CN112858236B - 一种基于碳量子点的双通道荧光传感器及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于碳量子点的双通道荧光传感器及其应用，以间氨基苯酚碳量子点和间苯二胺碳量子点为荧光染料，以乙醇作为分散体系，构建一个双通道阵列传感器，在乙酸、乳酸、丁酸、己酸及糠醛的定量分析方面的应用，将阵列传感器的每一个通道中平行添加待测样品进行反应，反应后，在激发波长为365nm的条件下测量各反应孔荧光，通过偏最小二乘回归法，对荧光全光谱进行分析，从而对四种酸及糠醛进行定量分析。本发明提供的双通道荧光传感器具有制作简单，成本低廉等优点，并能用于乙酸、乳酸、丁酸、己酸及糠醛的定量分析及富含四种酸和糠醛样品的区分。

Description

一种基于碳量子点的双通道荧光传感器及其应用

技术领域

本发明属于阵列传感器领域，具体涉及一种基于碳量子点的双通道荧光阵列传感器，可用于乙酸、乳酸、丁酸、己酸及糠醛的定量分析。

背景技术

白酒是世界上最古老的蒸馏酒之一，已有几千年的历史。由于原料、贮存年限、窖年、发酵过程的不同，导致蒸馏产物中化合物的组成和含量存在差异，从而导致白酒风味和品质的不同。迄今为止，已报道的挥发性化合物有1870多种，包括醇类、酸类、酯类、醛类、酮类、酚类、含氮化合物和含硫化合物等。近年来，白酒造假已经成为市场上一个重要问题。大多数假白酒只是用原酒稀释，或者是酒精、水和风味的混合物，这将危及消费者的健康。此外，由于消费者很难辨别白酒的品质和储存年份，这就促使不法商贩以低价白酒冒充优质白酒，或谎报真实的储存年份。因此，有必要开发合适的分析方法来监测白酒的质量。

近年来，已经开发了多种分析鉴定白酒的方法，包括色谱-质谱法和光谱法等。然而，前者往往需要复杂的预处理、费时、昂贵的仪器和较高的专业要求，极大地阻碍了其在现场的实时检测。后者具有光谱重叠，无法实现快速直观的分析。此外，光谱学通常只能提取有限的信息，难以实现精确的监测。近年来，由于纳米材料的引入，阵列传感器，被称为一个强大的传感平台多通道检测，是基于传感元件和分析物之间的交叉反应。产生的多通道信号被转换成一个特定的模式来识别各种分析物。阵列传感器可以实现高通量信息的快速提取和转换，在复杂分析物的识别方面具有很多优势。

碳量子点(CDs)作为一种新兴的碳基荧光纳米材料，因其优异的水溶性、良好的光稳定性、低毒性和良好的生物相容性而备受关注。稳定的荧光信号输出和准确的检测结果使CDs成为构建传感器阵列的理想选择。近年来，基于碳量子点的传感器阵列被开发用于识别和分析各种分析物。

发明内容

本发明提供一种基于碳量子点的双通道荧光阵列传感器，其具有制作简单，成本低廉等优点，并能用乙酸、乳酸、丁酸、己酸及糠醛的定量分析。

本发明为解决上述问题所采用的技术方案为：一种基于碳量子点的双通道荧光阵列传感器的设计方法，具体步骤如下：

(1)将间氨基苯酚溶于无水乙醇中，间氨基苯酚与无水乙醇的用量比为1g：10mL，溶解后转移至反应釜中，密封后在180℃下水热反应12小时，然后冷却至室温，CH₃OH/CH₂Cl₂(6:1,v/v)柱层析纯化后得到碳量子点溶液，放至4℃的冰箱储存备用；

(2)将间苯二胺溶于无水乙醇中，间苯二胺与无水乙醇的用量比为1g：10mL，溶解后转移至反应釜中，密封后在180℃下水热反应12小时，然后冷却至室温，CH₃OH/CH₂Cl₂(6:1,v/v)柱层析纯化后得到碳量子点溶液，放至4℃的冰箱储存备用。

