CN107576698B - 一种果蔬中单宁物质的检测装置及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种果蔬中单宁物质的检测装置，包括具有内腔的壳体；位于所述壳体内腔中的单宁电化学传感器；一端与所述单宁电化学传感器连接且另一端向上延伸贯穿所述壳体顶壁内外表面的推杆；以及暴露出所述壳体外表面的显示器；其中，所述单宁电化学传感器包括顶端与所述推杆结合固定的信号转换器；以及与信号转换器底端结合固定的三电极体系，所述三电极体系包括间隔设置的工作电极、参比电极和对电极；所述显示器与所述信号转换器电连接；所述壳体的底壁包括有贯穿所述壳体底壁内外表面的与所述三电极体系相适配的开口部。本发明的装置结构简单，操作方便，能够对果蔬中的单宁物质的含量进行实时、快速、准确检测。
Description
技术领域
本发明涉及农业信息技术领域。更具体地，涉及一种果蔬中单宁物质的检测装置及其应用。
背景技术
构成果实风味的物质包括甜味物质、酸味物质、鲜味物质和涩味物质。其中，甜味物质主要包括葡萄糖、果糖和蔗糖；酸味物质主要是有机酸，包括柠檬酸、苹果酸、酒石酸和草酸；鲜味主要来自具有鲜味的氨基酸酰胺和肽等含氮物质；涩味则来自单宁物质。
单宁是多酚类化合物的总称，在果实中普遍存在，在蔬菜中含量很少，一般成熟果中单宁含量在0.03％～0.1％之间，当单宁含量达到0.25％时涩味明显。在食品行业中单宁可用于制作保健品、添加剂、风味剂和重金属吸附剂等，但过量的单宁在消化道中与膳食蛋白质、糖类结合后形成不易消化的复合物，降低了食物的营养价值。因此，对果蔬中单宁物质的检测，有助于提升果蔬的风味和品质，对于单宁的功能性产品的开发利用具有一定的意义。
目前，果蔬中单宁物质的检测方法主要有分光光度计法、液相色谱法、原子吸收法等，这类方法具有一定的检测精度，但需要昂贵的仪器设备、熟练的操作技能，耗时、操作繁琐，不易普遍推广应用。传统检测方法如高锰酸钾滴定法、酒石酸亚铁螯合法等，这类监测方法耗时长、精确度较低。
因此，本发明提供了一种果蔬中单宁物质的检测装置，利用简单、有效的电化学传感器对果蔬中的单宁物质的含量进行实时、快速、准确检测。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种果蔬中单宁物质的检测装置。该检测装置结构简单，操作方便，能够对果蔬中的单宁物质的含量进行实时、快速、准确检测。
本发明的另一个目的在于提供一种果蔬中单宁物质的检测装置的应用。
为达到上述第一个目的，本发明采用下述技术方案：
一种果蔬中单宁物质的检测装置，包括：
具有内腔的壳体；
位于所述壳体内腔中的单宁电化学传感器；
一端与所述单宁电化学传感器连接且另一端向上延伸贯穿所述壳体顶壁内外表面的推杆；以及
暴露出所述壳体外表面的显示器；其中，
所述单宁电化学传感器包括：
顶端与所述推杆结合固定的信号转换器；以及
与信号转换器底端结合固定的三电极体系，所述三电极体系包括间隔设置的工作电极、参比电极和对电极；
所述显示器与所述信号转换器电连接；
所述壳体的底壁包括有贯穿所述壳体底壁内外表面的与所述三电极体系相适配的开口部。该检测装置中的信号转换器用于为三电极体系提供稳压、模数转换功能；显示器用于显示电化学模块的结果；推杆的作用在于按压推杆时使电化学传感器的三个电极被推出壳体或收回至壳体；壳体用于保护检测装置的各个器件。上述装置用于检测果蔬中单宁物质时，通过按压推杆将工作电极、参比电极和对电极推出壳体并扎进待测果蔬，实现对单宁物质的检测；不用时可将工作电极、参比电极和对电极缩回壳体内腔中，避免空气中尘土等杂质对电极的损害。该装置结构简单，使用方便，便于大规模推广使用。
优选地，所述对电极为铂片电极，所述参比电极为银/氯化银电极。
