CN111982833B - 一种咖啡因分子的检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种咖啡因分子的检测方法，属于光子晶体和分子印迹技术领域。本发明的技术方案主要包括：制备咖啡因分子印迹聚合物前驱液、制备基于一维光子晶体结构咖啡因分子印迹聚合物膜、制备咖啡因分子印迹膜、确定线性方程、测定样品中咖啡因含量。本发明所用的制备方法与传统的分子印迹制备方法相比，结合了一维光子晶体结构，且将分子印迹与光子晶体技术相结合制备的薄膜在进行实际应用时操作简单且重复性良好。

Description

一种咖啡因分子的检测方法

技术领域

本发明涉及一种咖啡因分子的检测方法，具体涉及光子晶体与分子印迹技术领域。

背景技术

咖啡因又称咖啡碱，是一种黄嘌呤生物碱化合物，具有兴奋中枢神经的作用，普遍存在于咖啡、茶叶等食品中。随着社会的发展食品添加剂也在更广泛的被人类应用于食品中，咖啡因也被当作食品添加剂常添加于能量型饮料以及软饮料中。但是如果长期摄取大剂量咖啡因会使人成瘾，因此对咖啡因含量快速高效检测具有重要意义,常规检测咖啡因采用色谱法，但色谱法需要大型仪器，无法现场检测，且样品前处理繁琐，检测时间较长。

发明内容

本发明的目的是通过复制一维光子晶体结构制备具有一维光子晶体结构的咖啡因分子印迹聚合物膜。本发明制备的具有一维光子晶体结构的咖啡因分子印迹聚合物膜易于携带和检测，制备时间短，制备过程简单，且可以对咖啡因分子专一性识别，价值高，应用前景较好。

检测原理为：当白色入射光照射在传感器表面时，反射光的波长符合光栅方程：mλ＝d(sinθ₁+θ_D)，其中m为衍射级数，λ为衍射光波长，θ₁为光源入射角；θ_D为反射角；d为光栅周期。

当分子印迹膜与咖啡因分子结合时，会引起膜上面的台阶高度的改变，从而影响反射光谱的反射率，反射率的变化随浓度的变化呈线性关系，从而检测样品分子浓度。

本发明的技术方案如下：一种咖啡因分子的检测方法，包括如下步骤：

(1)制备咖啡因分子印迹聚合物前驱液：将模板分子咖啡因、双单体甲基丙烯酸和丙烯酰胺、交联剂三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯加入到甲醇溶液中，搅拌至混合均匀；再加入光引发剂2959，氮气除氧，即可得到前驱液；

(2)制备基于一维光子晶体结构咖啡因分子印迹聚合物膜：在清洁的玻璃片上滴加步骤(1)制备得到的前驱液，将一维光子晶体模板覆盖在前驱液上使前驱液铺满光子晶体模板，置于紫外灯下照射引发聚合，待聚合完全后揭下膜；

(3)制备咖啡因分子印迹膜：用甲醇/乙酸溶液作为洗脱液洗脱模板分子，则得到咖啡因分子印迹膜；

(4)确定线性方程：将步骤(3)制备得到的咖啡因分子印迹膜置于咖啡因溶液中，取出后用光谱仪测定不同浓度时分子印迹膜的反射光谱；

-logC＝R/5.15-8.12；

其中：C为待测咖啡因浓度，R为最大反射光谱波长处的反射强度；

(5)测定样品中咖啡因含量：将咖啡因分子印迹膜置于待测溶液中得到峰强度，根据线性方程计算咖啡因浓度。

光子晶体结构是指由不同折射率的电介质材料空间周期性排列组成的结构，这种特殊的周期性结构与光具有独特的相互作用，在特定的波长处能够提供高效率的反射。一维光子晶体是光子晶体最基本的构型，在布拉格光纤光栅、半导体激光器及平面反射镜等方面得到了广泛的应用。分子印记是通过在本体聚合反应中加入所需要的模板分子，当聚合物成膜后再完全的去除膜中的模板分子，此时聚合物薄膜中就会包含许多印迹腔，该印迹腔能够与模板分子特异性匹配从而产生印迹效果的一种制备方法。分子印迹聚合物由于其具有模拟特定识别能力，已被用作生物传感器中的新型传感元件与电化学、表面等离子体、共振光谱和光致电子转移等不同类型的传感器相结合。

本发明的有益效果如下：

(1)本发明在制备光子晶体膜过程中，需要选择适宜的紫外光能量、固化时间、照射距离以及照射角度等因素，否则制备的膜过硬、过脆、过软以及不均匀，以至于无法使用；在制备应用于本发明的分子印迹过程中，需要调节聚合单体的比例、固化剂的种类和浓度、光引发剂的种类和浓度等因素。筛选适合本分子印迹膜的的洗脱液，该洗脱液应保证光子晶体结构完整，且洗脱掉目标分子，留下完整的分子印迹空穴。

(2)本发明所用的制备方法与传统的分子印迹制备方法相比，结合了一维光子晶体结构，且将分子印迹与光子晶体技术相结合制备的薄膜在进行实际应用时操作简单且重复性良好。

(3)本发明制备的具有一维光子晶体结构的咖啡因分子印迹聚合物膜与传统法制备的分子印迹聚合物膜相比，实际应用时需要的仪器造价便宜且结构相对简单，且聚合物保存时间较长。

