CN114166808A - 可视化定量检测Vc含量的方法及便携式智能传感系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种可视化定量检测Vc含量的方法及便携式智能传感系统。该便携式智能传感系统包括通过适配器安装在智能手机背部的暗盒；在暗盒内设有紫外灯，暗盒的底部固定有荧光试纸条；在荧光试纸条上的蜡圈内印刷有SiCDs+Fe³⁺荧光传感器溶液；检测时将待测样品溶液滴到蜡圈内，紫外灯照射蜡圈内区域，由智能手机进行拍照，识别图片RGB值，并由相应数据处理模块进行计算得出待测样品溶液中Vc含量。本发明应用硅碳量子点(SiCDs)巧妙地设计了一种“关‑开”的荧光传感器来检测Vc，荧光试纸条具有绿色无毒、低成本、易于储存、运输和处置等优点，基于智能手机使检测过程更加直观，实现了在线实时检测。

Description

可视化定量检测Vc含量的方法及便携式智能传感系统

技术领域

本发明涉及Vc检测技术领域，具体地说是一种可视化定量检测Vc含量的方法及便携式智能传感系统。

背景技术

维生素C(Vc，也称抗坏血酸)是一种高度水溶性的成分，对人体健康起着极其重要的作用。它对各种生物过程都很重要，例如作为一种有效的抗氧化剂，减少对Vc过氧化物酶底物的氧化应激。在临床实践中，Vc可用于缓解白癜风，降低癌症发病率。Vc不能在人体内合成，必须通过食物、药物等摄入。Vc的摄入对于治疗普通感冒、坏血病、精神疾病、腹泻、癌症、艾滋病和不孕症等是有效的。相反，Vc过量会引起一些症状，如胃刺激、腹泻和尿路结石。考虑到Vc在我们日常生活中的重要作用，监测和检测其数量对确保食品质量和保健具有重要意义。

目前用于检测Vc的几种技术，包括毛细管电泳法、滴定法、分光光度法、色谱法和荧光法。

毛细管电泳法：其是一种高效分离技术，物质的分离可以在很短时间内完成，但由于毛细管直径小，使光路太短，而且重现性较差。

滴定法：包括碘量法、2,6-二氯靛酚滴定法和电位滴定法，可实现Vc含量的测定，但该方法检测灵敏度低，适用性差，测定结果误差较大。

分光光度法：此法是较早测定Vc的仪器分析方法，分光光度法所使用仪器简便、便宜且测定过程快速。但是准确度不高，灵敏度低。

色谱法：包括气相色谱(GC)和液相色谱(HPLC)。具有操作自动化、分析结果可靠等优点，但检测过程复杂、耗时且需要昂贵的仪器设备和专业人员。

荧光法：因其操作简单、测定快速、灵敏度高、需要样品量少和精确度高等固有优势而引起了人们对Vc检测的极大兴趣。

上述前四种方法，由于需要繁琐的提取程序、复杂的仪器操作和较长的测量时间等缺点，阻碍了它们的广泛应用。而常见的荧光传感策略虽然可以灵敏、快速地检测Vc，但与其他定量检测方法一样，也需要专业技术人员拥有昂贵的仪器及实验室条件，这通常非常复杂和耗时，不适合在线实时检测。

发明内容

本发明的目的就是提供一种可视化定量检测Vc含量的方法及便携式智能传感系统，该传感系统是基于智能手机而进行的Vc检测，通过该便携式智能传感系统可以实现对食品基质中Vc的灵敏、可靠、在线、实时检测。

本发明是这样实现的：一种可视化定量检测Vc含量的便携式智能传感系统，包括通过适配器安装在智能手机背部上的暗盒；在所述暗盒的顶面中心开有通孔，所述通孔与智能手机背面的摄像头相对；在所述暗盒内位于通孔的两侧设有紫外灯，在所述暗盒的底部通过定位托盘固定有荧光试纸条；在所述荧光试纸条上排布有若干圆形蜡圈，在每一蜡圈内印刷有SiCDs+Fe³⁺荧光传感器溶液；检测时将待测样品溶液滴到蜡圈内，紫外灯照射蜡圈所围指示区域，由智能手机进行拍照，识别图片RGB值，并由相应数据处理模块进行计算得出待测样品溶液中Vc含量，并可在智能手机上进行显示。

优选的，所述暗盒是使用可降解的黑色PLA聚乳酸材料3D打印而成。所述暗盒高度为85.0mm。

优选的，所述紫外灯通过灯托固定在所述暗盒的顶部，在所述灯托上设有塑料漫射器和凹透镜；所述塑料漫射器位于紫外灯的下方，所述凹透镜位于所述塑料漫射器的下方。

优选的，所述定位托盘包括底板、设置在所述底板上的芯片托盘以及设置在所述芯片托盘上的芯片托盘盖；荧光试纸条放置于所述芯片托盘上。

上述方案中，适配器可以保证多种型号手机都能用于检测，暗盒内双侧紫外灯照射可以消除边缘效应的影响；荧光传感指示区域外侧印有蜡圈，待测样品溶液可以被限制在蜡圈的亲水指示区域内；暗盒将手机摄像头与感应元件限制在了最佳成像距离，提高测量精度。

