CN111175264A - 基于苝衍生物探针的用于牛奶掺假分析检测的荧光传感器阵列 - Google Patents

基于苝衍生物探针的用于牛奶掺假分析检测的荧光传感器阵列 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于苝衍生物探针的用于牛奶掺假分析检测的荧光传感器阵列,涉及传感器阵列技术领域。解决现有技术中应用于牛奶掺假分析检测领域的传感器阵列构建体系复杂且成本较高的技术问题。本发明基于阳离子聚合物诱导的苝衍生物探针自组装，开发了一种新型的基于苝衍生物探针的用于牛奶掺假分析检测的荧光传感器阵列。利用本发明的荧光传感器阵列，可区分掺杂不同浓度掺假物的牛奶，并表现出对掺假物浓度的线性相关性，因此本发明也具有定量检测牛奶掺假的能力。本发明的荧光传感器阵列，所需材料成本低，无需大型仪器，便捷高效。本发明的荧光传感器阵列，实验方法简单，无需复杂程序。

Description

基于苝衍生物探针的用于牛奶掺假分析检测的荧光传感器 阵列
技术领域
本发明涉及传感器阵列技术领域，具体涉及一种基于苝衍生物探针的用于牛奶掺假分析检测的荧光传感器阵列。
背景技术
牛奶掺假会降低牛奶质量，威胁人类健康，因此必须开发出有效的分析检测方法。现有的牛奶掺假分析检测方法大多基于谱学技术，这些方法尽管具有较高的灵敏度，但一方面购买大型仪器所需的成本高昂，另一方面这些方法多数仅能针对一种或一类掺假物进行检测，存在局限性。近年来，传感器阵列作为一种新兴技术，在食品的分析检测领域应用广泛，在牛奶掺假的鉴别方面也有应用。这种方法是基于多个非特异性或半选择性检测单元与每种待分析物之间的相互作用不同，从而对多种待分析物进行区分。
目前用于区分检测的传感器阵列已有许多报道，包括基于电信号变化的电化学传感器阵列(电子鼻、电子舌)、基于石英晶体微天平(QCM)的传感器阵列、基于传感元件颜色变化的比色传感器阵列等。基于荧光信号变化的荧光传感器阵列具有设备简单、可进行荧光成像、且拥有荧光增强、荧光猝灭以及比率荧光等多种信号输出模式等优点，在各种物质的区分检测领域应用前景广阔。到目前为止，荧光传感器阵列在食品分析检测领域已有许多应用，在最近的文献中已经报道了利用荧光传感器阵列对多种食品的区分，如饮用水、茶、葡萄酒等。2017年，Lijun Zhang等人构建了一种基于芘衍生物的传感器阵列，成功区分了14种不同品牌的饮用水(ACS Sens.2017,2,1821)。2018年，Benhua Wang 等人构建了一种基于荧光共轭聚合物的传感器阵列，成功区分了22种不同品牌的茶(ACS Sens.2018,3,504)。2019年，Kewei Wang等人构建了一种基于上转换荧光纳米粒子的传感器阵列，成功区分了9种不同品牌的葡萄酒(RSC Adv. 2019,9,7349)。
用于牛奶掺假分析检测的传感器阵列也有报道。2018年，Lijuan Du等人构建了一种基于蛋白质流动注射质谱的传感器阵列，实现了对掺假牛奶的鉴别(图 1，FoodChem.2018,240,573)。同年，William Limm等人构建了一种基于中红外光谱的传感器阵列，实现了对奶粉掺假的鉴别(Int.Dairy J.2018,85,177)。 2019年，Jinhui Yang等人构建了一种基于高效液相色谱串联质谱的传感器阵列，实现了对牛奶中掺杂植物蛋白的检测(Food Sci.Nutr.2019,7,56)。此外，用于牛奶区分检测的荧光传感器阵列也有报道。2016年，Radeemada Mungkarndee 等人构建了一种基于小分子荧光探针的传感器阵列，成功区分了市面上6种不同类型的牛奶(图2，Food Chem.2016,197,198)。
