CN113686431B - 一种用于紫外线目视检测的显色液及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种用于紫外线目视检测的显色液及其应用，该显色液是将3,3’,5,5’‑四甲基联苯胺溶于二甲基亚砜配制成母液，并用pH为3.5‑5.5的柠檬酸‑柠檬酸钠缓冲溶液将其稀释至浓度为0.02‑0.8mM制得。本发明显色液的底物对紫外光有特异性响应，灵敏度高，安全无毒，能直接发生颜色变化，几乎不受可见光和红外光的影响，加之显色会随着紫外辐照时间的累积逐渐增强，不仅能够准确实现对紫外光的目视检测，还特别适用于手环类便携式紫外检测传感器的目视分析检测，减少紫外光对人体皮肤的伤害。
Description
技术领域
本发明属于目视检测显色液及应用技术领域，具体涉及一种用于紫外光目视检测的显色液及其应用。
背景技术
紫外线(UV)是指波长从10-400nm范围内的辐射光，不同波长的紫外线对人体有不同程度的伤害。波长为320-400nm的紫外线(UVA)会加速皮肤衰老过程；人体长期暴露于波长为280-320nm的紫外线(UVB)会导致黑色素沉积，增大皮肤癌患病风险；200-280nm紫外线(UVC)能量最高，一旦照射到生物体，将带来致命的伤害。
太阳光包含大量的可见光、红外光以及少量的紫外线，人们日常接触的紫外线基本来源于太阳光的辐射。太阳光里的紫外线经大气层中的臭氧吸收后，到达地球的紫外线主要为95％的UVA和5％的UVB(Photochem.Photobiol.Sci.,2018,17(7),889-895)。因此，在新西兰、澳大利亚、美国等日晒充足的国家以及我国拉萨、海南、云南等地区，皮肤癌已成为对公众健康最大威胁的疾病之一，且皮肤癌治疗也给各地居民造成了巨大的经济负担。虽太阳光中不含UVC的紫外线，但基于UVC光照的消毒灯已广泛用于医院消毒、日常及工厂杀菌等领域，这也使其为人类生活带来便利的同时，进一步增加了人们尤其是相关工作人员暴露于紫外光的风险。因此，紫外线的个人检测至关重要。
紫外线对人体的伤害是一种累积效应，即人体的紫外辐照剂量会随时间的增加而累积，当超过阈值时将会产生皮肤伤害。最小红斑量(MED)是指皮肤产生红斑(晒伤或发红引起的毛细血管充血)的最小剂量，常作为人体的紫外辐照阈值。不同种类肤色的MED值存在差异，亚洲黄种人对UVA和UVB的MED标准值分别为500-800×103J/m2和450-600J/m2(Nat.Commun.,2018,9(1):3743)。因此对具有累积效应的剂量进行检测是衡量紫外辐射是否超标的重要手段，而简单、便携及价格亲民的检测设备有利于人们日常出行的携带及使用。
现有的紫外检测技术主要包括光电检测和光致变色检测两种方法。基于光电信号转换的检测方法多利用半导体材料，且已较广泛用于辐照计等紫外传感器中。但此类装置多用于辐照度的瞬时检测，均无法检测紫外剂量的累积效应，且价格较为昂贵，难以实现个人紫外光分析。后来出现的目视比色法因操作简单，可实现裸眼分析，已广泛用于化学生物领域中，如近年来，逐渐发展起来的基于有机分子光致变色的紫外目视比色检测装置(Adv.Mater.Technol.,2020,5(4):1901036)。但该显色体系仍较为复杂，显色分子成本较高且部分物质存在一定毒性，不利于推广至个人紫外防护分析。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的不足，首先提供一种显色体系简单且成本低廉的可用于紫外光目视检测的显色液。
本发明的另一目的是提供上述用于紫外光目视检测的显色液的应用。
本发明提供的一种显色体系简单且成本低廉的用于紫外光目视检测的显色液，该显色液是由以下方法制备而成：
(1)将3,3’,5,5’-四甲基联苯胺(TMB)溶于二甲基亚砜中，配制成40mM的TMB母液避光备用，同时配制pH为3.5-5.5的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲溶液，备用；