采用上述可视化定量检测Vc含量的便携式智能传感系统，对待测样品溶液中Vc含量进行检测的方法具体如下：

a、将待测样品溶液滴加到荧光试纸条上的蜡圈所围的指示区域内；

b、将滴加待测样品溶液后的荧光试纸条通过定位托盘固定在暗盒底部；

c、打开紫外灯照射暗盒底部的荧光试纸条；

d、打开智能手机的摄像头，对暗盒底部的荧光试纸条进行拍照；

e、通过智能手机上的数据处理模块，识别所拍照片上的RGB值，并通过如下公式计算照片灰度值I：

I＝R×0.299+G×0.587+B×0.114

f、通过数据处理模块计算荧光比值(I-I₀)/I₀，根据如下公式计算待测样品溶液中Vc浓度；

(I-I₀)/I₀＝0.4807C_Vc-0.0176，

其中，I₀和I分别为加Vc之前和之后的荧光试纸条灰度值，C_Vc为Vc浓度；

根据Vc浓度即可得出待测样品溶液中Vc含量。

本发明中，荧光试纸条上蜡圈所围区域内的SiCDs+Fe³⁺荧光传感器溶液的制备方法如下：

①、将柠檬酸和半胱氨酸溶解在去离子水中，超声溶解，并氮气鼓泡得到氮饱和的前体溶液；优选的，柠檬酸和半胱氨酸的质量比为4:1，超声溶解15min，氮气鼓泡10min；

②、将3-氨丙基三乙氧基硅烷注入上述氮饱和的前体溶液中，得到SiCDs前驱体溶液；

③、将制备好的SiCDs前驱体溶液转移到聚四氟乙烯内衬的不锈钢高压釜中，并在200℃下孵育2h；

④、冷却至室温后，将所得混合物通过透析袋纯化，得到SiCDs溶液；

⑤、在SiCDs溶液中加入氯化铁溶液，得到SiCDs+Fe³⁺荧光传感器溶液。

优选的，SiCDs与Fe³⁺的混合溶液的pH为5.0，Fe³⁺的浓度为0.16mmol/L，加入Fe³⁺使SiCDs的荧光猝灭的时间为30s，加入待测样品溶液使SiCDs的荧光恢复的时间为120s。

本发明的有益效果如下：

本发明研制的一种新型SiCDs(硅碳量子点)可切换荧光探针用于Vc的简便、快速、灵敏和无标记检测。SiCDs具有强烈的蓝色荧光、较高的热稳定性、较强的光稳定性、良好的水溶性和优异的耐盐性。由于SiCDs表面的-NH₂/-COOH/-OH电子转移到Fe³⁺上，导致SiCDs的荧光能被特异性地猝灭。在SiCDs+Fe³⁺传感系统中引入Vc后，由于Fe³⁺被还原为Fe²⁺，SiCDs的荧光迅速恢复(在2min内)，并释放出-NH₂/-OH，在SiCDs表面引入不同的缺陷。与智能手机平台相结合，更加便携，能实时高灵敏检测Vc。

在光学附件这块，外壳使用可降解的黑色PLA聚乳酸材料3D打印而成，荧光传感指示区域外侧印有蜡圈，样品溶液可以被限制在蜡圈的亲水指示区域内；成像暗盒内双侧紫外灯照射可以消除边缘效应的影响；暗盒高度为85.0mm，将手机摄像头与感应元件限制在了最佳成像距离；荧光试纸条采用自身荧光影响很小的滤纸。这些设计都大大保证了定量检测的准确度。

对于软件方面，本发明所使用的测试软件均为自主开发，基于java语言应用IntelliJ IDEA平台和HBuilderX平台开发并打包发布。软件可实现标准曲线绘制、样品检测、历史数据对比以及云端存储分析这四个主要功能。

本发明应用SiCDs巧妙地设计了一种“关-开”的荧光传感器来检测Vc，荧光材料SiCDs和试纸条组成的纸基荧光传感器具有绿色无毒、低成本、易于储存、运输和处置等优点，并通过在线实时检测的良好方式，使检测过程更加直观。此外具有颜色识别功能的智能手机作为处理器和检测器使检测结果更加清晰明了的显示出来，大大降低硬件成本，智能手机的网络共享功能可以保证检测数据的快速传输，把信号实时反馈给操作者，可以解决上述操作复杂，耗时耗力，不可实时检测等问题。本发明的Vc可视化检测系统可以为我国的食品安全问题做出一定的贡献。

