CN111044511A - 一种基于变色纳米材料的比色试纸片及其制备方法和应用 - Google Patents

一种基于变色纳米材料的比色试纸片及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于变色纳米材料的比色试纸片及其制备方法和应用，所述基于变色纳米材料的比色试纸片本用于检测食品中的过氧化氢浓度。检测过程在比色试纸片上完成，将过氧化氢溶液滴加到试纸上，产生随过氧化氢浓度变化的颜色信号，结合建立的灰度值与过氧化氢浓度拟合模型，能够在10min内对样品中残留的过氧化氢的浓度进行快速检测，其灵敏度高、操作简单、制备成本低，相对于现有技术，本发明仅需要通过试纸片即可实现过氧化氢的快速测定，真正实现了食品中过氧化氢残留量的快速实时检测。

Description

一种基于变色纳米材料的比色试纸片及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于食品检测领域，特别涉及一种基于变色纳米材料的比色试纸片及其制备方法和应用。
背景技术
过氧化氢(Hydrogen peroxide)分子式为H2O2，是一种强氧化剂，水溶液俗称双氧水，广泛应用于医疗、军事和工业领域中。在食品工业中，过氧化氢主要用于软包装纸的消毒、罐头厂的消毒剂、奶和奶制品杀菌等。食品中过氧化氢残留浓度过高对人类具有致癌的危险性，还可能加速人体衰老，现在国内已经有不少关于食用含有过量过氧化氢食品中毒事件的报道。我国卫生部于2011年6月20日正式实施了GB2760-2011《食品添加剂使用标准》，把其中在食品加工过程中曾广泛使用的过氧化氢踢出食品添加剂的使用范围。2011年国家质检总局公告明确提出，食品生产企业禁止使用过氧化氢。
现在已经有一些检测过氧化氢的技术和方法，如高效液相色谱法、荧光分光光度计、高锰酸钾氧化还原滴定、碘量法和硫代硫酸滴定等光学和化学方法。但是，这些方法大多数都需要复杂的处理过程、高的检测成本、专业的技术人员，且灵敏度较低。
纳米材料由于其形貌、大小和组成成分而具有独特的光学和化学性质，如比表面积、表面功能化和催化活性等，从而被广泛用于比色检测的指示剂。传统上，这些检测方法是基于纳米颗粒的聚集或分散以及纳米酶的催化显色反应，然而他们大多数依赖于DNA或化学分子的修饰，且都是溶液检测体系，仍摆脱不了不稳定、重现性差、不便携等缺陷，无法满足对过氧化氢现场实时检测的需求。
发明内容
为了克服现有方法的缺陷和不足，本发明的首要任务在于提供一种基于变色纳米材料的比色试纸片。
本发明的另一目的在于提供上述一种基于变色纳米材料的比色试纸片的制备方法。
本发明的再一目的在于提供上述一种基于变色纳米材料的比色试纸片的应用，所述基于变色纳米材料的比色试纸片用于检测食品中过氧化氢浓度。检测过程在比色试纸片上完成，将过氧化氢溶液滴加到试纸上，产生随过氧化氢浓度变化的颜色信号，结合建立的灰度值与过氧化氢浓度拟合模型，能够在10min内对样品中残留的过氧化氢的浓度进行快速检测，其灵敏度高、操作简单、制备成本低，且无需专业的技术人员，非常适用于食品行业中过氧化氢残留量的快速实时检测。
本发明的目的通过以下技术方案得到：
一种基于变色纳米材料的比色试纸片的制备方法，包括如下步骤：
S1：采用滤纸制备试纸片，将试纸片完全浸入到丙烯酸丁酯(BA)和丙烯酸异辛酯(2-EHA)两种疏水单体的混合溶液中，之后取出试纸片，对其进行等离子体处理，最后进行真空干燥，即制备得到具有疏水性的试纸片；
S2：将S1所述的具有疏水性的试纸片浸润在纳米氧化铈(CeO2)水溶液中，再将环己烷加入到纳米氧化铈水溶液中，得到分层的水相和有机相；然后将丙酮垂直地从液面中心上方打入液面中，待稳定后在分界面处出现一层氧化铈膜，将具有疏水性的试纸片平铺在其中，停留使纳米氧化铈均匀地分布在试纸片上，然后取出试纸片，干燥后得到CeO2比色试纸片，即所述的基于变色纳米材料的比色试纸片。
优选的，S1所述丙烯酸丁酯和丙烯酸异辛酯的体积比为2：5～5：2。
优选的，S1所述试纸片为直径为0.6cm的圆形试纸片。
