CN108152254B - 一种荧光传感器及其在测定氯硝柳胺中的应用 - Google Patents

一种荧光传感器及其在测定氯硝柳胺中的应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于荧光传感器领域，更具体地，涉及一种荧光传感器及其在测定氯硝柳胺中的应用。该荧光传感器包括基底材料和喷墨打印在所述基底材料上的纳米金属墨水，所述纳米金属墨水中包括纳米金属、水、用于调节所述墨水粘度和湿度的有机添加剂以及用于调节所述墨水的表面张力的表面活性剂；所述纳米金属在酸性条件下能够产生氢气，所述纳米金属在所述墨水中呈悬浮分散状态。通过充分结合氯硝柳胺测定手段的特点和需求，针对性对氯硝柳胺测定手段和方法进行重新设计，相应开发出一种检测灵敏度高、准确度高且快速简便的荧光传感器用于测定氯硝柳胺，由此解决现有技术氯硝柳胺的测定存在误差大、灵敏度低、成本高、污染环境等的技术问题。

Description

一种荧光传感器及其在测定氯硝柳胺中的应用
技术领域
本发明属于荧光传感器领域，更具体地，涉及一种荧光传感器及其在测定氯硝柳胺中的应用。
背景技术
血吸虫病是一种严重危害我国人民身体健康的重大传染病，钉螺是血吸虫的唯一中间宿主，消灭钉螺是一种有效防治血吸虫病的方法。氯硝柳胺(学名为4'-硝基-2'，5-二氯水杨酰苯胺)是世界卫生组织唯一推荐使用的灭螺药，其结构式为：
氯硝柳胺为淡黄色粉末，其熔点为225℃～230℃，其在水中的溶解度为5～8mg/L，几乎不溶于水，氯硝柳胺对于非靶生物如鱼类等毒性较大。由于长期使用，氯硝柳胺含量的测定显得尤为重要。目前已存在的测定方法主要有高效液相色谱法(HPLC)、电化学分析法、紫外-可见分光光度法、滴定法测定，但高效液相色谱法(HPLC)耗时长，仪器昂贵，电化学分析法稳定性较差，误差较大，紫外-可见分光光度法选择性较差，滴定法灵敏度难以满足药物分析的要求。而已有的使用荧光法测定氯硝柳胺是在甲醇:乙酸乙酯(1:3)的溶剂下，通过Pd/C的催化加氢3h，使氯硝柳胺中的硝基转化为氨基而产生荧光，反应时间长，使用有机溶剂污染大。
喷墨打印荧光传感器由于其携带方便、制作成本低、操作简单、分析速度快、所需试样体积小等优点，适合在缺乏实验室试剂和精密仪器的基层地区进行反应以获得实验结果。喷墨打印荧光传感器吸引了许多研究者的关注并形成了一个新的研究领域，在医疗诊断，空气质量检测，食品质量检测等方面具有广阔的应用前景。如用于食品腐败监测的喷墨打印纸质荧光传感设备，通过食品变质过程中产生的挥发性物质与打印在纤维素纸上不同低聚脱氧氟苷(ODFs)染料结合的响应，形成一个荧光传感器。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种荧光传感器及其在测定氯硝柳胺中的应用，其中通过充分结合氯硝柳胺测定手段的特点和需求，针对性对氯硝柳胺测定手段和方法进行重新设计，相应开发出一种检测灵敏度高、准确度高且快速简便的荧光传感器用于测定氯硝柳胺，由此解决现有技术氯硝柳胺的测定存在误差大、灵敏度低、成本高、污染环境等的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种荧光传感器，包括基底材料和喷墨打印在所述基底材料上的纳米金属墨水，所述纳米金属墨水中包括纳米金属、水、用于调节所述墨水粘度和湿度的有机添加剂以及用于调节所述墨水的表面张力的表面活性剂；所述纳米金属在酸性条件下能够产生氢气，所述纳米金属在所述墨水中呈悬浮分散状态，所述墨水的粘度为1.5～3mPa·s,表面张力为25～50mN/m。
优选地，所述纳米金属墨水中纳米金属的质量分数为3～8％、所述有机添加剂的质量分数为0.1～60％，所述表面活性剂的质量分数为1～5％。
