CN107064095A - 双波长量子点荧光探针呋喃酚酮检测装置及其检测方法 - Google Patents

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赵晋陵
梁栋
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Abstract

本发明特别涉及一种双波长量子点荧光探针呋喃酚酮检测装置，包括光学模块、信号调理模块、数据处理模块以及电源模块，光学模块包括发光单元、比色皿以及第一、二光电探测器，比色皿中混合有双波长量子点荧光探针溶液和待测溶液，发光单元发出的紫外光平行照射至比色皿中，激发的荧光被第一、二光电探测器接收并输出信号调理模块进行I/V转换、滤波、放大后输出至数据处理模块，数据处理模块对接收到的信号进行处理得到呋喃酚酮浓度值；电源模块为其他模块供电；还公开了其检测方法。该装置体积小、功耗低、工作稳定可靠、检测灵敏度高，在水体、土壤及蔬果等呋喃酚酮残留检测方面具有非常好的应用前景。该检测方法检测精度高、数据处理简单快速方便。

Description

双波长量子点荧光探针呋喃酚酮检测装置及其检测方法
技术领域
本发明涉及重金属离子痕量检测技术领域，特别涉及一种双波长量子点荧光探针呋喃酚酮检测装置及其检测方法。
背景技术
呋喃丹作为氨基甲酸酯类代表性农药，广泛应用于水稻、棉花、烟草及大豆等作物上多种害虫的防治。但呋喃丹主要代谢物(呋喃酚酮)残留与胆碱酯酶的结合不可逆，对人体和动物都具有很高毒性，而水体、果蔬中呋喃酚酮残留的危害最为直接，对其中残留的快速准确检测具有重要意义。而常规检测方法如气相色谱、高效液相色谱等需大型昂贵仪器、较长的分析过程、复杂前处理步骤以及专业操作人士介入，且检测的对象多和范围广，不能满足上述快速检测需要。近年来，量子点荧光检测在氨基甲酸酯类农药快速痕量检测中的机理研究中取得了较好进展，但未形成基于该原理的检测装置及系统化检测方法，无法开展实际环境中的应用检测。
发明内容
本发明的首要目的在于提供一种能够快速、痕量、准确的双波长量子点荧光探针呋喃酚酮检测装置。
为实现以上目的，本发明采用的技术方案为：一种双波长量子点荧光探针呋喃酚酮检测装置，包括光学模块、信号调理模块、数据处理模块以及电源模块，所述的光学模块包括发光单元、比色皿以及第一、二光电探测器，比色皿中混合有双波长量子点荧光探针溶液和待测溶液，第一、二光电探测器响应峰值分别为417nm、550nm，发光单元发出的紫外光平行照射至比色皿中激发的荧光被第一、二光电探测器接收并转化成电信号输出至信号调理模块，信号调理模块对信号进行I/V转换、滤波、放大后输出至数据处理模块，数据处理模块对接收到的信号进行处理得到呋喃酚酮浓度值；电源模块为发光单元、信号调理模块以及数据处理模块供电。
与现有技术相比，本发明存在以下技术效果：光学模块发出的紫外光激发混合溶液发出荧光，根据呋喃酚酮浓度的增加，417nm处的蓝色荧光强度上升，550nm处的绿色荧光强度下降，这样就会导致两个发射峰强度的比值发生变化，数据处理模块根据比值和呋喃酚酮浓度的线性关系就能方便的分析出呋喃酚酮浓度，该装置体积小、功耗低、工作稳定可靠、检测灵敏度高，在水体、土壤及蔬果等呋喃酚酮残留检测方面具有非常好的应用前景。
本发明的另一个目的在于提供一种快速、痕量、准确的双波长量子点荧光探针呋喃酚酮检测方法。
为实现以上目的，本发明采用的技术方案为：一种双波长量子点荧光探针呋喃酚酮检测方法，包括如下步骤：(A)启动发光单元，读取第一、二光电探测器的检测初值m11、m21；向比色皿中加入混合在一起的双波长量子点荧光探针溶液和样本溶液，等待反应2分钟后再次读取第一、二光电探测器的检测值m12、m22；比值k＝(m22/m12)/(m21/m11)；(B)将多个已知呋喃酚酮浓度的溶液作为样本溶液执行步骤A得到多个比值，以呋喃酚酮浓度为横坐标、比值为纵坐标绘制标准曲线；(C)将待测溶液作为样本溶液执行步骤A得到比值K，比值K在标准曲线上对应的横坐标就是待测溶液的呋喃酚酮浓度。