(2)用柠檬酸-柠檬酸钠缓冲溶液将TMB母液稀释至3,3’,5,5’-四甲基联苯胺浓度为0.02-0.8mM的显色液。
以上显色液中所述的3,3’,5,5’-四甲基联苯胺浓度优选为0.4-0.6mM。
以上显色液中所述的缓冲溶液pH优选为4.0-4.5。
本发明提供的用于紫外光目视检测显色液的应用，其特征在于是用于可穿戴便携式装置的紫外光目视分析检测。
本发明与现有技术相比，具有以下积极效果：
1.由于本发明提供的显色液对紫外光有特异性响应，且能直接发生颜色变化，几乎不受可见光和红外光的影响，因而能够准确实现对紫外光的目视检测。
2.由于本发明提供的显色液中所用底物TMB灵敏度高，安全无毒，反应体系简单，价格低廉，因而特别适用于便携式紫外检测传感器中。
3.由于本发明提供的显色液会随着紫外辐照时间的累积，显色程度会逐渐增强，使得颜色深浅直接与辐照剂量相关，因而可用于紫外光辐照剂量累积剂量的分析和判断。
4.由于由本发明提供的显色液创建的TMB纸基显色手环携带方便，可用于个人外出的紫外防护分析，因而可监控日照UVB剂量，以利于个人出行过程中判定太阳光中伤害性较大的UVB是否超过MED值，以便及时采取相关防护措施，减少紫外光对人体皮肤的伤害。
附图说明
图1为本发明提供的显色液在不同pH时3,3’,5,5’-四甲基联苯胺(TMB)的显色吸光度曲线图。从图1可看出，随着pH的增加，TMB显色吸光度先增强再减弱，其显色吸光最佳pH的范围为4.0-4.5。
图2为本发明提供的不同TMB浓度显色液的显色吸光度曲线图。从图2可看出，TMB显色后的吸光度随其浓度增加而增大，最优浓度范围为0.4-0.6mM。
图3为本发明提供的显色液在不同紫外光源光照下TMB的显色吸光度曲线图。从图中结果显示各种紫外光源照射均可使TMB显色。
图4为本发明提供的显色液用不同波长的氙灯光照TMB的显色吸光度变化曲线图。从图中结果显示仅紫外光能使TMB显色，显色液对可见光和红外光几乎无响应，且最佳响应波长范围为280-320nm(UVB)。
图5为本发明提供的显色液用不同剂量(控制UVB辐照强度为8W/m2，时间增加引起剂量累积)的紫外光照射显色液后的吸光度曲线图。由图可见显色液的颜色是与剂量累积效应相匹配的颜色累积，且在亚洲人MED值(450J/m2)左右吸光度较大，颜色明显，可用于目视分析UVB剂量是否超标。
图6为将本发明提供的显色液应用手环且在不同纸基负载材料下TMB的显色结果柱状图。从图中结果可知，定性滤纸Grade 3显色均匀，吸水性最强，显色最明显，因此，手环中显色纸基可选择此类滤纸作为显色纸基。
图7为本发明提供的显色液用于手环时的制备流程示意图。其中(A)为参比纸基的制作过程；(B)为显色纸基的制作过程；(C)为参比纸基和显色纸基负载于手环及手环在太阳光下颜色变化的示意图。
图8为采用本发明提供的显色液应用于显色手环以及手环直接在太阳光照射下，显色纸基颜色变化深浅与UVB辐照剂量关系的照片和曲线图。其中(A)(D)是太阳光照前手环上显色纸基与参比纸基的颜色对比；(B)(E)是太阳光照后手环上显色纸基的颜色变化：(B)辐照剂量未达到MED值时，显色纸基和参比纸基的颜色对比；(E)辐照剂量超过MED值时，显色纸基和参比纸基的颜色对比；(C)与图B对应光照时间段内的辐照强度监测；(F)与图E对应光照时间段内的辐照强度监测。图C和F中的辐照剂量是通过辐照强度与辐照时间的积分面积所求得。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明作进一步说明。值得指出的是，给出的实施例不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术人员根据本发明的内容对本发明做出的一些非本质的改进和调整仍应属于本发明保护范围。
实施例1–5