优选的，S1所述等离子体处理的条件为：等离子功率8～15W，温度55～65℃，处理时间1～9min；更有选的，S1所述等离子体处理的条件为：等离子功率10W，温度60℃，处理时间2min。
优选的，S1所述真空干燥时间为3～6h，更优选为4h。
优选的，S1所述滤纸为纤维素滤纸，所述纤维素滤纸的厚度为3mm。
优选的，S1所述试纸片完全浸入的时间为0.5-1.5h，更优选的为1h。
优选的，S2所述纳米氧化铈水溶液的浓度为2～6mg/mL。
优选的，S2所述环己烷与纳米氧化铈水溶液的体积比为1：5～3：5，更优选为2:5。
优选的，S2所述环己烷与丙酮的体积比为1:2～3:1，更优选为2:1.5。
优选的，S2所述停留的时间为25～40min，更优选的为30min。
优选的，S2所述干燥的温度为50～60℃，更优选为55℃。
优选的，S2所述干燥的时间为40～50min，更优选为45min。
上述一种基于变色纳米材料的比色试纸片的制备方法制备得到的基于变色纳米材料的比色试纸片。
上述一种基于变色纳米材料的比色试纸片在检测食品中过氧化氢浓度中的应用，包括如下步骤：
(1)配置不同浓度的过氧化氢溶液和空白对照液，取相同体积的配置好的不同浓度的过氧化氢溶液和空白对照液分别滴加到所述基于变色纳米材料的比色试纸片上，待试纸显色后，拍摄显色照片，并对照片进行灰度处理，读取每个照片的灰度值；以过氧化氢溶液的浓度为x，其对应照片的灰度值为y1，进行线性拟合，得到过氧化氢溶液的浓度与照片灰度值的线性回归方程y；
(2)另取基于变色纳米材料的比色试纸片，将含有食品的溶液样品滴加到比色试纸片上，待试纸显色后，拍摄显色照片，并对照片进行灰度处理，读取照片的灰度值y’，代入步骤(1)所述的线性回归方程y，即得到含有食品的溶液样品中过氧化氢的浓度x’。
优选的，步骤(1)所述不同浓度的过氧化氢溶液的浓度个数最少为3个，更优选的为9个。
优选的，步骤(1)所述不同浓度的过氧化氢溶液和空白对照液按照0.3～0.6μL/mm2的量滴加到所述基于变色纳米材料的比色试纸片上。
优选的，步骤(1)所述过氧化氢溶液的浓度为1～50mg/L。
优选的，步骤(1)所述空白对照液为纯水。
优选的，步骤(1)和步骤(2)所述灰度处理采用的是AdobePhotoshop软件；所述灰度值的读取采用的是Image J软件。
优选的，步骤(2)所述含有食品的溶液样品按照0.3～0.6μL/mm2的量滴加到所述基于变色纳米材料的比色试纸片上。
优选的，步骤(2)所述含有食品的溶液样品中过氧化氢的溶度为0～50mg/L。
优选的，步骤(2)所述含有食品的溶液样品为牛奶经离心后得到的上清液。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
(1)本发明利用变色纳米材料构建了用于过氧化氢浓度测定的比色试纸，其特点是以氧化铈(CeO2)纳米颗粒为显色剂，以厚度为3mm纤维素滤纸为载体，无需基于酶促显色反应和特殊仪器。
(2)相对于现有技术，本发明仅需要通过试纸片即可实现过氧化氢浓度的快速测定，本发明在检测灵敏度、测定时间(10min即可完成检测)、便携性及使用成本方面均具有显著的优势，真正实现了食品中过氧化氢残留量的快速实时检测。
(3)本发明采用体积比为2：5～5：2的丙烯酸丁酯和丙烯酸异辛酯来修饰滤纸，使滤纸具有一定的疏水性，能够均匀稳定的平铺在水相和有机相的分界面，并使纳米氧化铈均匀地分布在滤纸上。同时，CeO2纳米颗粒制备简单，比表面积大，化学活性高，且性质稳定，可直接将CeO2纳米颗粒作为显色剂，无需通过染色剂和酶等的化学反应即可立即观察到颜色变化。
附图说明
图1为实施1中经过灰度处理的10个试纸片的照片图，从左到右，依次对应的过氧化氢溶液的浓度为0mg/L，1mg/L，3mg/L，5mg/L，7mg/L，9mg/L，15mg/L，20mg/L，30mg/L和50mg/L。
图2为实施例1中，过氧化氢溶液的浓度与照片灰度值的线性拟合直线图，其中右下角的插图为原始数据图。
具体实施方式
为了使本发明上述特征和发明创造中优化条件更加清楚和容易理解，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例所述滤纸为厚度为3mm的纤维素滤纸，所述纳米氧化铈购买于上海麦克林生化科技有限公司。
