CN114136956A - 一种基于可视化传感器通道的石斛产地溯源方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于可视化传感通道的石斛产地溯源方法，它包括基于紫色三角形纳米银、石斛提取液和Zn2+反应体系的可视化传感检测通道1和/或基于蓝色三角形纳米银、石斛提取液和Cr3+反应体系的可视化传感检测通道2；分别记录通道中反应所得混合体系的颜色变化信息I和/或颜色变化信息II；将颜色变化信息I或颜色变化信息II转变为RGB值，或将颜色变化信息I和颜色变化信息II转变得到的RGB值进行叠加；最后通过化学计量学方法对RGB值进行模式识别，从而实现对石斛产地的快速可视化鉴别。该方法具有操作简便、检测速度快、灵敏度高、可视化等优点，可实现石斛产地的精准判别；且检测方案灵活可控，适用性广。
Description
技术领域
本发明属于化学分析检测技术领域，具体涉及一种基于可视化传感器通道的石斛产地溯源方法。
背景技术
石斛为兰科(Oorihdaceae)植物石斛属(Dendoribum)多种植物的茎，属于一种药用价值和使用价值极高的草本植物。石斛药用始载于《神农本草经》，列为上品，称其“主伤中、除痹、下气、补五脏、虚劳赢瘦、强阴”，历代本草和《中国药典》均有记载。现代药理学研究表明，石斛含有多糖、酚类、生物碱等化合物，具有抗氧化、增强免疫力、抗肿瘤、调节胃肠功能等作用。石斛主产于安徽、浙江、贵州和云南等地，其中，安徽省所产石斛品质最佳，品种主要为霍山石斛种，浙江和云南产石斛品种主要为铁皮石斛，贵州石斛主要以金钗石斛为主。由于石斛产地和品种较多，各产区地理位置、气候环境以及农作方式差异巨大，导致不同产地石斛有效成分和药理活性差异巨大，有必要加强对该类药材的质量控制。
通常用于石斛产地鉴别的方法主要包括液相色谱法，气相色谱法，色谱-质谱联用法以及光谱法等，这些方法虽然具有准确度高，灵敏度高等优点，但通常需要借助昂贵的仪器、复杂的前处理过程，配备专业的操作人员且耗时长，大大限制了应用，不能满足市场快速检测的需求。因此，需要进一步建立一种操作简单，快速且经济的检测方法用于石斛产地的溯源以满足市场需求。
发明内容
本发明的主要目的在于针对现有技术存在的不足，提供一种基于双通道可视化传感器的石斛产地溯源方法，利用石斛提取液可保护纳米银免遭Zn2+、Cr3+蚀刻三角形纳米银且纳米银随蚀刻程度呈现的颜色变化等特性，构建一种可视化鉴别石斛产地的传感器，以实现对不同产地石斛的快速、简便、精准识别。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于可视化传感通道的石斛产地溯源方法，它包括可视化传感检测通道1和/或可视化传感检测通道2；
其中可视化传感检测通道1的检测步骤包括：将紫色三角形纳米银与石斛提取液混合，然后引入Zn2+，静置反应，记录所得混合体系的颜色变化信息I；
可视化传感检测通道2的检测步骤包括：将蓝色三角形纳米银与石斛提取液混合，然后引入Cr3+，静置反应，记录所得混合体系的颜色变化信息II；
将颜色变化信息I或颜色变化信息II，或将颜色变化信息I和颜色变化信息II进行叠加；然后将其转变为RGB值，通过化学计量学方法对RGB值进行模式识别，从而实现对石斛产地的快速可视化鉴别。
上述方案中，所述静置反应时间为3～5min。
上述方案中，所述化学计量学方法可采用线性判别分析(LDA)或偏最小二乘判别分析(PLSDA)方法。
上述方案中，所述石斛产地包括安徽、浙江、云南或贵州省。
上述方案中，所述石斛提取液采用超声提取工艺，采用的提取剂为20～25vol％的甲醇水溶液，采用的料液比为1g:(300～500)mL。
上述方案中，所述紫色三角形纳米银和蓝色三角形纳米银的边长为30～50nm。
上述方案中，所述紫色三角形纳米银的制备方法包括如下步骤：将AgNO3、柠檬酸三钠和H2O2水溶液搅拌混合均匀，然后快速加入NaBH4，室温25～30℃下剧烈搅拌反应25～30min，生成紫色胶体溶液；其中AgNO3、柠檬酸三钠、引入的H2O2和NaBH4的摩尔比为1:(15～20):(0.1～0.3):(4.5～5.5)；其中AgNO3在所得反应体系中的浓度为9×10-5～10×10- 5mol/L。