(3)以间氨基苯酚碳量子点和间苯二胺碳量子点为荧光染料，分别以乙醇作为分散体系，在荧光分光度的检测条件为激发电压400V，激发波长为365nm，激发波长和发射波长的狭缝为10nm下，所测强度为600-800，构建一个双通道阵列传感器。

进一步地，所述阵列传感器中每一个反应孔中的间氨基苯酚碳量子点或间苯二胺碳量子点浓度均相同。

本发明还提供一种基于碳量子点的双通道荧光阵列传感器在乙酸、乳酸、丁酸、己酸及糠醛的定量分析方面的应用。

进一步地，应用方法为：将阵列传感器的每一个通道中平行添加待测样品进行反应，反应后，在激发波长为365nm的条件下测量各反应孔荧光，通过偏最小二乘回归法，对荧光全光谱进行分析，从而对四种酸及糠醛进行定量分析。

进一步地，所述待测样品中乳酸的浓度需稀释到0.005mmol/L-10mmol/L，乙酸、丁酸、己酸的浓度需稀释到0.01mmol/L-10mmol/L，糠醛的浓度需稀释到0.02mmol/L-10mmol/L。

进一步地，所述每一个通道中平行添加待测样品进行反应的条件为室温反应5-10min。

与现有技术相比，本发明的技术方案的优点和有益效果是：

本发明提供的基于碳量子点荧光阵列传感器只需两种碳量子点就能组成阵列传感器，相比于需要多种有机染料为反应点的阵列传感器，具有制作简单、成本低廉等优点。

本发明提供的基于碳量子点荧光阵列传感器，灵敏度高、稳定性好，碳量子点荧光强度随着酸类物质浓度的增加而降低，且新产生的荧光峰强度随着酸类物质浓度的增加而增加，碳量子点对酸的响应是由于氢离子使碳量子点质子化，碳量子点表面的氨基被质子化，从而导致更容易发生荧光的状态，观察到荧光强度增加。而碳量子点与糠醛之间可能存在聚合诱导增强(AIE)效应，糠醛可与碳量子点表面基团协调，导致表面电荷变化，使碳量子点荧光增强并伴随位移。这些酸类物质及糠醛在较低溶液浓度的范围内与碳量子点的荧光强度也能成很好的线性关系。通过构建偏最小二乘回归(PLSR)模型分析酸类物质及糠醛，实现这类化合物的定量分析。本发明在酒精饮料风味物质的定量分析中具有潜在的应用价值。

附图说明

图1为本发明基于碳量子点的双通道传感阵列快速鉴别酸和糠醛的方法示意图。

图2为不同浓度的乙酸(a)、乳酸(b)、丁酸(c)和己酸(d)的融合光谱，插图是基于加入不同浓度酸后溶液原始荧光光谱的PLSR模型的真实浓度与预测浓度之间的相关图。

图3为不同浓度的糠醛的融合光谱，插图是基于加入不同浓度糠醛后溶液原始荧光光谱的PLSR模型的真实浓度与预测浓度之间的相关图。

图4为阵列传感器用于判别41种白酒的典型分数图

图5为不同白酒和混合风味物质的融合光谱。

具体实施方式

本发明旨在提出一种基于碳量子点的双通道荧光阵列传感器快速分析酸和糠醛的方法。白酒中存在乙酸、乳酸、丁酸、己酸、糠醛等多种风味物质，且不同白酒之间风味物质的含量及组成有所差异，从而显示不同白酒不同的荧光变化。因此，只要获取不同白酒的荧光指纹图谱，便可对不同白酒进行快速鉴别，荧光指纹图谱可以采用化学计量学方法进行分析。

实施例1：

如图1所示，本实施例为基于碳量子点的双通道荧光阵列传感器区分不同的商业白酒，具体实施步骤如下：

(1)碳量子点的合成：

将0.3g间氨基苯酚溶于无水乙醇中，间氨基苯酚与无水乙醇的用量比为1g：10mL，溶解后转移至50mL反应釜中，密封后在180℃下水热反应12小时，然后冷却至室温，CH₃OH/CH₂Cl₂₍6:1,v/v)柱层析纯化后得到蓝色发光的碳量子点溶液，放至4℃的冰箱储存备用；将0.3g间苯二胺溶于无水乙醇中，间苯二胺与无水乙醇的用量比为1g：10mL，溶解后转移至50mL反应釜中，密封后在180℃下水热反应12小时，然后冷却至室温，CH₃OH/CH₂Cl₂(6:1,v/v)柱层析纯化后得到蓝色发光的碳量子点溶液，放至4℃的冰箱储存备用。