传统的牛奶掺假分析检测方法大多存在实验步骤繁琐、时间或经济成本较高等问题，并且大多数用于掺假物检测的方法都是针对特定的一种或一类掺假物建立的。传感器阵列的方法虽然可以解决这些问题，但现有的应用于牛奶掺假分析检测领域的传感器阵列大多数基于各种谱学的方法，构建体系复杂且所需仪器昂贵。
发明内容
本发明要解决现有技术中应用于牛奶掺假分析检测领域的传感器阵列构建体系复杂且成本较高的技术问题，基于阳离子聚合物诱导的苝衍生物探针自组装，开发了一种新型的基于苝衍生物探针的用于牛奶掺假分析检测的荧光传感器阵列。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案具体如下：
本发明提供一种基于苝衍生物探针的用于牛奶掺假分析检测的荧光传感器阵列，其是利用阳离子聚合物诱导苝衍生物探针(PeryProbe)自组装构建的荧光传感器阵列。
在上述技术方案中，所述基于苝衍生物探针的用于牛奶掺假分析检测的荧光传感器阵列，是由以下三个传感元件组成的传感器阵列；
阳离子聚合物P1-苝衍生物探针(PeryProbe)复合物；
阳离子聚合物P2-苝衍生物探针(PeryProbe)复合物；
阳离子聚合物P3-苝衍生物探针(PeryProbe)复合物；
其中，苝衍生物探针结构式如下：
Figure BDA0002370330630000031
阳离子聚合物P1的结构式如下：
Figure BDA0002370330630000032
其中：x＝785，y＝290；
阳离子聚合物P2的结构式如下：
Figure BDA0002370330630000033
其中：n1＝200；
阳离子聚合物P3的结构式如下：
Figure BDA0002370330630000041
其中：n2＝260。
在上述技术方案中，在使用本发明所述荧光传感器阵列进行检测时需用缓冲液将PeryProbe配成浓度为10μM，阳离子聚合物P1、阳离子聚合物P2、及阳离子聚合物P3均需用缓冲液配成浓度为30μM。
在上述技术方案中，所述缓冲液的组成为：pH 7.5的5mM Tris-HCl，5mM NaCl，1mMMgCl2·6H2O。
在上述技术方案中，本发明所述荧光传感器阵列为3种阳离子聚合物×2个发射峰的六个传感通道组成的传感器阵列；3种阳离子聚合物分别为阳离子聚合物 P1、阳离子聚合物P2、及阳离子聚合物P3，2个发射峰分别为苝衍生物探针单体发射峰547nm、和苝衍生物探针缔合物发射峰674nm。
在上述技术方案中，本发明所述荧光传感器阵列可以定量检测牛奶掺杂物。
本发明的有益效果是：
本发明基于阳离子聚合物诱导的苝衍生物探针自组装，开发了一种新型的基于苝衍生物探针的用于牛奶掺假分析检测的荧光传感器阵列。
特别的是本发明利用阳离子聚合物P1、P2、P3诱导苝衍生物探针自组装，构建了一种新型荧光传感器阵列，用于牛奶掺假的分析和检测。
利用本发明的荧光传感器阵列，可区分掺杂不同浓度掺假物的牛奶，并表现出对掺假物浓度的线性相关性，因此本发明也具有定量检测牛奶掺假的能力。
本发明的荧光传感器阵列，所需材料成本低，无需大型仪器，便捷高效。
本发明的荧光传感器阵列，实验方法简单，无需复杂程序。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
图1为现有技术中基于蛋白质流动注射质谱的传感器阵列对掺假牛奶的鉴别示意图。
图2为现有技术中基于小分子荧光探针的传感器阵列对不同类型牛奶的区分示意图。