上述方案中，所述蓝色三角形纳米银的制备方法包括如下步骤：将AgNO3、柠檬酸三钠和H2O2水溶液搅拌混合均匀，然后快速加入NaBH4，室温25～30℃下剧烈搅拌25～30min，生成蓝色胶体溶液；其中AgNO3、柠檬酸三钠、引入的H2O2和NaBH4的摩尔比为1:(15～20):(0.1～0.3):(3～4.5)；其中AgNO3在所得反应体系中的浓度为9×10-5～10×10-5mol/L。
上述方案中，所述检测通道1中，引入的石斛成分的含量以步骤1)中引入石斛样品的生药计为0.5～1.0mg生药/mL；引入的Zn2+浓度为1.5～3.0×10-3mol/L；引入的紫色三角形纳米银的浓度为0.3～0.9mg/mL。
上述方案中，所述检测通道2中，引入的石斛成分的含量以步骤1)中引入石斛样品的生药计为0.5～1.0mg生药/mL；引入的Cr3+浓度为3.0～8.0×10-4mol/L；引入的蓝色三角形纳米银的浓度为0.1～0.5mg/mL。
当上述溯源方法包括可视化传感检测通道1和可视化传感检测通道2时，可提供一种基于双通道可视化传感器的石斛产地溯源方法，具体包括如下步骤：
1)将不同产地的石斛样品进行提取，得石斛提取液；
2)在检测通道1中，将紫色三角形纳米银与石斛提取液混合，然后引入Zn2+，反应3～5min，记录所得混合体系的颜色变化信息I；
在检测通道2中，将蓝色三角形纳米银与石斛提取液混合，然后引入Cr3+，反应3～5min，记录所得混合体系的颜色变化信息II；
3)将颜色变化信息I和颜色变化信息II进行叠加，转变为RGB值，通过化学计量学方法对RGB值进行模式识别，从而实现对石斛产地的快速可视化鉴别。
本发明的原理为：
本发明将石斛提取液与纳米银反应后，再加入金属离子，利用石斛提取液中有效组分对纳米银的保护作用(石斛中的多种成分与纳米银通过氢键和范德华力等协同作用在纳米银表面固定形成保护，保护AgNPRs免受金属离子的蚀刻)及不同产地石斛提取液对纳米银的保护程度的差异，导致不同程度的抗蚀刻效果并体现出一系列的颜色变化；再利用这一颜色信息，并结合化学计量学方法，实现不同石斛产地的快速、高效鉴别。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1)本发明提出了基于可视化传感通道的石斛产地溯源的新方法，具有操作简便、检测速度快、灵敏度高、可视化等优点，可实现石斛产地的精准判别；
2)本发明所述石斛产地溯源方法可包括单通道检测和双通道检测手段，可根据检测条件和要求进行灵活调整，适用性广。
附图说明
图1为本发明所述基于双通道可视化传感器的石斛产地溯源方法的检测示意图。
图2为纳米银不同状态的TEM表征图；其中，A为通道1紫色纳米银体系，B为通道2蓝色纳米银体系，a为AgNPRs条件，b为AgNPRs+M+条件，c为AgNPRs+M+条件(放大倍数后的聚集状态)，d为AgNPRs+石斛提取液+M+条件。
图3为4种不同产地石斛的色变响应图；其中a为通道1；b为通道2。
图4为本发明实施例1所述双通道可视化传感器鉴别不同产地石斛的PLSDA判别结果；其中a为通道1；b为通道2；c为通道1和通道2结合。
图5为本发明实施例1所述双通道可视化传感器鉴别不同产地石斛的LDA判别结果；其中a为通道1；b为通道2。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
以下实施例中，采用的三角形纳米银的制备方法包括如下步骤：将50mL浓度为1×10-4mol/L的AgNO3溶液、3mL浓度为30mmol/L的二水合柠檬酸三钠溶液以及120μL浓度为30wt％的H2O2的水溶液混合在100mL烧杯中，并在25℃下剧烈搅拌，分别将200μL 100mmol/L的NaBH4溶液快速加入该混合物中，剧烈搅拌，反应30min后，生成蓝色三角形纳米银胶体溶液，最终获得其质量浓度为0.5mg/mL；将250μL 100mmol/L的NaBH4溶液快速加入该混合物中，剧烈搅拌，反应30min后，生成紫色三角形纳米银胶体溶液，最终获得其质量浓度为1.1mg/mL。
实施例1