与现有技术相比，本发明存在以下技术效果：这里引入比值k，而不是直接比较所采集到的数据，这样在外界因素干扰下，双波长量子点荧光强度同时变化，而比值结果不受影响，从而消除了外界因素的影响，提高检测精度；同时，用已知呋喃酚酮浓度的溶液绘制标准曲线，然后直接通过比值在标准曲线上获取呋喃酚酮浓度，避免了复杂的数据处理，大大简化后续数据处理的便利性和检测速度。
附图说明
图1是本发明的原理框图；
图2是本发明的电路原理框图；
图3是本发明的结构示意图；
图4是图3的A-A剖视图；
图5是双波长量子点荧光探针强度与呋喃酚酮浓度的标准曲线图；
图6是本发明的检测流程图。
具体实施方式
下面结合图1至图6，对本发明做进一步详细叙述。
参阅图1、图2，一种双波长量子点荧光探针呋喃酚酮检测装置，包括光学模块10、信号调理模块20、数据处理模块30以及电源模块40，所述的光学模块10包括发光单元11、比色皿12以及第一、二光电探测器13、14，比色皿12中混合有双波长量子点荧光探针溶液和待测溶液，第一、二光电探测器13、14响应峰值分别为417nm、550nm，发光单元11发出的紫外光平行照射至比色皿12中激发出荧光，荧光被第一、二光电探测器13、14接收并转化成电信号输出至信号调理模块20，信号调理模块20对信号进行I/V转换、滤波、放大后输出至数据处理模块30，数据处理模块30对接收到的信号进行处理得到呋喃酚酮浓度值；电源模块40为发光单元11、信号调理模块20以及数据处理模块30供电。光学模块10发出的紫外光激发混合溶液发出荧光，根据呋喃酚酮浓度的增加，417nm处的蓝色荧光强度上升，550nm处的绿色荧光强度下降，这样就会导致两个发射峰强度的比值发生变化，数据处理模块根据比值和呋喃酚酮浓度的线性关系就能方便的分析出呋喃酚酮浓度，该装置体积小、功耗低、工作稳定可靠、检测灵敏度高，在水体、土壤及蔬果等呋喃酚酮残留检测方面具有非常好的应用前景。为了方便处理结果的显示，这里还可以设置显示器用于显示检测出来的呋喃酚酮浓度。电源模块40为整个装置供电，一方面通过电压转换电路为信号调理模块20、数据处理模块30、显示模块供电，另一方便通过恒流源转换电路驱动光学模块10中的LED灯珠工作，得到稳定的激发光源。
参阅图3、图4，光学模块10的结构有很多种，本实施例中优选地，所述的发光单元11包括圆柱形的外壳111，外壳111由非透光材料制成，外壳111内设置有透镜112，透镜112的轴芯和外壳111的轴芯重合，紫外灯珠113和比色皿12分别设置在透镜112的两侧，紫外灯珠113发出的紫外光经过透镜112转换成平行射向比色皿12的紫外光，所述的第一、二光电探测器13、14设置在比色皿12旁侧的外壳111壳体上。透镜112在这里的作用就是将紫外灯珠113发出的紫外光转换成平行光后射向比色皿12，一般来说，这里的透镜112可以由多个镜片组成，比如本实施例中就采用了两个直径为30mm、高为12mm、焦距为18mm的单面透镜组成。外壳111可以是一个整体，也可以是分体式的，图3中所示的外壳111就是由两部分组成的；外壳111一方面用于遮光，另一方面用于固定透镜112、紫外灯珠113、比色皿12等零部件，其具体结构可以根据实际的使用来设置，只要满足上述两个功能即可。
优选地，所述外壳111的轴芯呈铅垂方向布置，透镜112的下方设置有四个紫外灯珠113，透镜112的上方设置有托板114用于托撑比色皿12，将平行光从比色皿12的下方射入，这样比色皿12的四个面都能进行荧光采集，如果从比色皿12的其中一个侧面射入，那么只能在与射入面相邻的两个侧面接收荧光，采集到的数据就比较少了。比色皿12的底面为正方形且该正方形的中心位于外壳111的轴芯上，托板114上放置比色皿12以外的区域均做遮光处理，这样就能避免从其他区域射出的光线对检测结果造成影响。第一、二光电探测器13、14均设置有两个且这四个光电探测器沿周向均匀间隔布置，相对的两个光电探测器的响应峰值相异，比如如图4中，第一光电探测器13相对的就是第二光电探测器14，不存在两个相同响应峰值的光电探测器相对布置。