图3为本发明的荧光传感器阵列的示意图，其中(a)阳离子聚合物和探针的结构图，(b)基于苝衍生物探针自组装的用于牛奶掺假分析检测的荧光传感器阵列原理图。
图4为PeryProbe单体及PeryProbe缔合物的荧光强度随聚合物浓度变化曲线，其中a、c、e分别为PeryProbe单体的荧光强度与阳离子聚合物P1、P2、P3 的浓度变化曲线，b、d、f分别为PeryProbe缔合物的荧光强度与阳离子聚合物 P1、P2、P3的浓度变化曲线。
图5为用本发明的荧光传感器阵列对牛奶蛋白的区分检测图，其中a、b分别显示了蛋白质浓度为1μM和200nM；图中BSA为牛血清白蛋白，α-CN为α- 酪蛋白，β-CN为β-酪蛋白，α-LA为α-乳白蛋白，β-LG为β-乳球蛋白。
图6为用本发明的荧光传感器阵列对纯牛奶和其他饮品的鉴别图。
图7为用本发明的荧光传感器阵列对掺杂不同比例豆浆的牛奶的区分检测图(a)及因子1随豆浆比例的变化曲线(b)。
图8为用本发明的荧光传感器阵列对掺杂不同比例MEL的牛奶的区分检测图(a)及因子1与MEL添加比例之间的线性关系图(b)。
具体实施方式
本发明的发明思想为：传统的牛奶掺假分析检测方法大多存在实验步骤繁琐、时间或经济成本较高等问题，并且大多数用于掺假物检测的方法都是针对特定的一种或一类掺假物建立的。传感器阵列的方法可以解决这些问题，但现有的应用于牛奶掺假分析检测领域的传感器阵列大多数基于各种谱学的方法，构建体系复杂且所需仪器昂贵。针对以上问题，本发明基于阳离子聚合物诱导的苝衍生物探针自组装，开发了一种新型的基于苝衍生物探针自组装的用于牛奶掺假分析检测的传感器阵列。
苝衍生物在水溶液中易通过静电相互作用，而被诱导形成集聚体，从而导致单体荧光的猝灭，并产生缔合物荧光。本发明即利用阳离子聚合物诱导苝衍生物探针(PeryProbe)自组装，构建了一种新型荧光传感器阵列，用于牛奶掺假的分析和检测。三种阳离子聚合物(P1，P2，P3)被用于诱导PeryProbe集聚，图3a为所用阳离子聚合物和探针的化学结构。如图3b所示，PeryProbe在中性水溶液中发出单体荧光。加入阳离子聚合物后，由于探针与聚合物之间的静电相互作用，PeryProbe被诱导形成自组装集聚体，单体荧光急剧猝灭，并产生缔合物荧光。具有不同结构特征的阳离子聚合物对PeryProbe聚集的影响表现出明显的不同。当向体系中添加带负电荷的蛋白质后，阳离子聚合物与蛋白质相互作用，引起PeryProbe解集聚，从而使单体荧光恢复，缔合物荧光降低。同样，不同的蛋白质会引起不同的荧光信号变化。基于上述现象，本发明构建了由六个通道[3种聚合物×2个发射峰(单体和缔合物)]组成的传感器阵列，并成功区分牛奶中的5种主要蛋白质。由于不同的饮品中蛋白质的种类和含量不同，导致荧光输出信号的不同，因此本发明可成功从不同饮品中鉴别出纯牛奶。此外，利用本发明构建的传感器阵列，可区分掺杂不同浓度掺假物的牛奶，并表现出对掺假物浓度的线性相关性，因此本发明也具有定量检测牛奶掺假的能力。
实施例1阳离子聚合物诱导苝衍生物探针自组装
本实施例的基于苝衍生物探针的用于牛奶掺假分析检测的荧光传感器阵列，是由以下三个传感元件组成的传感器阵列；阳离子聚合物P1-苝衍生物探针 (PeryProbe)复合物，阳离子聚合物P2-苝衍生物探针(PeryProbe)复合物，和阳离子聚合物P3-苝衍生物探针(PeryProbe)复合物；
其中，苝衍生物探针结构式如下：
Figure BDA0002370330630000071
阳离子聚合物P1的结构式如下：
Figure BDA0002370330630000072
其中：x＝785，y＝290；
阳离子聚合物P2的结构式如下：