一种基于可视化传感器通道的石斛产地溯源方法，其流程示意图见图1，具体包括如下步骤：
1)分别取安徽、浙江、云南和贵州省四个产地的石斛样品各10个，过50目筛，然后分别使用25vol％的甲醇水溶液进行超声提取，料液比为1g:400mL，提取温度为25～30℃，提取时间为30min；
2)分别采用单通道的通道1、通道2，以及基于通道1和通道2的双通道手段(通道1+2)进行石斛产地溯源，分别包括如下步骤：
2-1；在通道1中，取400μL紫色三角形纳米银胶体溶液和600μL的蒸馏水作为空白溶液，400μL的紫色三角形纳米银胶体溶液和200μL浓度为1×10-2mol/L的Zn2+(乙酸锌)以及400μL的水作为对照组，加入400μL紫色三角形纳米银胶体溶液和350μL石斛提取液，再加入200μL浓度为1×10-2mol/L的Zn2+(乙酸锌)以及50μL的蒸馏水作为实验组，其中石斛提取液共10个平行样本，每个样本的反应时间均为10min；使用手机相机记录反应后的纳米银色变响应；通过Photoshop 2021版软件提取10×10的像素点，通过MATLAB R2017a平台对提取的像素点进行R,G,B值的提取，最后基于RGB值的数据矩阵对4个产地石斛进行模式识别，主要包括线性判别分析(LDA)和偏最小二乘判别分析(PLSDA)；
2-2；在通道2中，取300μL蓝色三角形纳米银胶体溶液和700μL的蒸馏水作为空白溶液，300μL的蓝色三角形纳米银胶体溶液和50μL浓度为1×10-2mol/L的Cr3+(氯化铬)以及650μL的水作为对照组，加入300μL蓝色三角形纳米银胶体溶液和350μL石斛提取液，再加入50μL的Cr3+以及300μL的蒸馏水作为实验组，其中石斛提取液共10个平行样本，每个样本的反应时间均为10min；使用手机相机记录反应后的纳米银色变响应；通过Photoshop 2021版软件提取10×10的像素点，通过MATLAB R2017a平台对提取的像素点进行R,G,B值的提取，最后基于RGB值的数据矩阵对4个产地石斛进行模式识别，主要包括线性判别分析(LDA)和偏最小二乘判别分析(PLSDA)；
2-3；分别获取步骤2-1和步骤2-2所得纳米银色变响应信息，通过Photoshop 2021版软件提取10×10的像素点，通过MATLAB R2017a平台对提取的像素点进行R,G,B值的提取，将步骤2-1和步骤2-2提取的R,G,B值进行叠加，最后基于叠加的RGB值的数据矩阵对4个产地石斛进行模式识别，采用偏最小二乘判别分析(PLSDA)。
图2为纳米银不同状态的TEM表征图；其中，A为通道1紫色纳米银体系，其中a为所得紫色AgNPRs的原始分散状态，可以看出所得紫色AgNPRs呈三角形，其边长为30～50nm；与Zn2+混合后会对三角形AgNPRs进行蚀刻，导致纳米银形态转变并发生聚集；利用石斛提取液对纳米银进行预处理后，可保护纳米银免遭Zn2+蚀刻三角形纳米银；
图2B为通道2蓝色纳米银体系，其中a为所得蓝色AgNPRs的原始分散状态，可以看出所得蓝色AgNPRs呈三角形，其边长为30～50nm；与Cr3+混合后会对三角形AgNPRs进行蚀刻，导致纳米银形态转变并发生聚集；利用利用石斛提取液对纳米银进行预处理后，可保护纳米银免遭Cr3+蚀刻三角形纳米银。
图3为2个检测通道中，4种不同产地石斛的色变响应图，同一个产地内石斛样本具有一定的差异性，原因是同一个产地内的石斛样本在生长过程中受到的环境影响的程度具有一定的差异性，因此化合物在体内的积累程度具有微小的差异，但是总体上每个产地的石斛都具有相近的分布。不同产地之间石斛具有明显的色变响应，原因是由于不同产地地理环境、气候条件等存在差异，导致不同产地的石斛样本当中的化合物含量存在显著差异，因此造成阻止纳米银聚集且形貌改变的程度不同，最终使不同产地的石斛产生明显的色变响应及差异。
判别结果如图4，5以及表2和表3。表1中4种不同产地石斛RGB值PLSDA训练集和预测集的划分结果表明训练集样本数均大于预测集样本数，共有4种石斛产地，每个产地有10个样本，通道1在state＝7的时候，选取最佳隐变量为6，该条件下，训练集的判别准确率为100％，预测集的判别准确率为80.0％；通道2在state＝8的时候，选取最佳隐变量为4，该条件下，训练集的准确率为100％，预测记得准确率为92.31％。另外，线性判别分析结果(图5和表3)表明，基于三角形银纳米粒子的双通道可视化传感器可实现4个产地石斛的100％正确判别。
