏感材料溶解于1ml的去离子水中，配置成浓度为5mg/ml的溶液，然后用超声波清洗器超声10min，得到敏感材料溶液。其次，均匀的旋涂到声表面波电极表面，干燥后以备用。

对比例1制备介孔硅球声表面波传感器

声表面波电极的预处理同实施例3

制备介孔硅球声表面波传感器：首先，取实施例1中制备的介孔硅球溶解于1ml的去离子水中，配置成浓度为5mg/ml的溶液，然后用超声波清洗器超声10min，得到敏感材料溶液。其次，均匀的滴凃到声表面波电极表面，干燥后以备用。

图5为实施例3中以介孔硅球及聚多巴胺功能化的介孔硅球分别作为敏感材料的声表面波传感器，对100ppm甲醛测试的响应图。聚多巴胺功能化前后的材料对浓度为100ppm的甲醛进行了三次重复测试。可以看出实施例3制得传感器的重复性较好，且功能化前后的材料对甲醛测试的响应有明显的差别，功能化后材料的灵敏度变得更高。

实施例4甲醛标准溶液的标定

将甲醛标准液进行一系列的梯度稀释，制备出0.01ppm-500ppm的甲醛溶液，用微量进样器取不同浓度的甲醛溶液于实施例3中的制备的基于聚多巴胺功能化的介孔硅球声表面波传感器的测试腔内进行测试，测试腔温度保持在25-30℃左右，保持湿度在30％-80％，使用网络分析仪进行信号实时采集。并记录不同浓度的甲醛对应的信号响应值，记录甲醛浓度与响应值之间的线性关系。见图6，可以看出该传感器的灵敏度非常好，在甲醛浓度为100ppm时，频率变化达到4000Hz，甲醛浓度为1ppm时，频率变化达到240Hz，插图中甲醛浓度为0.01ppm时，频率变化为18Hz，说明该传感器对甲醛的检测限为0.01ppm，并且整个分析时间为9s±2s，其中响应时间为5s，恢复时间为4s。该传感器对0.01-500ppm浓度甲醛的进行了测试，发现对0.01-500ppm的甲醛测量有良好的线性关系。

用分光光度法测试了对标准甲醛液的检测线、检测时间及检测范围，发现其检测限为5ppm，检测时间为5min，检测线性范围为5ppm-250ppm。

实施例5

利用实施例3制得的基于聚多巴胺功能化的介孔硅球声表面波传感器检测来自3个不同地区的鱿鱼中甲醛的含量，其过程与步骤如下：

1)对样品进行前处理：取适量来自3个不同地区的鲜活鱿鱼用组织捣碎机捣碎，混合均匀后，取20.00g于含有20ml蒸馏水的带盖锥形瓶中，在35℃的水浴温度下浸泡4-5h。

2)样品的制备：将上述样品进行过滤和离心，取上清液。

3)样品的测试：用微量注射器取适量的清液于测试腔内进行测试，测试腔温度保持在30℃左右，保持湿度在40％。数据的采集使用网络分析仪进行信号实时采集测试数据分别为2700Hz，2884Hz，2438Hz，与图6进行对比得知，本实施例中的3个不同地区的鱿鱼中甲醛的含量分别为150mg/L，161mg/L，132mg/L。

而用分光光度法测试结果分别为：154.3mg/L,159.3mg/L,127.9mg/L。

图7为实施例5的测试甲醛的重复曲线图，可以看出该传感器的非常适用于实际样品中甲醛的测量，传感器的重复性依然很好。

实施例6

利用实施例3制得的基于聚多巴胺功能化的介孔硅球声表面波传感器检测来自3个不同超市的牛百叶中甲醛的含量，其过程与步骤如下：

1)对样品进行前处理：分别取适量来自3个不同超市的牛百叶，用组织捣碎机将其捣碎，混合均匀后，取20.00g于含有20ml蒸馏水的带盖锥形瓶中，在35℃的水浴温度下浸泡4-5h，最后冷却到室温。