优选地，所述工作电极为三元纳米复合纳米材料电极，所述三元复合纳米材料包括二维材料、氧化酶和金属纳米颗粒。本发明利用单宁对金属的络合作用，采用金属纳米颗粒增强单宁与工作电极的吸附；利用单宁极易氧化、在空气中氧的作用下与氧化酶会发生催化还原反应的特点，采用氧化酶促进单宁与工作电极之间反应；且二维材料具有良好的电学性质和低电子噪声，提高了氧化酶的导电性，提高了工作电极对单宁的响应速度。本发明中单宁电化学传感器的基本工作原理是：对电极与工作电极形成电流回路，参比电极为工作电极提供稳定的电压参考，通过测量工作电极与对电极回路之间的电流得到该电化学传感器的电信号响应。
优选地，所述二维材料为还原氧化石墨烯或二硫化钼。
优选地，所述氧化酶为葡萄糖氧化酶、L-谷氨酸氧化酶或多酚氧化酶。
优选地，所述金属纳米颗粒为金纳米颗粒、银纳米颗粒或铂纳米颗粒。
优选地，所述壳体的截面形状为圆形。
优选地，所述推杆的截面形状为圆形。
优选地，所述壳体的宽度为3-4cm，高度为5-6cm，体积小，便于携带，使用方便。
优选地，所述推杆的宽度为1-2cm，高度为2-3cm。
优选地，所述壳体的材料为塑料。
优选地，所述显示器通过导线连接所述信号转换器；该导线用于将电化学传感器的输出信号传递给显示器。
优选地，所述工作电极采用层层自组装、旋涂或喷涂的方法在硅片或玻璃衬底上制备。
优选地，所述层层自组装方法利用分子间的静电力，首先在工作电极的衬底上制备一层具有负电荷的二维材料自组装薄膜，然后在二维材料自组装薄膜上制备一层具有正电荷的氧化酶敏感薄膜，最后在氧化酶敏感薄膜上制备一层具有负电荷的金属纳米颗粒敏感薄膜。
优选地，所述旋涂方法为在工作电极的衬底上利用旋涂仪自下而上地依次制备二维材料薄膜、氧化酶薄膜和金属纳米颗粒敏感薄膜，旋涂的参数为首先低速1000-2000rmp/s，5-10s，高速2000-3000rmp/s，20-30s。
优选地，所述喷涂方法为采用喷笔在工作电极衬底上自下而上地二维材料薄膜、氧化酶薄膜和金属纳米颗粒敏感薄膜，喷笔高度5-8cm，喷笔流速10-20uL/s。
优选地，所述显示器包括显示屏和数字电路；其中，所述数字电路与所述显示屏电连接；所述信号转换器通过导线将输出信号传递给所述数字电路，所述显示屏显示数字信号。
优选地，所述推杆通过弹簧连接所述信号转换器。
为达到上述第二个目的，本发明采用下述技术方案：
一种果蔬中单宁物质的检测装置的应用，所述检测装置用于检测果蔬中的单宁物质，包括如下步骤：按下推杆，将工作电极、参比电极和对电极推出壳体与待检测果蔬接触；10～30s后，显示器显示测试数据结果；再次按下推杆，将工作电极、参比电极和对电极收回至壳体内。
本发明的装置中电化学传感器用于检测单宁物质的含量，显示器用于直观的显示测试结果，推杆用于推出和收回电极，壳体用于保护各个器件，上述各个器件之间相互配合，协同作用，组成本发明的检测装置，实现了快速有效、简单便捷的检测单宁物质。
本发明的有益效果如下：
1)本发明采用电化学传感器来实现对果蔬中单宁物质的检测，电化学传感器具有灵敏度高、检出限低、快速、准确等优点，相比于已有单宁检测方法操作简单，同时具有更好的时效性；
2)本发明采用三元复合材料制备单宁电化学传感器中的工作电极，利用复合材料的协同效应进一步增强电化学传感器对单宁的灵敏度和响应速度，使得所制备的单宁检测装置检测果蔬中单宁物质时更加实时、快速和准确检测。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1示出本发明果蔬中单宁物质的检测装置的剖视图。
图2示出本发明果蔬中单宁物质的检测装置的左视剖视图。
图3示出图2中A-A向截面图。
图4示出本发明果蔬中单宁物质的检测装置的仰视图。
图5示出本发明果蔬中单宁物质的检测装置的俯视图。
其中：1-壳体、11-第一开口部、12-第二开口部、13-第三开口部、21-信号转换器、22-参比电极、23-工作电极、24-对电极、3-推杆、4-显示器。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶端”、“底端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