实施例1
一种基于变色纳米材料的比色试纸片在检测食品中过氧化氢浓度的应用，其步骤如下：
(1)将滤纸制备成直径为0.6cm的圆形试纸片，并将其充分浸入在丙烯酸丁酯和丙烯酸异辛酯的混合溶液中，丙烯酸丁酯和丙烯酸异辛酯的体积比为3：2，浸润1h后将试纸片在大气冷等离子体反应器(温度60℃、等离子功率10W)中处理2min，等离子体处理后的试纸片置于真空干燥箱中干燥4h，制得具有疏水性的试纸片；
(2)将步骤(1)制得的具有疏水性的试纸片浸润在5mL浓度为4mg/mL的纳米氧化铈水溶液中，再拿移液枪取2mL环己烷沿着容器壁缓慢的加入到水相中，得到分层的水相和有机相；然后用注射器取1.5mL丙酮并垂直地从液面中心上方打入液面中，待稳定后在分界面处出现一层氧化铈膜，将前面所述具有疏水性的试纸片平铺在其中，停留30min使纳米氧化铈均匀地分布在试纸片上，然后取出试纸片，55℃下干燥45min后制得CeO2比色试纸片，将其置于常温密封容器内保存；
(3)分别配置浓度为0mg/L(即纯水，空白对照组)，1mg/L，3mg/L，5mg/L，7mg/L，9mg/L，15mg/L，20mg/L，30mg/L和50mg/L的过氧化氢溶液并分别滴加到步骤(2)制得的CeO2比色试纸片上，滴加量为每个试纸片10μL，浸没后立即取出，将显色片朝上水平放置；
(4)通过智能手机拍摄显色后的试纸照片，并利用AdobePhotoshop软件对照片进行灰度处理，然后通过Image J软件读取10个试纸片的灰度值；
(5)得到9个样品组试纸片的灰度值分别为427.098(过氧化氢浓度为1mg/L)，447.223(过氧化氢浓度为3mg/L)，480.300(过氧化氢浓度为5mg/L)，518.189(过氧化氢浓度为7mg/L)，523.206(过氧化氢浓度为9mg/L)，569.742(过氧化氢浓度为15mg/L)，652.577(过氧化氢浓度为20mg/L)、749.845(过氧化氢浓度为30mg/L)和922.658(过氧化氢浓度为50mg/L)，空白对照组试纸片的灰度值为399.592；
(6)以过氧化氢溶液的浓度(mg/L)为x，其对应试照片灰度值为y，进行线性拟合，得到过氧化氢浓度与照片灰度值的线性回归方程为y＝10.344x+424.23(R2＝0.9901)，线性区间为0～50mg/L；
(7)采用从广州市番禺区当地超市购买的牛奶，以标准加入法对所构建的比色试纸进行实际分析性能验证。首先，用牛奶制备3份相同体积的牛奶样品，然后分别加入一定量的过氧化氢，得到过氧化氢浓度分别为0.1mg/L、0.8mg/L和1.3mg/L的3个过氧化氢加标样品(记作样品1、样品2和样品3)，将样品1～3摇匀后分别以10000rpm/min的速度离心10min，取上清液，得到上清液1、上清液2和上清液3。另取步骤(2)制得的CeO2比色试纸片，将上清液1(过氧化氢浓度为0.1mg/L)、上清液2(过氧化氢浓度为0.8mg/L)和上清液3(过氧化氢浓度为1.3mg/L)分别滴加在CeO2比色试纸片上，滴加量为每个试纸片10μL，浸没后立即取出，将显色片朝上水平放置；通过智能手机拍摄3个显色后的试纸片的照片，并利用AdobePhotoshop软件对照片进行灰度处理，然后通过Image J软件读取照片的灰度值，得到3个样品组照片的灰度值分别为425.298、432.401和437.659，再带入步骤(6)所述的线性回归方程y＝10.344x+424.23(R2＝0.9901)中，计算到的样品1、样品2和样品3中过氧化氢浓度分别为0.1032mg/L、0.7899mg/L和1.2982mg/L。进一步，分别计算三个样品中测得的过氧化氢浓度与加入的过氧化氢浓度的百分比，得到该方法中加标样品的回收率为98.7％～103.2％。本方法可在短时间(10min)完成检测，且对检测设备要求低，只需试纸片即可完成检测过程。