(1)将3,3’,5,5’-四甲基联苯胺(TMB)溶于二甲基亚砜中，配制成40mM的TMB母液避光备用，同时配制pH为3.5,4.0,4.5,5.0,5.5的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲溶液，备用；
(2)用柠檬酸-柠檬酸钠缓冲溶液将TMB母液稀释至3,3’,5,5’-四甲基联苯胺浓度为0.4mM的显色液；
(3)将不同pH的显色液在氙灯下(302nm)光照显色5min，随后通过分光光度计测定652nm处的吸光度，结果见表1。
表1
| pH值 | TMB浓度(mM) | 显色吸光度 | |
| 实施例1 | 3.5 | 0.4 | 0.898 |
| 实施例2 | 4.0 | 0.4 | 1.024 |
| 实施例3 | 4.5 | 0.4 | 1.004 |
| 实施例4 | 5.0 | 0.4 | 0.872 |
| 实施例5 | 5.5 | 0.4 | 0.593 |
实施例6–12
(1)将3,3’,5,5’-四甲基联苯胺(TMB)溶于二甲基亚砜中，配制成40mM的TMB母液避光备用，同时配制pH为4.0的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲溶液，备用；
(2)用柠檬酸-柠檬酸钠缓冲溶液将TMB母液稀释至3,3’,5,5’-四甲基联苯胺浓度为0.02,0.05,0.1,0.2,0.4,0.6,0.8mM的显色液；
(3)将不同浓度的显色液在氙灯下(302nm)光照显色2min，随后通过分光光度计测定652nm处的吸光度，结果见表2。
表2
| TMB浓度(mM) | pH值 | 显色吸光度 | |
| 实施例6 | 0.02 | 4.5 | 0.194 |
| 实施例7 | 0.05 | 4.5 | 0.247 |
| 实施例8 | 0.1 | 4.5 | 0.381 |
| 实施例9 | 0.2 | 4.5 | 0.439 |
| 实施例10 | 0.4 | 4.5 | 0.460 |
| 实施例11 | 0.6 | 4.5 | 0.467 |
| 实施例12 | 0.8 | 4.5 | 0.441 |
为了考察上述显色液的显色功效，本发明对以上制备的显色液做了以下检测：
(1)紫外光显色通用性的检测。将配制的TMB浓度为0.4mM显色液在不同类型的可产生紫外光的光源，即氙灯、LED灯、紫外卤素灯管及太阳光下光照显色5min，随后通过分光光度计测定652nm处的吸光度，结果见图3和表3。结果显示各种能产生紫外光的光源照射均可使TMB显色。
(2)紫外光显色特异性的检测。将配制的浓度为0.4mM显色液在如表4中不同波长的氙灯(其中含紫外光、可见光及红外光)下光照显色5min，随后通过分光光度计测定652nm处的吸光度，结果见图4。从结果显示仅紫外光能使TMB显色，显色液对可见光和红外光几乎无响应，且最佳响应波长范围为280-320nm(UVB)。
(3)紫外光中UVB的MED值的检测。对太阳光中危害性更大的UVB辐照剂量的累积效应引起的显色液颜色变化进行检测，将配制的浓度为0.4mM显色液在UVB辐照强度为8W/m2的紫外卤素灯下光照10-100s，对应剂量范围为80-800J/m2，光照后通过紫外-可见分光光度计测定652nm处的吸光度，结果见图5和表5。结果显示在剂量分析中，随UVB剂量累积，TMB显色液颜色加深，且MED值(450J/m2)左右TMB显色明显，验证了本发明提供的显色液可用于UVB的剂量检测。
实施例13
(1)将TMB溶解于二甲基亚砜中，配制成40mM的母液避光备用，同时配制pH为4.5的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲溶液；
(2)将TMB母液，加至上述缓冲液中，稀释TMB浓度为0.4mM的显色液；
(3)将显色液在氙灯、LED灯、卤素灯管、太阳光四种不同种类的紫外光源下光照显色5min，随后通过分光光度计测定652nm处的吸光度，结果见表3。
对比例1
本对比例采用的显色液的制备方法以及光照显色测定均同实施例13，只是其中未添加显色物质TMB，其在652nm处的吸光度见表3。