为解决现有技术中果蔬中单宁物质检测方法，如高锰酸钾滴定法、酒石酸亚铁螯合法等耗时长、精确度低，而精确度高的方法，如分光光度计法、液相色谱法、原子吸收法等，仪器昂贵、耗时长、操作复杂、难推广等问题，本发明提出了一种果蔬中单宁物质的检测装置，该装置具有结构简单、使用方便、检测速度快、检测结果精确、成本低等优点。
具体地，结合图1～图5，本发明提供了一种果蔬中单宁物质的检测装置，包括：
具有内腔的壳体1；
位于所述壳体1内腔中的单宁电化学传感器；
一端与所述单宁电化学传感器连接且另一端向上延伸贯穿所述壳体1顶壁内外表面的推杆3；以及
暴露出所述壳体外表面的显示器4；其中，
所述单宁电化学传感器包括：
顶端与所述推杆3结合固定的信号转换器21；以及
与信号转换器21底端结合固定的三电极体系，所述三电极体系包括间隔设置的工作电极22、参比电极23和对电极24；
所述显示器4与所述信号转换器21电连接；
所述壳体1的底壁包括有贯穿所述壳体底壁内外表面的与所述三电极体系相适配的开口部。该装置用于检测果蔬中单宁物质时，通过按压推杆将工作电极、参比电极和对电极推出壳体并扎进待测果蔬，实现对单宁物质的检测；不用时可将工作电极、参比电极和对电极缩回壳体内腔中，避免空气中尘土等杂质对电极的损害。该装置结构简单，使用方便，便于大规模推广使用。
如图4所示，所述开口部包括第一开口部11、第二开口部12和第三开口部13，分别与参比电极22、工作电极23和对电极24一一对应，使得按压推杆时，一方面能够顺利将工作电极、参比电极和对电极推出壳体，另一方面尽量减小壳体底壁的开口度，防止灰尘等的进入。
其中，所述壳体1用于保护检测装置的各个器件，所述信号转换器21用于为三电极体系提供稳压、模数转换功能；所述推杆3的作用在于按压推杆时使电化学传感器的三个电极被推出壳体或收回至壳体；所述显示器4用于显示电化学模块的结果；进一步地，所述显示器4通过导线连接所述信号转换器21；该导线用于将电化学传感器的输出信号传递给显示器。
为使得推杆更易将参比电极、工作电极和对电极推出和收回，所述推杆3通过弹簧连接所述信号转换器21。
作为进一步优选的实施方式，所述显示器4包括显示屏和数字电路；其中，所述数字电路与所述显示屏电连接；所述信号转换器通过导线将输出信号传递给所述数字电路，所述显示屏显示数字信号。
图3～图5中所示壳体1和所示推杆3均为圆柱形，本领域技术人员可以理解的是，所述壳体1和所述推杆3还可以为立方体形等其他形状，图中所示壳体1和所示推杆3的形状并非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
此外，为使得上述装置便于携带，所述壳体的宽度优选为3-4cm，高度优选为5-6cm，进一步地，所述推杆的宽度优选为1-2cm，高度优选为2-3cm。
为降低制备上述装置的成本，所述壳体的材料优选塑料。
作为进一步优选的实施方式，所述对电极优选为铂片电极，所述参比电极优选为银/氯化银电极，所述工作电极优选为三元纳米复合纳米材料电极，其中，所述三元复合纳米材料包括二维材料、氧化酶和金属纳米颗粒。本发明利用单宁对金属的络合作用，采用金属纳米颗粒增强单宁与工作电极的吸附；利用单宁极易氧化、在空气中氧的作用下与氧化酶会发生催化还原反应的特点，采用氧化酶促进单宁与工作电极之间反应；且二维材料具有良好的电学性质和低电子噪声，提高了氧化酶的导电性，提高了工作电极对单宁的响应速度。此外，本发明中单宁电化学传感器的基本工作原理是：对电极与工作电极形成电流回路，参比电极为工作电极提供稳定的电压参考，通过测量工作电极与对电极回路之间的电流得到该电化学传感器的电信号响应。
作为进一步优选的实施方式，所述二维材料为还原氧化石墨烯或二硫化钼，所述氧化酶为葡萄糖氧化酶、L-谷氨酸氧化酶或多酚氧化酶，所述金属纳米颗粒为金纳米颗粒、银纳米颗粒或铂纳米颗粒。
此外，本发明中所述工作电极优选采用层层自组装、旋涂或喷涂的方法在硅片或玻璃衬底上制备。
进一步地，所述层层自组装方法利用分子间的静电力，首先在工作电极的衬底上制备一层具有负电荷的二维材料自组装薄膜，然后在二维材料自组装薄膜上制备一层具有正电荷的氧化酶敏感薄膜，最后在氧化酶敏感薄膜上制备一层具有负电荷的金属纳米颗粒敏感薄膜。