附图说明

图1是本发明中SiCDs的制备以及检测Vc的原理图。

图2中，(a)是SiCDs的低倍和高倍透射电镜图像；(b)是SiCDs、SiCDs+Fe³⁺、SiCDs+Fe³⁺+Vc的FT-IR光谱；(c)是SiCDs的紫外-可见吸收光谱、荧光激发光谱(E_X)和荧光发射光谱(E_M)(插图为用365nm紫外灯激发前后的照片)。

图3是SiCDs在不同pH、不同钠离子浓度、不同温度以及不同氙灯照射时间下的荧光强度。

图4中，(a)是SiCDs、SiCDs+Vc、SiCDs+Fe³⁺和SiCDs+Fe³⁺+Vc的荧光光谱；(b)是SiCDs+Fe³⁺的UV-Vis吸收、荧光激发(E_X)和荧光发射(E_M)光谱；(c)是Fe³⁺与SiCDs之间PET过程机理示意图；(d)是SiCDs、SiCDs+Fe³⁺、Vc、SiCDs+Fe³⁺+Vc、SiCDs+Fe³⁺+Vc+1,10-菲罗啉和Fe³⁺的紫外-可见吸收光谱。

图5中，(a)是SiCDs对100μmol/LFe³⁺和干扰物质(Fe³⁺浓度的50倍)的荧光强度响应；(b)是SiCDs+Fe³⁺、SiCDs+Fe³⁺+Vc的标准化荧光强度；(c)是Fe³⁺的最终浓度对Q_E和R_E的响应；(d)是孵育时间对SiCDs+Fe³⁺、SiCDs+Fe³⁺+Vc荧光强度的影响。

图6中，(a)是当加入不同浓度的Vc时SiCDs的荧光发射光谱；(b)是荧光猝灭因子(F₀/F)与Vc浓度的关系图，插图是相关的线性区域。

图7是SiCDs对20μmol/LVc和干扰物质(谷胱甘肽和CA是Vc的10倍浓度，其他干扰物质是Vc的50倍)的荧光强度响应。

图8是本发明中检测设备的装配结构示意图。

图9是本发明实施例中实际样品测试的标准曲线。

图10是本发明软件设计部分App中标准曲线建立以及样品检测示意图。

具体实施方式

本发明利用特定的材料、特定的工艺合成出了SiCDs，所制备的SiCDs可以被Fe³⁺特异性猝灭，并被Vc恢复，因此本发明基于SiCDs以及Fe³⁺来检测食品中Vc含量。

一、SiCDs的合成

本发明中SiCDs是通过一步水热法合成的。具体是：将0.8g柠檬酸和0.2g半胱氨酸溶解在8mL去离子水中，超声溶解15min，并氮气鼓泡10min以去除氧气。然后将2mL 3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)注入氮饱和的前体溶液中。随后，将制备好的SiCDs前驱体溶液转移到25mL聚四氟乙烯内衬的不锈钢高压釜中，并在200℃下孵育2h。冷却至室温后，将所得混合物通过透析袋(100-500Da)纯化24h。最后，收集制备的SiCDs溶液并在4℃下储存以备进一步使用。

如图1所示，图1(a)示出了通过一步水热合成法合成的SiCDs，以及SiCDs+Fe³⁺用于Vc检测的机理研究，在SiCDs中添加Fe³⁺通过PET原理使荧光被猝灭，再加入一定量的Vc后通过氧化还原作用，荧光逐渐恢复，用于检测Vc的含量。图1(b)是所用荧光检测光学附件的设计和制作过程，在电脑上通过3D设计软件设计模型，并通过3D打印机制作黑色外壳和各种部件，结合开发的检测软件，对样品进行检测。

二、SiCDs的表征

对所制备的SiCDs进行测试，所得结果见图2。图2中，(a)是SiCDs的低倍和高倍透射电镜图像；(b)是SiCDs、SiCDs+Fe³⁺、SiCDs+Fe³⁺+Vc的红外光谱(FT-IR)；(c)是SiCDs的紫外-可见吸收光谱(左侧曲线)、荧光激发光谱(E_X)和荧光发射光谱(E_M)(插图为用365nm紫外灯激发SiCDs前后的照片)。由图2(a)可以看出，SiCDs是均匀的单分散体，高倍电镜图像中晶格大小为0.25nm。通过图2(b)FT-IR分析了SiCDs中存在的表面官能团和化学带结构光谱。3425和3380cm^-1处的特征宽吸收带归因于-OH和-NH₂基团的伸缩振动。2934cm^-1处的峰归因于C-H弯曲，而1692、1635和1405cm^-1处的峰分别为C＝O、N-H和CO-O的弯曲振动。1231和1349cm^-1处的峰归因于单个C-N伸缩振动。692和2561cm^-1处的两个峰归因于C-S和-SH带。在1077、1155和938cm^-1处的不同吸收带分别是由Si-O-H基团中的Si-O、C-O/S＝O和Si-O的伸缩振动引起的。中红外光谱结果表明SiCDs表面含有丰富的-NH₂/-OH官能团，有助于增强SiCDs的水稳定性和提高检测的灵敏度。