(4)本发明采用分子印迹与光子晶体技术结合制备的传感器膜对咖啡因具有专一性识别。咖啡因具有兴奋中枢神经的作用，它普遍存在于咖啡、茶叶、食品中等，对咖啡因含量快速高效检测具有重要意义。

(5)本发明制备的咖啡因分子印迹聚合物膜，可用于快速检测实际生活中的咖啡因含量，且操作简单易携带。

附图说明

图1为一维光子晶体模板扫描电镜图；

图2为不同浓度咖啡因反射光谱变化；

其中：a、水，b、10^-9mol/L，c、10^-8mol/L，d、10^-7mol/L，e、10^-6mol/L，f、10^-5mol/L。

图3为不同浓度咖啡因与相应光谱反射率线性曲线。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步的说明，但本发明不以任何形式受限于实施例内容。实施例中所述试验方法如无特殊说明，均为常规方法；如无特殊说明，所述试剂和生物材料，均可从商业途径获得。作为优选，光引发剂2959购自上海引昌新材料有限公司。

实施例1 咖啡因分子印迹聚合物前驱液制备

(1)将模板分子咖啡因(1.30mmol)，双单体甲基丙烯酸(7.29mmol)和丙烯酰胺(30.96mmol)以及交联剂三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯0.36mmol，加入到含2.4mL甲醇溶液的圆底烧瓶中混合，25℃下搅拌过夜12h；

(2)混合均匀后，在步骤(1)得到的溶液中加入光引发剂2959 0.083mmol，均匀搅拌30min，氮气除氧5min，则得到前驱液。

实施例2 基于一维光子晶体结构的聚合物膜的制备

(1)取清洁的玻璃片，在玻璃片上滴加250μL实施例1制备好的前驱液，然后取20mm×20mm跨度为761nm，高度为75nm台阶间距为351nm的一维光子晶体模板，沿一侧缓慢覆盖于前驱液上，且不能出现气泡，光子晶体模板如图1所示；

(2)将玻璃片置于36W紫外灯下进行引发聚合2h，待完全聚合后揭下，得到基于一维光子晶体结构的聚合物膜。

实施例3 咖啡因分子印迹膜制备

(1)配制10mL甲醇:乙酸＝9:1的混合溶液，将聚合好的聚合物膜置于其中，进行超声洗涤；

(2)每超声15min更换一次洗脱液，更换4次，共计超声洗脱1h；

(3)超声洗脱完后，用甲醇溶液冲洗分子印迹膜表面以洗去多余的乙酸溶液。

实施例4 咖啡因测定

取制备好的咖啡因分子印迹膜，分别置于不同浓度的咖啡因溶液中5min，取出膜后立即用光谱仪测定其反射光谱变化。测定结果如图2。从图中可以看出，反射光谱波长为553nm，且传感器膜在与咖啡因溶液相互作用时对水并无明显响应，不受水分子的影响，即传感器膜不会发生明显的溶胀作用。当咖啡因浓度逐渐增大时，由于分子印迹传感器膜与咖啡因分子相互作用，使得分子印迹空腔被咖啡因占据，导致光谱反射峰强度逐渐下降，且该传感器可以检测到的最低浓度为10^-9mol/L。为了更好的观察反射峰强度与咖啡因浓度的关系，因此对其相应关系进行了线性拟合，线性方程为用-logC＝R/5.15-8.12(R为最大反射光谱波长处的反射强度，C为咖啡因浓度)，线性相关性可达0.9894，线性曲线如图3，根据线性方程可以看出，在10^-9mol/L～10^-5mol/L浓度范围内，咖啡因浓度负对数和其相应反射率呈现良好的线性关系。因此，该传感器膜可实现对咖啡因分子的专一性检测。

实施例5 样品中咖啡因浓度测定

取咖啡因分子印迹膜置于稀释过的待测某饮料样品中5min，取出后立即用光谱仪测定膜反射光谱。根据咖啡因浓度的负对数与其光谱反射率线性关系方程式计算得到所测样品中咖啡因浓度约为4.07×10^-5mol/L。

实施例6 咖啡因传感器抗干扰能力的测定

本发明还考察了咖啡因的结构类似物茶碱和氨茶碱等，发现1000倍以上浓度的结构类似物不干扰测定，1000倍浓度以上的无机盐不干扰测定，表明本传感器抗干扰能力很强。

Claims (1)

1.一种咖啡因分子的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)制备咖啡因分子印迹聚合物前驱液：将模板分子咖啡因、甲基丙烯酸、丙烯酰胺、三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯加入到甲醇溶液中，搅拌至混合均匀；再加入光引发剂2959，氮气除氧，即可得到前驱液；

(2)制备基于一维光子晶体结构咖啡因分子印迹聚合物膜：在清洁的玻璃片上滴加步骤(1)制备得到的前驱液，将一维光子晶体模板覆盖在前驱液上使前驱液铺满光子晶体模板，置于紫外灯下照射引发聚合，待聚合完全后揭下膜；

(3)制备咖啡因分子印迹膜：用甲醇/乙酸溶液作为洗脱液洗脱模板分子，则得到咖啡因分子印迹膜；

(4)确定线性方程：将步骤(3)制备得到的咖啡因分子印迹膜置于咖啡因溶液中，取出后用光谱仪测定不同浓度时分子印迹膜的反射光谱；

-logC＝R/5.15-8.12；

其中：C为待测咖啡因浓度，R为最大反射光谱波长处的反射强度；

(5)样品中咖啡因含量的测定：将咖啡因分子印迹膜置于待测溶液中得到反射强度，根据线性方程计算咖啡因浓度。