(2)荧光传感器阵列的构建：

双通道阵列传感器:将0.03mg m-AP@CDs和0.05mg m-PD@CDs分别溶于900μL乙醇中，构建双通道阵列传感器，所述阵列传感器中每一个反应孔中的间氨基苯酚碳量子点或间苯二胺碳量子点浓度均相同，其浓度由碳量子点荧光量子产率决定，使其应用于阵列传感器的浓度在光径为10mm的荧光比色皿中，在荧光分光度的检测条件为激发电压400V，激发波长为365nm，激发波长和发射波长的狭缝为10nm下，所测强度为600-800。扫描三次溶液在加入100μL白酒后5min溶液的荧光强度(以52％乙醇为对照)，实验独立重复4次，得到12个重复数据。

该传感阵列结合PLSR模型对5种风味物质的定量分析结果如图2、图3和表1所示，图2和图3分别为两种CDs不同浓度的乙酸(a)、乳酸(b)、丁酸(c)和己酸(d)的融合光谱图，横坐标变量数是两种CDs的发射波长拼接，变量数1-1091为间氨基苯酚碳量子点对风味物质的荧光响应，变量数1092-2182为间苯二胺碳量子点对风味物质的荧光响应，纵坐标为溶液荧光强度，插图是基于加入不同浓度酸后溶液原始荧光光谱的PLSR模型的真实浓度与预测浓度之间的相关图。表1显示了该阵列结合PLSR定量结果：训练集的回收率为96.44％～102.42％，预测集的回收率为96.89％～105.06％，RMSEC小于0.0209×10-3mol/L,RMSEP小于0.0541×10-3mol/L。RMSEC和RMSEP分别为训练集和预测集均方根误差，该值用来评估校正模型的准确性。R2C和R2P用来评估训练集和预测集中的预测值和真实值的相关关系。结果表明，传感器阵列的荧光变化与香味物质的浓度呈良好的线性关系，该传感器阵列具有良好的糠醛和有机酸类的定量分析能力。

表1.对5种风味物质定量分析结果

(3)对不同商业白酒进行模式识别分析：将阵列传感器的每一个通道中平行添加待测样品进行反应，反应后，在激发波长为365nm的条件下测量各反应孔荧光，通过偏最小二乘回归法，对荧光全光谱进行分析，从而商业白酒中乙酸、乳酸、丁酸、己酸、糠醛进行定量分析。所述每一个通道中平行添加待测样品进行反应的条件为室温反应5-10min。所述待测样品中乳酸的浓度需稀释为5μmol/L、10μmol/L、20μmol/L、100μmol/L、200μmol/L、600μmol/L、1mmol/L、6mmol/L、10mmol/L，乙酸、丁酸、己酸的浓度需稀释到为10μmol/L、20μmol/L、100μmol/L、200μmol/L、600μmol/L、1mmol/L、6mmol/L、10mmol/L，糠醛的浓度需稀释到为20μmol/L、100μmol/L、200μmol/L、600μmol/L、1mmol/L、6mmol/L、10mmol/L。

本实施例选取了41种商业白酒，白酒酒样信息见表2所示。

表2.41种商业白酒

采用上述的双通道荧光阵列传感器分别对41种代表性浓香型白酒进行荧光响应，将训练矩阵(2个碳点×样本数×12个重复)转换为标准分数将所得荧光峰值通过SYSTAT13.2用LDA进行分析。

判别结果如图4和表3所示，由于白酒中乙酸、乳酸、丁酸、己酸和糠醛含量上的差异性，酱香型白酒中的糠醛含量远高于其他香型白酒，浓香型和清香型白酒中的四种酸含量较高，因此不同白酒与传感器的荧光响应有所差异。传感器阵列结合LDA能实现对不同白酒的区分，每一种白酒都能准确判别，判别结果达到100％，即本发明提供的双通道荧光阵列传感器能对不同品牌的中国白酒进行准确的判别。