优选地，所述有机添加剂选自醇类、醚类、酰胺类、酮类、呋喃类中的一种或多种。
优选地，所述有机添加剂选自甲醇、乙醇、乙二醇，丙三醇，二甘醇、n-丙醇、异丙醇、n-丁醇、二甲基乙酰胺、丙酮、四氢呋喃、丙三醇、乙醚、氯仿或四氯化碳中的一种或多种。
优选地，所述有机添加剂为乙二醇、异丙醇或乙醇中的一种或多种。
优选地，所述表面活性剂为阴离子表面活性剂、阳离子表面活性剂、两性型表面活性剂或非离子表面活性剂。表面活性剂可改变纳米粒子的表面特性，以增强纳米金属粉的分散稳定性，防止纳米金属粉聚沉并稳定悬浮状态。
优选地，所述表面活性剂选自十六烷基三甲基氯化铵、十二烷基磺酸钠、聚乙烯吡咯烷酮、脂肪酸、磷酸酯、聚硅氧烷、硅烷、脂肪酰胺、三烷基磷酸酯和松节油中的一种或多种。
优选地，所述表面活性剂为为非离子表面活性剂。
进一步优选地，所述表面活性剂为TritonX系列表面活性剂。TritonX系列表面活性剂能够确保纳米金属在墨水中良好的分散，呈悬浮状态。
进一步优选地，所述表面活性剂为TritonX-100或TritonX-114。
优选地，所述墨水中还包括抗氧化剂，用于防止所述纳米金属氧化。
优选地，所述抗氧化剂为聚乙烯醇。
进一步优选地，所述抗氧化剂为聚乙烯醇1788或聚乙烯醇2488。
加入聚乙烯醇作为纳米金属的保护剂，可大大增加荧光传感器的使用期限，聚乙烯醇可优选为聚乙烯醇1788或聚乙烯醇2488，其具有良好的水溶性。通过加入聚乙烯醇，使得打印后的纳米金属墨水表面含有聚乙烯醇薄膜，具有阻氧性能，防止纳米金属的氧化，使得使用期限得以延长。
优选地，所述纳米金属为纳米锌粉。纳米锌粉相对于其他在酸性条件下可产生氢气的纳米金属而言，其抗氧化性能好且廉价易得。
优选地，所述荧光传感器包括基底材料和喷墨打印在所述基底材料上的纳米锌粉墨水，所述纳米锌粉墨水中包括以下质量百分比的组分：纳米锌粉3～8％，乙二醇25～30％，异丙醇5～10％，乙醇10～15％，TritonX-100或TritonX-114 1～5％。
优选地，所述荧光传感器包括基底材料和喷墨打印在所述基底材料上的纳米锌粉墨水，所述纳米锌粉墨水中包括以下质量百分比的组分：纳米锌粉3～8％，乙二醇25～30％，异丙醇5～10％，乙醇10～15％，TritonX-100或TritonX-114 1～5％，余量为水。
优选地，所述纳米锌粉墨水还包括质量分数为0.5～1％的聚乙烯醇。
优选地，所述基底材料为滤纸。滤纸材料均一稳定，没有加入荧光类物质，使得空白实验的背景干扰较小，其亲水性可促进水溶液中的样品接触并快速反应。滤纸可优选为whatman#1号滤纸。
优选地，所述基底材料上设有若干限定样品反应区域的加样区。加样区可以防止样品扩散，使样品在固定区域反应，提高反应效率，同时同一基底材料上设置多个加样区，可提高荧光传感器的利用率。
优选地，所述加样区由疏水材料合围形成。疏水材料可有效防止滴加至加样区的液体样品扩散。
优选地，所述疏水材料为石蜡。可使用石蜡笔，将石蜡按照设计的图形样本涂至基底材料上。石蜡涂至基底材料上后，可在50～60℃融化渗透5min。
优选地，在同一基底材料上连续喷墨打印6～10次。通过多次打印加入足量的还原性物质锌粉，避免因还原剂量不够而导致实验误差。
按照本发明的另一个方面，提供了一种所述的荧光传感器的应用，用于测定氯硝柳胺。
优选地，用于测定氯硝柳胺时，具体包括如下步骤：
(1)将待测氯硝柳胺溶液和pH为3.5～4.5的缓冲溶液滴加至所述荧光传感器的表面，以进行反应；
(2)反应完成后，调节反应液pH为碱性，经干燥后，测定其荧光强度，再通过标准曲线法或对比法，即可计算得到待测氯硝柳胺溶液的浓度。