表1 4种不同产地石斛RGB值PLSDA训练集和预测集的划分结果
表2. 4种不同产地石斛RGB值PLSDA判别结果
表3 4种不同产地石斛RGB值LDA判别结果
上述实施例仅是为了清楚地说明所做的实例，而并非对实施方式的限制。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他不同形式的变化或者变动，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举，因此所引申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内。
Claims (10)
1.一种基于可视化传感通道的石斛产地溯源方法，其特征在于，它包括可视化传感检测通道1和/或可视化传感检测通道2；
其中可视化传感检测通道1的检测步骤包括：将紫色三角形纳米银与石斛提取液混合，然后引入Zn2+，静置反应，记录所得混合体系的颜色变化信息I；
可视化传感检测通道2的检测步骤包括：将蓝色三角形纳米银与石斛提取液混合，然后引入Cr3+，静置反应，记录所得混合体系的颜色变化信息II；
将颜色变化信息I或颜色变化信息II转变为RGB值，或将颜色变化信息I和颜色变化信息II转变得到的RGB值进行叠加；通过化学计量学方法对RGB值进行模式识别，从而实现对石斛产地的快速可视化鉴别。
2.根据权利要求1所述的石斛产地溯源方法，其特征在于，所述静置反应时间为3～5min。
3.根据权利要求1所述的石斛产地溯源方法，其特征在于，所述化学计量学方法可采用线性判别分析或偏最小二乘判别分析方法。
4.根据权利要求1所述的石斛产地溯源方法，其特征在于，所述石斛产地包括安徽、浙江、云南或贵州省。
5.根据权利要求1所述的石斛产地溯源方法，其特征在于，所述石斛提取液采用超声提取工艺，采用的提取剂为20～25vol％的甲醇水溶液，采用的料液比为1g:(300～500)mL。
6.根据权利要求1所述的石斛产地溯源方法，其特征在于，所述紫色三角形纳米银和蓝色三角形纳米银的尺寸边长为30～50nm。
7.根据权利要求1所述的石斛产地溯源方法，其特征在于，所述紫色三角形纳米银的制备方法包括如下步骤：将AgNO3、柠檬酸三钠和H2O2水溶液搅拌混合均匀，然后快速加入NaBH4，室温25～30℃下搅拌反应25～30min，生成紫色胶体溶液；其中AgNO3、柠檬酸三钠、引入的H2O2和NaBH4的摩尔比为1:(15～20):(0.1～0.3):(4.5～5.5)；其中AgNO3在所得反应体系中的浓度为9×10-5～10×10-5mol/L。
8.根据权利要求1所述的石斛产地溯源方法，其特征在于，所述蓝色三角形纳米银的制备方法包括如下步骤：将AgNO3、柠檬酸三钠和H2O2水溶液搅拌混合均匀，然后快速加入NaBH4，室温25～30℃下搅拌25～30min，生成蓝色胶体溶液；其中AgNO3、柠檬酸三钠、引入的H2O2和NaBH4的摩尔比为1:(15～20):(0.1～0.3):(3～4.4)；其中AgNO3在所得反应体系中的浓度为9×10-5～10×10-5mol/L。
9.根据权利要求1所述的石斛产地溯源方法，其特征在于，所述可视化传感检测通道1中，引入的石斛成分的含量以石斛提取液中引入石斛样品的生药计为0.5～1.0mg生药/mL；引入的Zn2+浓度为1.5～3.0×10-3mol/L；引入的紫色三角形纳米银的质量浓度为0.3～0.9mg/mL。
10.根据权利要求1所述的石斛产地溯源方法，其特征在于，所述可视化传感检测通道2中，引入的石斛成分的含量以石斛提取液中引入石斛样品的生药计为0.5～1.0mg生药/mL；引入的Cr3+浓度为3.0～8.0×10-4mol/L；引入的蓝色三角形纳米银的质量浓度为0.1～0.5mg/mL。
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