Figure BDA0002370330630000073
其中：n1＝200；
阳离子聚合物P3的结构式如下：
Figure BDA0002370330630000074
其中：n2＝260。
图4为PeryProbe单体及PeryProbe缔合物的荧光强度随聚合物浓度变化曲线，如图4(a,c,e)所示，随着阳离子聚合物浓度的增加，PeryProbe单体荧光猝灭，当聚合物浓度达到40μM时，PeryProbe单体荧光达到一个平台。如图4(b, d,f)所示，不同阳离子聚合物的加入对缔合物荧光产生不同的影响。对于P1，当P1浓度从0增加到20μM时，探针缔合物荧光增强，当P1浓度继续增加时，缔合物荧光略微下降。对于P2和P3，当其浓度增加时，缔合物荧光表现为先升高再下降，并分别在P2浓度为15μM以及P3浓度为20μM时达到缔合物荧光最大值。为了使后续实验中荧光信号的变化达到最大，选择3种阳离子聚合物的浓度均为30μM，用于进一步研究。
在使用本实施例所述荧光传感器阵列进行检测时需用缓冲液将PeryProbe配成浓度为10μM，阳离子聚合物P1、阳离子聚合物P2、及阳离子聚合物P3均需用缓冲液配成浓度为30μM；所述缓冲液的组成为：pH 7.5的5mM Tris-HCl，5mM NaCl，1mM MgCl2·6H2O。
实施例2基于实施例1的阳离子聚合物-PeryProbe传感器阵列对牛奶中蛋白质的区分检测
基于不同阳离子聚合物-PeryProbe传感器阵列对各种蛋白质的不同响应，构建了由六个传感通道[3种阳离子聚合物(P1，P2，P3)×2个发射峰(547和 674nm)]组成的传感器阵列，用于区分牛奶中的五种主要蛋白质。每种蛋白质都会引起PeryProbe荧光发射产生不同的变化，将全部的探针发射强度数据(6 个通道×5种牛奶蛋白质×6次重复)通过线性判别分析(LDA)进行分析。将 LDA分析结果的前两个因子分别作为横纵坐标制成二维图谱参见图5。图5a,b 分别显示了蛋白质浓度为1μM和200nM时，本传感器阵列对牛奶中5种主要蛋白质的区分检测能力。如图5所示，每种蛋白质都被明显区分，没有重叠，这表明了本传感器阵列针对多种牛奶蛋白进行区分的有效性。
实施例3基于实施例1的阳离子聚合物-PeryProbe传感器阵列从其他饮品中鉴别牛奶
根据牛奶和其他饮品中蛋白质种类和含量的不同，本发明将实施例1的阳离子聚合物-PeryProbe传感器阵列应用于从其他饮品中鉴别牛奶。选择了7种品牌的纯牛奶(1-7)和9种其他饮品(8-16)，包括饮用水、碳酸饮料、果汁、茶、咖啡、粥和豆浆。在阳离子聚合物的存在下，随着不同饮品的添加，PeryProbe 在547和674nm处的发射强度发生不同的变化，从而形成每种牛奶及其他饮品的特异性指纹图谱。如图6所示，每种品牌牛奶的指纹图谱高度相似，而与其他饮品极为不同。因此，本传感器阵列可通过生成独特的指纹图谱来识别未知样品是否为纯牛奶，从而验证了其识别掺假牛奶的能力。
实施例4基于实施例1的阳离子聚合物-PeryProbe传感器阵列对牛奶掺假的鉴别
首先，区分了掺杂不同比例豆浆(0-100％，v/v)的掺假牛奶。由于蛋白质含量不同，每种样品会引起独特的荧光变化。随后，通过LDA对全部数据[6 个通道×8种牛奶样品(1种纯牛奶和7种掺假牛奶)×6次重复]进行分析处理，并根据LDA结果的前两个因子生成二维图谱。如图7a所示，8种样品清晰地区分为八个集合，并且任意两个集合之间均无重叠。此外，由于因子2不超过40％，因此可以使用因子1进行牛奶掺假物的定量分析。图7b为因子1随豆浆比例的变化曲线，可以观察到从0至100％的较大线性范围，曲线方程为y＝0.53x-20.92，相对系数(R2)为0.99。