考虑到发光单元11发出的光源不一定平行，本实施例中优选地，所述的托板114下方放置比色皿12以外的区域上设置有多个第三光电探测器15，第三光电探测器15输出电信号经过信号调理模块20处理后输出至数据处理模块30，数据处理模块30通过比较多个第三光电探测器15的采集值来检测射向比色皿12的光线的平行度，紫外灯珠113发出的紫外光波长和第三光电探测器15的响应峰值相等；所述的紫外灯珠113固定在灯座115上，灯座115可沿外壳111的轴芯方向上下移动。通过设置多个第三光电探测器15，就可以检测入射到托板114上的光线是否平行，灯座115为可调节式，就可以在光线不平行时进行微调。
优选地，所述的第三光电探测器15设置有四个，第三光电探测器15的响应峰值为355nm，这个波长的紫外光具有更优的荧光激发效果。灯座115位置可调，有很多种方案可以实现，本实施例中，外壳111内壁上设置有导轨，灯座115上开设有与导轨相配合的缺口用于限制灯座115的周向转动，灯座115下方设置有底板116，底板116固定在外壳111上，底板116中间设置有螺杆117，螺杆117的上端固定有合金平衡片118，底板116和灯座115之间设置有弹簧119。合金平衡片118可以保证螺杆117施加在灯座115上的力更加均匀，不会出现偏斜现象。弹簧119是拉簧，弹簧119的弹性力让灯座115向下移动，螺杆117转动时可以克服弹簧119的弹性力推动灯座115向上移动，从而实现灯座115的位置可调。这里之所以采用螺杆117，是因为这样调节起来更为精确，满足灯座115位置的精准调节。
优选地，所述的第一、二光电探测器13、14旁侧分别设置有第一、二带通滤波片16、17，第一、二带通滤波片16、17的滤过波长分别为417nm、550nm，荧光分别经过第一、二带通滤波片16、17后被第一、二光电探测器13、14接收，设置第一、二带通滤波片16、17，可以减少第一、二光电探测器13、14所受到其他波长光线的干扰，进一步提高检测精度。所述的双波长量子点荧光探针为球形维生素B12包裹碳化量子点形成，量子点溶液在355nm的紫外光的激发下，可发出417nm蓝色荧光与550nm的绿色荧光，同时随着加入的呋喃酚酮浓度增加，417nm处的蓝色荧光强度上升，550nm处的绿色荧光强度下降，这样就会导致两个发射峰强度的比值发生变化。
参阅图5、图6，本发明中还公开了一种如前所述的双波长量子点荧光探针呋喃酚酮检测方法，包括如下步骤：(A)启动发光单元11，读取第一、二光电探测器13、14的检测初值m11、m21；向比色皿12中加入混合在一起的双波长量子点荧光探针溶液和样本溶液，等待反应2分钟后再次读取第一、二光电探测器13、14的检测值m12、m22；比值k＝(m22/m12)/(m21/m11)；(B)将多个已知呋喃酚酮浓度的溶液作为样本溶液执行步骤A得到多个比值，以呋喃酚酮浓度为横坐标、比值为纵坐标绘制标准曲线；(C)将待测溶液作为样本溶液执行步骤A得到比值K，比值K在标准曲线上对应的横坐标就是待测溶液的呋喃酚酮浓度。这里引入比值k，而不是直接比较所采集到的数据，这样在外界因素干扰下，双波长量子点荧光强度同时变化，而比值结果不受影响，从而消除了外界因素的影响，提高检测精度；同时，用已知呋喃酚酮浓度的溶液绘制标准曲线，然后直接通过比值在标准曲线上获取呋喃酚酮浓度，避免了复杂的数据处理，大大简化后续数据处理的便利性和检测速度。