进一步地，所述旋涂方法为在工作电极的衬底上利用旋涂仪自下而上地依次制备二维材料薄膜、氧化酶薄膜和金属纳米颗粒敏感薄膜，旋涂的参数为首先低速1000-2000rmp/s，5-10s，高速2000-3000rmp/s，20-30s。
进一步地，所述喷涂方法为采用喷笔在工作电极衬底上自下而上地二维材料薄膜、氧化酶薄膜和金属纳米颗粒敏感薄膜，喷笔高度5-8cm，喷笔流速10-20uL/s。
本发明还提供了一种上述果蔬中单宁物质的检测装置的应用，所述检测装置用于检测果蔬中的单宁物质，包括如下步骤：按下推杆，将工作电极、参比电极和对电极推出壳体与待检测果蔬接触；10～30s后，显示器显示测试数据结果；再次按下推杆，将工作电极、参比电极和对电极收回至壳体内。本发明的检测装置用于对果蔬中单宁物质进行检测，具有灵敏度高、检出限低、快速、准确等优点，相比于已有单宁检测方法操作简单，同时具有更好的时效性。
与现有技术相比，本发明的装置中采用电化学传感器对果蔬中的单宁物质的含量进行检测，采用显示器对结果进行直观的显示，采用推杆简单方便的推出和收回电极，采用壳体对各个器件进行保护，上述器件组成本发明的检测装置，相互配合，协同作用，实现了对单宁物质的实时、快速和准确检测。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地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它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸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 (8)
1.一种果蔬中单宁物质的检测装置，其特征在于，所述果蔬中单宁物质的检测装置包括：
具有内腔的壳体；
位于所述壳体内腔中的单宁电化学传感器；
一端与所述单宁电化学传感器连接且另一端向上延伸贯穿所述壳体顶壁内外表面的推杆；以及
暴露出所述壳体外表面的显示器；其中，
所述单宁电化学传感器包括：
顶端与所述推杆结合固定的信号转换器；以及
与信号转换器底端结合固定的三电极体系，所述三电极体系包括间隔设置的工作电极、参比电极和对电极；
所述显示器与所述信号转换器电连接；
所述壳体的底壁包括有贯穿所述壳体底壁内外表面的与所述三电极体系相适配的开口部；
所述对电极为铂片电极，所述参比电极为银/氯化银电极，所述工作电极为三元复合纳米材料电极；所述三元复合纳米材料包括二维材料、氧化酶和金属纳米颗粒；
所述二维材料为还原氧化石墨烯或二硫化钼；所述氧化酶为葡萄糖氧化酶、L-谷氨酸氧化酶或多酚氧化酶；所述金属纳米颗粒为金纳米颗粒、银纳米颗粒或铂纳米颗粒。
2.根据权利要求1所述的一种果蔬中单宁物质的检测装置，其特征在于，所述壳体的宽度为3-4cm，高度为5-6cm。
3.根据权利要求2所述的一种果蔬中单宁物质的检测装置，其特征在于，所述推杆的宽度为1-2cm，高度为2-3cm。
4.根据权利要求1所述的一种果蔬中单宁物质的检测装置，其特征在于，所述壳体的材料为塑料。
5.根据权利要求1所述的一种果蔬中单宁物质的检测装置，其特征在于，所述壳体的截面形状为圆形，所述推杆的截面形状为圆形。
6.根据权利要求1所述的一种果蔬中单宁物质的检测装置，其特征在于，所述显示器通过导线连接所述信号转换器。
7.根据权利要求1所述的一种果蔬中单宁物质的检测装置，其特征在于，所述工作电极采用层层自组装、旋涂或喷涂的方法在硅片或玻璃衬底上制备。
8.一种如权利要求1～7任一项权利要求所述的果蔬中单宁物质的检测装置的应用，其特征在于，所述检测装置用于检测果蔬中的单宁物质，包括如下步骤：按下推杆，将工作电极、参比电极和对电极推出壳体与待检测果蔬接触；10～30s后，显示器显示测试数据结果；再次按下推杆，将工作电极、参比电极和对电极收回至壳体内。
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