以纳米锌粉墨水为例，上述步骤(1)中，纳米锌粉墨水中Zn在酸性条件下产生氢气，产生的氢气可将待测的氯硝柳胺还原，将吸电子基团硝基转化为给电子基团氨基。其中缓冲溶液可维持pH稳定，提供足够的氢离子，使氯硝柳胺反应完全，如果酸浓度太高，会与Zn粉反应速度过快，氯硝柳胺会反应不完全，酸浓度太低，则会导致反应时间太长，因而pH太大或太小会导致荧光强度变弱，甚至没有荧光，优选pH为4。
上述步骤(2)中，反应时间可为5～10min，可采用氢氧化钠调节pH至8～12，优选调节pH至11，pH为11时产生荧光的效果更好。反应液可25℃干燥5min，干燥可使反应液形成均一的碱性状态，提高稳定性。酸性条件下，还原后的氯硝柳胺中的氨基-NH2变成了胺正离子-NH3 +，没有形成P-π共轭，所以没有产生荧光，调节为碱性后可使氨基以分子形式存在形成P-π共轭而产生荧光，从而可用于荧光计检测，其中本发明中荧光激发波长为365nm，检测波长为430nm。
优选地，所述缓冲溶液优选为邻苯二甲酸-邻苯二甲酸氢钾缓冲液或醋酸-醋酸钠缓冲液；邻苯二甲酸氢钾成本低，而且来源广，优选为邻苯二甲酸-邻苯二甲酸氢钾缓冲液。
优选地，步骤(2)中，使用浓度为0.05～0.5mol/L的氢氧化钠调节反应液pH为碱性。若氢氧化钠浓度太低则无法完全中和剩余的酸，若氢氧化钠浓度太高则氨基-NH2会转化为胺负离子-NH-而荧光消失。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明提出的一种荧光传感器，包括基底材料和纳米金属粉墨水，纳米金属粉墨水中各组分互溶，其中还包含特定含量有机添加剂和表面活性剂，用于调节该墨水的粘度、湿度和表面张力，表面活性剂还可改变纳米粒子的表面特性，以增强纳米金属粉的分散稳定性，防止纳米金属粉聚沉并稳定悬浮状态，水作为溶剂。
(2)通过充分结合荧光传感器的特点，本发明对荧光传感器的各组成部分进行重新设计和改进，本发明纳米金属优选为稳定且廉价易得的纳米锌粉，纳米锌粉墨水中有机溶剂、表面活性剂各组分互溶，且各组分的粘度和表面张力有一定差异，其中乙醇和乙二醇具有有保湿和粘度调节的作用，丙三醇具有粘度调节的作用，TritonX可改变纳米粒子的表面特性，以增强纳米锌粉的分散稳定性，防止纳米锌粉聚沉并稳定悬浮状态，水作为溶剂。
(3)本发明提供的纳米锌粉墨水，可稳定悬浮纳米锌粉且适用于喷墨打印，若粘度不够则纳米锌粉悬浮效果不好，导致均一性差异，对荧光传感器稳定性有影响，若粘度太大则易堵塞墨盒喷头。本发明通过不同质量百分比有机溶剂的组分混配，形成的纳米锌粉墨水，经打印即可得到含有均一稳定还原剂的传感器作为荧光传感器。
(4)本发明以荧光法为测定方法，采用本发明提出的荧光传感器测定氯硝柳胺，提高了测定氯硝柳胺的灵敏度，减少了其他物质的干扰；以滤纸为基底的荧光测定方法，快速简单，样品用量少，准确度高；加入聚乙烯醇作为纳米锌的保护剂，可大大增加滤纸基荧光传感器的使用期限；采用常见化学试剂，成本低。
附图说明
图1为本发明荧光传感器测试待测溶液的流程图；
图2为实施例1和实施例4制备的荧光传感器稳定性比较；
图3为待测氯硝柳胺溶液反应前后的荧光变化图；
图4为实施例1制备的荧光传感器测试氯硝柳胺溶液的标准曲线。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
以下为实施例：
(一)荧光传感器的组成及制备
1、不含聚乙烯醇
实施例1
本实施例中，荧光传感器的基底材料为whatman#1号滤纸，纳米锌粉墨水由以下质量百分比的组分组成：纳米锌粉5.2％，乙二醇29.4％，异丙醇6％，乙醇14％，TritonX-1004.2％，余量为水。其粘度为2.89mPa·s，表面张力为38.97mN/m。