另外，还研究了对掺杂不同比例三聚氰胺(MEL)的牛奶的区分检测。根据牛奶包装上提供的成分清单，计算出牛奶中的氮含量约为0.5％(w/w)。由于 MEL中氮的质量分数为66.7％，因此制备了3.75mg/mL MEL作为储备溶液，以使氮浓度与牛奶中的氮浓度保持一致。由于蛋白质含量不同，掺杂不同体积 MEL(0-100％)的掺假牛奶样品会使探针产生不同的荧光信号。通过LDA对全部数据[6个通道×8种牛奶样品(1种纯牛奶和7种掺假牛奶)×6次重复] 进行分析，作出二维图谱。如图8a所示，8种样品被成功区分，没有重叠。由于LDA结果的因子2不超过40％，因此因子1可以作为定量检测掺入纯牛奶中 MEL的参数。图8b显示了因子1与MEL添加比例之间的线性关系，线性拟合曲线的线性范围为0-80％，曲线方程为y＝1.13x-49.02，R2为0.99。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。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。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (6)

1.一种基于苝衍生物探针的用于牛奶掺假分析检测的荧光传感器阵列，其特征在于，其是利用阳离子聚合物诱导苝衍生物探针自组装构建的荧光传感器阵列。
2.根据权利要求1所述的基于苝衍生物探针的用于牛奶掺假分析检测的荧光传感器阵列，其特征在于，其是由以下三个传感元件组成的传感器阵列；
阳离子聚合物P1-苝衍生物探针(PeryProbe)复合物；
阳离子聚合物P2-苝衍生物探针(PeryProbe)复合物；
阳离子聚合物P3-苝衍生物探针(PeryProbe)复合物；
其中，苝衍生物探针结构式如下：
Figure FDA0002370330620000011
阳离子聚合物P1的结构式如下：
Figure FDA0002370330620000012
其中：x＝785，y＝290；
阳离子聚合物P2的结构式如下：
Figure FDA0002370330620000013
其中：n1＝200；
阳离子聚合物P3的结构式如下：
Figure FDA0002370330620000021
其中：n2＝260。
3.根据权利要求2所述的基于苝衍生物探针的用于牛奶掺假分析检测的荧光传感器阵列，其特征在于，在使用所述荧光传感器阵列进行检测时需用缓冲液将苝衍生物探针配成浓度为10μM，阳离子聚合物P1、阳离子聚合物P2、及阳离子聚合物P3均需用缓冲液配成浓度为30μM。
4.根据权利要求3所述的基于苝衍生物探针的用于牛奶掺假分析检测的荧光传感器阵列，其特征在于，所述缓冲液的组成为：pH 7.5的5mM Tris-HCl，5mM NaCl，1mM MgCl2·6H2O。
5.根据权利要求2所述的基于苝衍生物探针的用于牛奶掺假分析检测的荧光传感器阵列，其特征在于，所述荧光传感器阵列为3种阳离子聚合物×2个发射峰的六个传感通道组成的传感器阵列；3种阳离子聚合物分别为阳离子聚合物P1、阳离子聚合物P2、及阳离子聚合物P3，2个发射峰分别为苝衍生物探针单体发射峰547nm、和苝衍生物探针缔合物发射峰674nm。
6.根据权利要求1-5任意一项所述的基于苝衍生物探针的用于牛奶掺假分析检测的荧光传感器阵列，其特征在于，所述荧光传感器阵列可以定量检测牛奶掺杂物。
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