优选地，所述的发光单元11包括圆柱形的外壳111，外壳111由非透光材料制成，外壳111内自上而下设置有托板114、透镜112和灯座115；托板114的上侧放置有比色皿12、下侧设置有第三光电探测器15，托板114上放置比色皿12以外的区域均做遮光处理；灯座115上设置有紫外灯珠113，紫外灯珠113发出的紫外光经过透镜112转换成平行光后射向比色皿12，灯座115可沿外壳111的轴芯方向上下移动；所述的步骤A中，启动发光单元11后按照如下步骤检测光源的平行度：(A1)紫外灯珠113点亮后射出的光线经过透镜112后射向托板114，托板114上设置的多个第三光电探测器15采集光源信息；(A2)第三光电探测器15输出的信号经过信号调理模块20I/V转换、滤波和放大后输出至数据处理模块30；(A3)数据处理模块30根据检测值的波动频率判断激发光源是否均匀、稳定，若不稳定，调节灯座115的位置后重复步骤A1-A3；若稳定，光源平行度检测完毕。通过步骤A1-A3，可以保证射入比色皿12中光线的平行度，提高检测精度。
优选地，所述的双波长量子点荧光探针溶液按如下步骤获得：(S1)将12mg纯度为98％的乳糖溶解于200微升的纯水中；(S2)将10mg纯度为分析纯的维生素B12加入800微升酸性溶液中，其中酸性溶液是将体积比为1:4的H2O和H3PO4混合得到；(S3)将步骤S1和S2得到的两种溶液进行超声混匀，混匀后加入内衬为聚四氟乙烯的不锈钢容器中，水浴150℃持续时间为2小时，并离心制备碳化量子点溶液；(S4)将碳化量子点溶液透析并利用乙酸乙酯进行纯化，获得球形维生素B12包裹碳化量子点。上述步骤中，各物质的重量、体积只是为了体现出反应过程中所采用的比例关系，在实际操作中，只要按照该比例进行反应即可。通过上述步骤，可以方便的制取球形维生素B12包裹碳化量子点溶液，该步骤简单、方便、稳定、可靠。

Claims (9)

1.一种双波长量子点荧光探针呋喃酚酮检测装置，其特征在于：包括光学模块(10)、信号调理模块(20)、数据处理模块(30)以及电源模块(40)，所述的光学模块(10)包括发光单元(11)、比色皿(12)以及第一、二光电探测器(13、14)，比色皿(12)中混合有双波长量子点荧光探针溶液和待测溶液，第一、二光电探测器(13、14)响应峰值分别为417nm、550nm，发光单元(11)发出的紫外光平行照射至比色皿(12)中激发出荧光，荧光被第一、二光电探测器(13、14)接收并转化成电信号输出至信号调理模块(20)，信号调理模块(20)对信号进行I/V转换、滤波、放大后输出至数据处理模块(30)，数据处理模块(30)对接收到的信号进行处理得到呋喃酚酮浓度值；电源模块(40)为发光单元(11)、信号调理模块(20)以及数据处理模块(30)供电。
2.如权利要求1所述的双波长量子点荧光探针呋喃酚酮检测装置，其特征在于：所述的发光单元(11)包括圆柱形的外壳(111)，外壳(111)由非透光材料制成，外壳(111)内设置有透镜(112)，透镜(112)的轴芯和外壳(111)的轴芯重合，紫外灯珠(113)和比色皿(12)分别设置在透镜(112)的两侧，紫外灯珠(113)发出的紫外光经过透镜(112)转换成平行射向比色皿(12)的紫外光，所述的第一、二光电探测器(13、14)设置在比色皿(12)旁侧的外壳(111)壳体上。
3.如权利要求2所述的双波长量子点荧光探针呋喃酚酮检测装置，其特征在于：所述外壳(111)的轴芯呈铅垂方向布置，透镜(112)的下方设置有四个紫外灯珠(113)，透镜(112)的上方设置有托板(114)用于托撑比色皿(12)，比色皿(12)的底面为正方形且该正方形的中心位于外壳(111)的轴芯上，托板(114)上放置比色皿(12)以外的区域均做遮光处理；第一、二光电探测器(13、14)均设置有两个且这四个光电探测器沿周向均匀间隔布置，相对的两个光电探测器的响应峰值相异。
4.如权利要求3所述的双波长量子点荧光探针呋喃酚酮检测装置，其特征在于：所述的托板(114)下方放置比色皿(12)以外的区域上设置有多个第三光电探测器(15)，第三光电探测器(15)输出电信号经过信号调理模块(20)处理后输出至数据处理模块(30)，数据处理模块(30)通过比较多个第三光电探测器(15)的采集值来检测射向比色皿(12)的光线的平行度，紫外灯珠(113)发出的紫外光波长和第三光电探测器(15)的响应峰值相等；所述的紫外灯珠(113)固定在灯座(115)上，灯座(115)可沿外壳(111)的轴芯方向上下移动。