制备方法为：在干净的墨盒中加入1mL上述纳米锌粉墨水，将墨盒安装于喷墨打印机中，在whatman#1号滤纸上，使用石蜡笔在滤纸上涂上石蜡形成加样区(即图1中的方格)，并于60℃融化渗透5min，然后将上述纳米锌粉墨水打印在滤纸上，打印8次，即制备得到荧光传感器。
实施例2
本实施例中，荧光传感器的基底材料为whatman#1号滤纸，纳米锌粉墨水由以下质量百分比的组分组成：纳米锌粉7.8％，乙二醇24.5％，异丙醇9.5％，乙醇10.5％，TritonX-100 1％，余量为水。其粘度为2.13mPa·s，表面张力为42.86mN/m。
制备方法同实施例1。
实施例3
本实施例中，荧光传感器的基底材料为whatman#1号滤纸，纳米锌粉墨水由以下质量百分比的组分组成：纳米锌粉3.4％，乙二醇27.5％，异丙醇8％，乙醇13.2％，TritonX-114 3.6％，余量为水。其粘度为2.67mPa·s，表面张力为39.42mN/m。
制备方法同实施例1。
2、含聚乙烯醇
实施例4～6
实施例4与实施例1的区别为，实施例4的纳米锌粉墨水还含有质量分数为0.55％的聚乙烯醇1788，其他成分均与实施例1相同；
实施例5与实施例2的区别为，实施例5的纳米锌粉墨水还含有质量分数为0.8％的聚乙烯醇1788，其他成分均与实施例2相同；
实施例6与实施例3的区别为，实施例6的纳米锌粉墨水还含有质量分数为1％的聚乙烯醇1788，其他成分均与实施例3相同。
图2为实施例1和实施例4制备的荧光传感器稳定性比较，由图可看出，实施例1不加聚乙烯醇1788，制备的荧光传感器使用期限约为45天，而实施例4加入聚乙烯醇1788作为纳米锌的保护剂，制备的荧光传感器使用期限增加至90天左右。
(二)采用实施例1～6制备的荧光传感器测定氯硝柳胺
1、建立标准曲线
准确移取不同体积100.00μg/mL氯硝柳胺贮备液于容量瓶中，分别配制六个浓度水平(0.1μg/mL，1.00μg/mL，5.00μg/mL，10.00μg/mL，15.00μg/mL，20.00μg/mL，25.00μg/mL)的氯硝柳胺标准溶液，在优化实验条件下进行测定。
采用实施例1制备的荧光传感器测试上述配制的氯硝柳胺标准溶液的荧光强度，测试方法为：
参考图1的流程图，取10μL配制的氯硝柳胺标准溶液，滴加至荧光传感器的加样区，再滴加8μL浓度为0.01g/L、pH为4的邻苯二甲酸氢-邻苯二甲酸氢钾缓冲液，反应7min后，加入10μL浓度为0.1mol/L的NaOH溶液，25℃干燥5min后，使用荧光仪测试荧光强度(使用F96s型荧光分光光度计，荧光激发波长为365nm，检测波长为430nm)。
根据测得的氯硝柳胺的荧光强度及对应的浓度，以氯硝柳胺的荧光强度为纵坐标，浓度为横坐标，绘制氯硝柳胺的标准曲线(如图4所示)，并计算方法回归方程及相关系数，其中按实例1所得回归方程为y＝22.46x+3.26，相关性系数为0.9974，检出限为0.0080μg/mL。
2、氯硝柳胺的测定
(1)将待测的氯硝柳胺溶液样品使用实施例1制备的荧光传感器进行测定，测试方法同上述1中的方法，测得待测氯硝柳胺溶液的荧光强度为42.87(a.u.)，将42.87(a.u.)代入上述1得到的回归方程中，得到待测氯硝柳胺溶液的浓度为1.81μg/mL。
图3为上述待测氯硝柳胺溶液反应前后的荧光变化图，将待测氯硝柳胺溶液滴至喷墨打印荧光传感器中、及加入pH为4的邻苯二甲酸氢-邻苯二甲酸氢钾缓冲液后，测定均没有荧光现象，只有将反应后的荧光传感器调为碱性后，荧光才显现，且当pH为11是荧光最强。
(2)使用实施例2～6制备的荧光传感器测试待测氯硝柳胺溶液
分别建立实施例2～6制备的荧光传感器的标准曲线，并分别计算回归方程及相关系数，方法同上述1。