表3.不同品牌商业白酒刀切分类判别矩阵

实施例2：

本实施例为基于双通道荧光阵列传感器实现复杂白酒基质的半定量分析。

白酒中丁酸和己酸的浓度较低，几乎不会引起传感器响应的变化。另一方面，乙酸的浓度高达10mmol/L，在不同白酒中浓度相近。因此，根据文献报道的白酒中乳酸和糠醛的实际含量，选择不同浓度的乳酸、糠醛和10mmol/L乙酸来研究传感器对混合风味物质的响应。详细信息见表4。

表4.混合风味物质的详细信息

如图5所示，这3个化合物在白酒的荧光指纹光谱中对应了4个特征峰。在430nm处(间氨基苯酚碳量子点和间苯二胺碳量子点)的峰是由多种化合物的协同作用形成的，而在510nm处(间氨基苯酚碳量子点)和490nm处(间苯二胺碳量子点)的峰是主要是由乳酸和糠醛的协同作用形成的。因此通过比较白酒与混合化合物的荧光光谱信号，可以确定各白酒中乳酸和糠醛的浓度范围。对于浓香型白酒L17，乳酸的浓度在1～6mmol/L左右(更接近6mmol/L)，糠醛的浓度在0.1～1mmol/L。对于酱香型白酒L20，乳酸浓度在6～10mmol/L左右，糠醛浓度在0.1～1mmol/L左右。对于清香型白酒L24和兼香型白酒L32，乳酸的浓度在1～6mmol/L左右(更接近1mmol/L)，糠醛的浓度在0.1～1mmol/L。以上结果表明，该传感器阵列不仅可以实现单一物质的定量分析，还可以实现复杂白酒基质干扰下风味物质的半定量分析。

上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于碳量子点的双通道荧光阵列传感器的设计方法，其特征在于，具体步骤如下：

(1)将间氨基苯酚溶于无水乙醇中，间氨基苯酚与无水乙醇的用量比为1g：10mL，溶解后转移至反应釜中，密封后在180℃下水热反应12小时，然后冷却至室温，

CH₃OH/CH₂Cl₂(6:1,v/v)柱层析纯化后得到碳量子点溶液，放至4℃的冰箱储存备用；

(2)将间苯二胺溶于无水乙醇中，间苯二胺与无水乙醇的用量比为1g：10mL，溶解后转移至反应釜中，密封后在180℃下水热反应12小时，然后冷却至室温，CH₃OH/CH₂Cl₂(6:1,v/v)柱层析纯化后得到碳量子点溶液，放至4℃的冰箱储存备用；

(3)以间氨基苯酚碳量子点和间苯二胺碳量子点为荧光染料，分别以乙醇作为分散体系，在荧光分光度的检测条件为激发电压400V，激发波长为365nm，激发波长和发射波长的狭缝为10nm下，所测强度为600-800，构建一个双通道阵列传感器，所述阵列传感器中每一个反应孔中的间氨基苯酚碳量子点或间苯二胺碳量子点浓度均相同。

2.一种基于权利要求1所述的方法设计的基于碳量子点的双通道荧光阵列传感器在乙酸、乳酸、丁酸、己酸及糠醛的定量分析方面的应用，将阵列传感器的每一个通道中平行添加待测样品进行反应，反应后，在激发波长为365nm的条件下测量各反应孔荧光，通过偏最小二乘回归法，对荧光全光谱进行分析，从而对四种酸及糠醛进行定量分析，所述待测样品中乳酸的浓度需稀释到0.005mmol/L-10mmol/L，乙酸、丁酸、己酸的浓度需稀释到0.01mmol/L-10mmol/L，糠醛的浓度需稀释到0.02mmol/L-10mmol/L。

3.根据权利要求2所述的应用，其特征在于，所述每一个通道中平行添加待测样品进行反应的条件为室温反应5-10min。