5.如权利要求4所述的双波长量子点荧光探针呋喃酚酮检测装置，其特征在于：所述的第三光电探测器(15)设置有四个，第三光电探测器(15)的响应峰值为355nm；外壳(111)内壁上设置有导轨，灯座(115)上开设有与导轨相配合的缺口用于限制灯座(115)的周向转动，灯座(115)下方设置有底板(116)，底板(116)固定在外壳(111)上，底板(116)中间设置有螺杆(117)，螺杆(117)的上端固定有合金平衡片(118)，底板(116)和灯座(115)之间设置有弹簧(119)。
6.如权利要求1所述的双波长量子点荧光探针呋喃酚酮检测装置，其特征在于：所述的第一、二光电探测器(13、14)旁侧分别设置有第一、二带通滤波片(16、17)，第一、二带通滤波片(16、17)的滤过波长分别为417nm、550nm，荧光分别经过第一、二带通滤波片(16、17)后被第一、二光电探测器(13、14)接收；所述的双波长量子点荧光探针为球形维生素B12包裹碳化量子点形成。
7.一种如权利要求1所述的双波长量子点荧光探针呋喃酚酮检测方法，包括如下步骤：
(A)启动发光单元(11)，读取第一、二光电探测器(13、14)的检测初值m11、m21；向比色皿(12)中加入混合在一起的双波长量子点荧光探针溶液和样本溶液，等待反应2分钟后再次读取第一、二光电探测器(13、14)的检测值m12、m22；比值k＝(m22/m12)/(m21/m11)；
(B)将多个已知呋喃酚酮浓度的溶液作为样本溶液执行步骤A得到多个比值，以呋喃酚酮浓度为横坐标、比值为纵坐标绘制标准曲线；
(C)将待测溶液作为样本溶液执行步骤A得到比值K，比值K在标准曲线上对应的横坐标就是待测溶液的呋喃酚酮浓度。
8.如权利要求7所述的双波长量子点荧光探针呋喃酚酮检测方法，其特征在于：所述的发光单元(11)包括圆柱形的外壳(111)，外壳(111)由非透光材料制成，外壳(111)内自上而下设置有托板(114)、透镜(112)和灯座(115)；托板(114)的上侧放置有比色皿(12)、下侧设置有第三光电探测器(15)，托板(114)上放置比色皿(12)以外的区域均做遮光处理；灯座(115)上设置有紫外灯珠(113)，紫外灯珠(113)发出的紫外光经过透镜(112)转换成平行光后射向比色皿(12)，灯座(115)可沿外壳(111)的轴芯方向上下移动；所述的步骤A中，启动发光单元(11)后按照如下步骤检测光源的平行度：
(A1)紫外灯珠(113)点亮后射出的光线经过透镜(112)后射向托板(114)，托板(114)上设置的多个第三光电探测器(15)采集光源信息；
(A2)第三光电探测器(15)输出的信号经过信号调理模块(20)I/V转换、滤波和放大后输出至数据处理模块(30)；
(A3)数据处理模块(30)根据检测值的波动频率判断激发光源是否均匀、稳定，若不稳定，调节灯座(115)的位置后重复步骤A1-A3；若稳定，光源平行度检测完毕。
9.如权利要求7所述的双波长量子点荧光探针呋喃酚酮检测方法，其特征在于：所述的双波长量子点荧光探针溶液按如下步骤获得：
(S1)将12mg纯度为98％的乳糖溶解于200微升的纯水中；
(S2)将10mg纯度为分析纯的维生素B12加入800微升酸性溶液中，其中酸性溶液是将体积比为1:4的H2O和H3PO4混合得到；
(S3)将步骤S1和S2得到的两种溶液进行超声混匀，混匀后加入内衬为聚四氟乙烯的不锈钢容器中，水浴150℃持续时间为2小时，并离心制备碳化量子点溶液；
(S4)将碳化量子点溶液透析并利用乙酸乙酯进行纯化，获得球形维生素B12包裹碳化量子点。
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