表3
| 紫外光源 | pH值 | TMB浓度(mM) | 显色吸光度 | |
| 对比例1 | 302nm氙灯 | 4.5 | 0.4 | 0.053 |
| 对比例1 | 310nm LED灯 | 4.5 | 0.4 | 0.037 |
| 对比例1 | 302nm卤素灯管 | 4.5 | 0.4 | 0.041 |
| 对比例1 | 太阳光 | 4.5 | 0.4 | 0.035 |
| 实施例13 | 302nm氙灯 | 4.5 | 0.4 | 1.133 |
| 实施例13 | 310nm LED灯 | 4.5 | 0.4 | 1.353 |
| 实施例13 | 302nm卤素灯管 | 4.5 | 0.4 | 0.732 |
| 实施例13 | 太阳光 | 4.5 | 0.4 | 0.546 |
实施例14
(1)将TMB溶解于二甲基亚砜中，配制成40mM的母液避光备用，同时配制pH为4.5的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲溶液；
(2)将TMB母液加至缓冲液中，稀释TMB浓度为0.4mM的显色液；
(3)将显色液放在表4所示不同波长的150W氙灯下光照显色5min，随后通过分光光度计测定652nm处的吸光度，结果见表4。
表4
| 光照波长(nm) | pH值 | TMB浓度(mM) | 显色吸光度 |
| 240 | 4.5 | 0.4 | 0.056 |
| 250 | 4.5 | 0.4 | 0.128 |
| 260 | 4.5 | 0.4 | 0.219 |
| 270 | 4.5 | 0.4 | 0.337 |
| 280 | 4.5 | 0.4 | 0.476 |
| 290 | 4.5 | 0.4 | 0.623 |
| 300 | 4.5 | 0.4 | 0.792 |
| 310 | 4.5 | 0.4 | 1.019 |
| 320 | 4.5 | 0.4 | 1.188 |
| 330 | 4.5 | 0.4 | 1.194 |
| 340 | 4.5 | 0.4 | 0.589 |
| 350 | 4.5 | 0.4 | 0.261 |
| 360 | 4.5 | 0.4 | 0.057 |
| 380 | 4.5 | 0.4 | 0.027 |
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| 650 | 4.5 | 0.4 | 0.049 |
| 700 | 4.5 | 0.4 | 0.009 |
| 750 | 4.5 | 0.4 | 0.009 |
| 800 | 4.5 | 0.4 | 0.012 |
实施例15-22
(1)将TMB溶解于二甲基亚砜中，配制成40mM的母液避光备用，同时配制pH为4.5的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲溶液；
(2)将TMB母液加至上述缓冲液中，稀释TMB浓度为0.4mM的显色液；
(3)将显色液在UVB辐照强度为8W/m2的紫外灯下光照不同时间：10、20、30、40、50、60、80、100s，其对应的辐照剂量分别为80、160、240、320、400、480、640、800J/m2，随后通过紫外-可见分光光度计测定652nm处的吸光度，结果见表5。
对比例2
本对比例采用的方法以及光照显色测定均同实施例15-22，只是未在紫外灯下进行光照，其在652nm处的吸光度见表5。
表5
| TMB浓度(mM) | 辐照剂量(J/m<sup>2</sup>) | 显色吸光度 | |
| 对比例2 | 0.4 | 0 | 0.011 |
| 实施例15 | 0.4 | 80 | 0.146 |
| 实施例16 | 0.4 | 160 | 0.268 |
| 实施例17 | 0.4 | 240 | 0.392 |
| 实施例18 | 0.4 | 320 | 0.500 |