分别使用实施例2～6制备的荧光传感器测试上述(1)中的待测氯硝柳胺溶液，测试方法同上述1中的方法，将测定的荧光强度分别代入对应的回归方程中，得到待测氯硝柳胺溶液的浓度分别为1.72μg/mL、1.79μg/mL、1.74μg/mL、1.83μg/mL、1.85μg/mL，和上述(1)测试结果接近。
按照本发明建立的分析方法，线性范围为0.1～25μg/mL，灵敏度高，检出限为0.0080μg/mL，收集华中科技大学池塘水样进行加标回收，分别采用荧光和HPLC两种方法对同一溶液测定多次，相对标准偏差分别为4.86％和3.30％。用F检验和t检验判断两组数据结果没有显著性差异，
本发明也可以采用对比法测定待测氯硝柳胺溶液的浓度，具体方法如下：
加入10μL蒸馏水，滴加至荧光传感器的加样区，再滴加8μL浓度为0.01g/L、pH为4的邻苯二甲酸氢-邻苯二甲酸氢钾缓冲液，反应7min后，加入12μL浓度为0.1mol/L的NaOH溶液调为碱性，室温干燥5min后，使用荧光仪测试荧光强度Fs0，准确移取c(s)＝2.00μg/mL氯硝柳胺的标准溶液按照相同步骤，进行测定得出标准溶液荧光强度Fs；按照相同方法，测定待测的氯硝柳胺溶液的Fx0荧光强度和Fx荧光强度，再根据公式：c(x)＝c(s)×(Fx-Fx0)/(Fs-Fs0)，即可得出待测液的浓度，在此不一一举例。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种荧光传感器，其特征在于，包括基底材料和喷墨打印在所述基底材料上的纳米金属墨水，所述纳米金属墨水中包括纳米金属、水、用于调节所述墨水粘度和湿度的有机添加剂以及用于调节所述墨水的表面张力的表面活性剂；所述纳米金属在酸性条件下能够产生氢气，所述纳米金属在所述墨水中呈悬浮分散状态，所述墨水的粘度为1.5～3mPa·s,表面张力为25～50mN/m。
2.如权利要求1所述的荧光传感器，其特征在于，所述纳米金属墨水中纳米金属的质量分数为3～8％、所述有机添加剂的质量分数为0.1～60％，所述表面活性剂的质量分数为1～5％。
3.如权利要求1所述的荧光传感器，其特征在于，所述有机添加剂选自醇类、醚类、酰胺类、酮类、呋喃类中的一种或多种。
4.如权利要求1所述的荧光传感器，其特征在于，所述表面活性剂为阴离子表面活性剂、阳离子表面活性剂、双性型表面活性剂或非离子表面活性剂。
5.如权利要求1所述的荧光传感器，其特征在于，所述墨水中还包括抗氧化剂，用于防止所述纳米金属氧化。
6.如权利要求1所述的荧光传感器，其特征在于，包括基底材料和喷墨打印在所述基底材料上的纳米锌粉墨水，所述纳米锌粉墨水中包括以下质量百分比的组分：纳米锌粉3～8％，乙二醇25～30％，异丙醇5～10％，乙醇10～15％，TritonX-100或TritonX-114 1～5％。
7.如权利要求6所述的荧光传感器，其特征在于，所述纳米锌粉墨水还包括质量分数为0.5～1％的聚乙烯醇。
8.如权利要求1所述的荧光传感器，其特征在于，所述基底材料为滤纸，所述基底材料上设有若干限定样品反应区域的加样区，所述加样区由疏水材料合围形成。
9.一种如权利要求1至8任意一项所述的荧光传感器的应用，其特征在于，用于测定氯硝柳胺。
10.如权利要求9所述的应用，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将待测氯硝柳胺溶液和pH为3.5～4.5的缓冲溶液滴加至所述荧光传感器的表面，以进行反应；
(2)反应完成后，调节反应液pH为碱性，经干燥后，测定其荧光强度，再通过标准曲线法或对比法，即可计算得到待测氯硝柳胺溶液的浓度。
11.如权利要求10所述的应用，其特征在于，所述缓冲溶液为邻苯二甲酸-邻苯二甲酸氢钾缓冲液或醋酸-醋酸钠缓冲液。
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