不受上述实施例的限制，其它的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于变色纳米材料的比色试纸片的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：采用滤纸制备试纸片，将试纸片完全浸入到丙烯酸丁酯和丙烯酸异辛酯的混合溶液中，之后取出试纸片，对其进行等离子体处理，最后进行真空干燥，即制备得到具有疏水性的试纸片；
S2：将S1所述的具有疏水性的试纸片浸润在纳米氧化铈水溶液中，再将环己烷加入到纳米氧化铈水溶液中，得到分层的水相和有机相；然后将丙酮垂直地从液面中心上方打入液面中，待稳定后在分界面处出现一层氧化铈膜，将具有疏水性的试纸片平铺在其中，停留使纳米氧化铈均匀地分布在试纸片上，然后取出试纸片，干燥后得到CeO2比色试纸片，即所述的基于变色纳米材料的比色试纸片。
2.根据权利要求1所述一种基于变色纳米材料的比色试纸片的制备方法，其特征在于，S1所述丙烯酸丁酯和丙烯酸异辛酯的体积比为2：5～5：2；S2所述纳米氧化铈水溶液的浓度为2～6mg/mL。
3.根据权利要求2所述一种基于变色纳米材料的比色试纸片的制备方法，其特征在于，S2所述环己烷与纳米氧化铈水溶液的体积比为1：5～3：5；S2所述环己烷与丙酮的体积比为1:2～3:1。
4.根据权利要求3所述一种基于变色纳米材料的比色试纸片的制备方法，其特征在于，S2所述环己烷与纳米氧化铈水溶液的体积比为2:5；S1所述等离子体处理的条件为：等离子功率8～15W，温度55～65℃，处理时间1～9min；S1所述滤纸为纤维素滤纸，所述纤维素滤纸的厚度为3mm；S2所述环己烷与丙酮的体积比为2:1.5；S1所述试纸片为直径为0.6cm的圆形试纸片。
5.根据权利要求1～4任一项所述一种基于变色纳米材料的比色试纸片的制备方法，其特征在于，S1所述真空干燥时间为3～6h；S1所述试纸片完全浸入的时间为0.5～1.5h；S2所述停留的时间为25～40min；S2所述干燥的温度为50～60℃；S2所述干燥的时间为40～50min。
6.权利要求1～5任一项所述一种基于变色纳米材料的比色试纸片的制备方法制备得到的基于变色纳米材料的比色试纸片。
7.权利要求6所述基于变色纳米材料的比色试纸片在检测食品中过氧化氢浓度中的应用，其特征在于，包括如下步骤：
(1)配置不同浓度的过氧化氢溶液和空白对照液，取相同体积的配置好的不同浓度的过氧化氢溶液和空白对照液分别滴加到所述基于变色纳米材料的比色试纸片上，待试纸显色后，拍摄显色照片，并对照片进行灰度处理，读取每个照片的灰度值；以过氧化氢溶液的浓度为x，其对应照片的灰度值为y1，进行线性拟合，得到过氧化氢溶液的浓度与照片灰度值的线性回归方程y；
(2)另取基于变色纳米材料的比色试纸片，将含有食品的溶液样品滴加到比色试纸片上，待试纸显色后，拍摄显色照片，并对照片进行灰度处理，读取照片的灰度值y’，代入步骤(1)所述的线性回归方程y，即得到含有食品的溶液样品中过氧化氢的浓度x’。
8.根据权利要求7所述基于变色纳米材料的比色试纸片在检测食品中过氧化氢浓度中的应用，其特征在于，步骤(2)所述含有食品的溶液样品按照0.3～0.6μL/mm2的量滴加到所述基于变色纳米材料的比色试纸片上；步骤(1)所述不同浓度的过氧化氢溶液的浓度个数最少为3个；步骤(1)所述不同浓度的过氧化氢溶液和空白对照液按照0.3～0.6μL/mm2的量滴加到所述基于变色纳米材料的比色试纸片上。
9.根据权利要求7或8所述基于变色纳米材料的比色试纸片在检测食品中过氧化氢浓度中的应用，其特征在于，步骤(2)所述含有食品的溶液样品为牛奶经离心后得到的上清液；步骤(1)所述过氧化氢溶液的浓度为1～50mg/L；步骤(2)所述含有食品的溶液样品中过氧化氢的溶度为0～50mg/L。
10.根据权利要求7所述基于变色纳米材料的比色试纸片在检测食品中过氧化氢浓度中的应用，其特征在于，步骤(1)所述空白对照液为纯水；步骤(1)和步骤(2)所述灰度处理采用的是AdobePhotoshop软件；所述灰度值的读取采用的是Image J软件。
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