| 实施例19 | 0.4 | 400 | 0.617 |
| 实施例20 | 0.4 | 480 | 0.710 |
| 实施例21 | 0.4 | 640 | 0.854 |
| 实施例22 | 0.4 | 800 | 0.987 |
应用例
将TMB溶解于二甲基亚砜中，配制成40mM的母液避光备用，同时配制pH为4.5的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲溶液。
将TMB母液加至上述缓冲液中，稀释TMB浓度为0.4mM的显色液。
移取20μL显色液，滴至Grade 3定性滤纸纸基上，将滤纸放在辐照强度为10W/m2的UVB紫外灯下光照45s，此时辐照剂量为450J/m2，与黄种人皮肤类型VI的MED值相同，提取变色后纸基的RGB值，并以该RGB值打印固定的纸基以防止紫外光照进一步使参比颜色发生变化，作为参比纸基(如图7A)。
移取20μL显色液，滴至Grade 3定性滤纸纸基，并用聚二甲基硅氧烷(PDMS)膜对该纸片进行密封处理，作为显示纸基(如图7B)。
将以上配制的紫外光目视检测显色液应用于可穿戴便携式装置中，本应用例的可穿戴便携式装置为手环。该手环的厚度至少为5mm，其一侧的外环面上平行开有两个显示盲孔，盲孔大小应保证匹配的参比纸基和显色纸基能顺利放入其中。使用前将以上方法制备好的蓝色参比纸基放入手环其中的一个盲孔内，作为永久性的参比颜色，使用时将以上方法制备的白色显示纸基(显色纸基仅供一次性检测使用，但可反复替换该纸基)放入另一个盲孔内，如图8A所示。当手环在太阳下进行紫外光检测时，该手环在太阳光较弱时光照10min后，显色纸基从无色变蓝，但其颜色浅于参比纸基，如图8B所示，证明此时UVB辐照量未超过MED值，对人体的紫外辐照量暂时是安全的。当手环在太阳光较强时光照5min后，显色纸基就会从无色变蓝，且颜色略深于参比纸基(如图8E)，证明此时UVB辐照量已超过MED，即可提醒使用人此时应采取相关防护措施了，以免引起皮肤晒伤。同时在该时间段内，本发明也通过辐照计实时监测了辐照度，并通过辐照度-时间的积分求得其剂量为202J/m2和471J/m2(见图8C和图F)，结果与手环判定结果一致，证实了本发明提供的显色液能够应用于手环时检测的可靠性。
Claims (3)
1.一种用于紫外光目视检测的显色液的应用，其特征在于该应用是用于可穿戴便携式装置的紫外光目视分析检测，所述的可穿戴便携式装置为手环，该手环的厚度至少为5 mm，其一侧的外环面上平行开有两个显示盲孔，
蓝色参比纸基放入手环其中的一个盲孔内，作为永久性的参比颜色，其是由以下方法制备而成：移取20 μL显色液，滴至Grade 3定性滤纸纸基上，将该纸基放在辐照强度为10W/m2的UVB紫外灯下光照45 s，此时辐照剂量为450 J/m2，提取变色后纸基的RGB值，并以该RGB值打印固定的纸基作为参比纸基；
白色显色纸基放入另一个盲孔内，使用时移取20 μL显色液，滴至该纸基上，并用聚二甲基硅氧烷膜对该纸基进行密封处理作为显色纸基；
所述的显色液是由以下方法制备而成：
（1）将3,3’,5,5’-四甲基联苯胺溶于二甲基亚砜中，配制成40 mM的TMB母液避光备用，同时配制pH为3.5-5.5的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲溶液，备用；
（2）用柠檬酸-柠檬酸钠缓冲溶液将TMB母液稀释至3,3’,5,5’-四甲基联苯胺浓度为0.02-0.8 mM的显色液。
2.根据权利要求1所述的用于紫外光目视检测的显色液的应用，其特征在于该应用中所述显色液的3,3’,5,5’-四甲基联苯胺浓度为0.4-0.6 mM。
3.根据权利要求1或2所述的用于紫外光目视检测的显色液的应用，其特征在于该应用中所述显色液的缓冲溶液pH为4.0-4.5。
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