2)样品的制备：将上述样品进行过滤和离心，取上清液。

3)样品的测试：用微量注射器取适量的清液于测试腔内进行测试。测试腔温度保持在30℃左右，保持湿度在40％。数据的采集使用网络分析仪进行信号实时采集测试数据分别为4200Hz，4184Hz，3638Hz，与图6进行对比得知，本实施例中的3个不同地区的牛百叶中甲醛的含量分别为233.3mg/L，232.4mg/L，202.2mg/L。

而用分光光度法测试结果分别为：229.5mg/L,231.2mg/L,205.5mg/L。

图8为实施例6的用实施例3制得的基于聚多巴胺功能化的介孔硅球声表面波传感器测试甲醛的重复曲线图，可以看出该传感器的非常适用于实际样品中甲醛的测量，传感器的重复性依然很好。

实施例7

利用实施例3制得的基于聚多巴胺功能化的介孔硅球声表面波传感器检测来自3个不同超市的腐竹中甲醛的含量，其过程与步骤如下：

1)对样品进行前处理：分别取适量来自3个不同超市的腐竹，用刀将其切碎，取20.00g于含有20ml蒸馏水的带盖锥形瓶中，在35℃的水浴温度下浸泡4-5h。

2)样品的制备：将上述样品进行过滤和离心，取上清液。

3)样品的测试：用微量注射器取适量的清液于测试腔内进行测试，测试腔温度保持在30℃左右，保持湿度在40％。数据的采集使用网络分析仪进行信号实时采集，测试数据分别为1300Hz，750Hz，350Hz。与图6进行对比得知，本实施例中的3个不同地区的牛百叶中甲醛的含量分别为72.1mg/L，41.6mg/L，19.4mg/L。而用分光光度法测试结果分别为：75.3mg/L,38.6mg/L,16.8mg/L。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (6)

1.一种基于功能化的介孔硅球声表面波传感器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：

S1.敏感材料的制备：将多巴胺按0.01-0.02g/L的比例溶解于弱碱性的5-10mmol/LTris-Hcl缓冲溶液，并加入介孔硅球使其与多巴胺的摩尔比14～25:1，在室温下搅拌12-24h，然后离心收集、干燥后，得到聚多巴胺功能化的介孔硅球即为敏感材料；

S2.基于功能化的介孔硅球声表面波传感器的制备：将S1中的敏感材料均匀的涂覆在声表面波传感器的电极表面，即可制得基于功能化的介孔硅球声表面波传感器。

2.根据权利要求1中所述的基于功能化的介孔硅球声表面波传感器的制备方法，其特征在于，在步骤S1中，所述干燥的温度为50℃-80℃。

3.根据权利要求1中所述的基于功能化的介孔硅球声表面波传感器的制备方法，其特征在于，在步骤S2中，所述声表面波传感器在涂覆之前，要进行清洗的预处理；所述清洗的预处理即将声表面波电极依次在丙酮溶液、无水乙醇中超声15min，然后用去离子水清洗干净，最后在氮气环境下吹干。

4.根据权利要求1中所述的基于功能化的介孔硅球声表面波传感器的制备方法，其特征在于，在步骤S2中，所述涂覆的方法为将步骤S1的敏感材料配置成浓度为2-5mg/ml的溶液，均匀的涂覆到声表面波电极表面，成膜后待用。

5.根据权利要求1-4中任何一种制备方法制成的基于功能化的介孔硅球声表面波传感器。

6.使用权利要求5中所述基于功能化的介孔硅球声表面波传感器检测食品中甲醛的方法，其特征在于，所述检测食品中甲醛的方法包括以下步骤：

(1)甲醛标准溶液的标定：将甲醛标准液进行一系列的梯度稀释，制备出0.01ppm-500ppm的甲醛溶液，取不同浓度的甲醛溶液于测试腔内进行测试，测试腔温度保持在25-30℃，湿度在30％-80％，测试后对甲醛含量进行标定；

(2)待测食品的标定：将碎的待测食品用蒸馏水浸泡后，过滤，离心，取上清液，用所述声表面波传感器进行测试，与步骤(1)中的标定进行比照，即可得到待测食品的甲醛含量。