通过测量UV-vis和荧光光谱来研究制备的SiCDs的光学性质。图2(c)中的UV-vis吸收光谱表明，SiCDs在240nm处有一个大吸收峰，在345nm处有一个特征吸收峰，前者归因于C-N或C-O的π-π*跃迁，后者归因于SiCDs的C＝O或C-OH基团的n-π*跃迁。图2(c)中的荧光光谱显示荧光发射峰(E_M)位于425nm处，荧光激发峰(E_X)为345nm，相应地，所得的SiCDs在日光下表现出透明颜色，在365nm紫外线照射下表现出强烈的蓝色荧光(图2(c)中插图)。SiCDs显示出80nm的大斯托克斯位移，表明其具有分析应用的潜力。

三、SiCDs的稳定性测试

本发明还研究了pH、钠离子浓度、温度、氙灯照射时间对所制备的SiCDs荧光强度的影响。如图3所示，图3(a)中，pH从2.0到5.0之间，荧光强度逐渐增加并达到最大值，然后基本维持在pH 5.0-10.0的范围内，表明该材料在较宽的pH范围内具有良好的耐受性。用不同浓度的氯化钠溶液(0.0-1.0mol/L)测试其对荧光强度的影响，如图3(b)所示，SiCDs的荧光强度在不同浓度的盐溶液中没有明显变化，表明SiCDs在不同浓度的盐溶液中都有较好的耐受性。温度对SiCDs发光强度的影响如图3(c)所示，当温度从4℃升高到65℃时，SiCDs的荧光强度几乎是稳定的，这说明SiCDs有利于在较宽的温度范围内使用。图3(d)显示了SiCDs在不同氙灯照射时间下的荧光强度，连续照射3500s后没有发现明显的光漂白现象，说明SiCDs具有良好的抗光漂白性能。SiCDs突出的荧光性能显示了其在食品分析中的潜在应用前景。

四、SiCDs检测Vc的原理

对SiCDs、SiCDs+Vc、SiCDs+Fe³⁺以及SiCDs+Fe³⁺+Vc进行荧光检测，如图4(a)所示。SiCDs在425nm处发射蓝色荧光，其荧光强度在Vc存在下没有变化(最上面两条几乎重合的曲线对应的是SiCDs以及SiCDs+Vc)，但在添加Fe³⁺(例如添加氯化铁溶液)后显著猝灭(最下面一条曲线对应的是SiCDs+Fe³⁺)，然后被Vc恢复(中间曲线对应的是SiCDs+Fe³⁺+Vc)。因此，本申请提出了一种基于荧光开关的Vc检测新方法。

金属离子对荧光材料的荧光猝灭通常源于

共振能量转移(FRET)、内滤效应(IFE)和光致电子转移(PET)。本申请进行了一系列实验以进一步探索Fe³⁺诱导荧光猝灭的可能机制。如图4(b)所示，图4(b)是SiCDs+Fe³⁺的UV-Vis吸收、荧光激发(E_X)和荧光发射(E_M)光谱，Fe³⁺和SiCDs之间的光谱重叠可以忽略不计，排除了FRET的存在。因此，可以假设SiCDs对Fe³⁺离子的检测是通过IFE或PET机制发生的。为了进一步验证假设，进行了研究。从图4(b)可以看出，Fe³⁺在308nm处的UV-vis光谱与SiCDs的激发峰(345nm)部分重叠，因此IFE可能有助于荧光猝灭。荧光猝灭的另一种可能机制是PET，这可以通过Fe³⁺与SiCDs表面的-NH₂/-COOH/-OH结合，导致电子从SiCDs的激发态向Fe³⁺的非辐射转移来解释。此外，Fe³⁺能优先与SiCDs的邻醌配体或氨基形成强配位络合物，SiCDs中的N、S等电负性杂原子向Fe³⁺发射孤对电子，同时促进配位相互作用，导致荧光猝灭。为了进一步验证猜想，本申请发明人研究了SiCDs的电子带隙(Eg)和价带(VB)，见图4(c)，SiCDs的Eg为2.73eV，VB为0.88eV，根据公式E_CB＝E_VB-Eg得到导带(CB)为-1.85eV。Fe³⁺/Fe²⁺(0.77eV)的电极电位位于SiCDs的CB和VB之间，因此VB的电子被激发到Fe³⁺的d轨道而不是CB轨道，从而导致荧光通过PET猝灭。如图4(d)所示，在SiCDs+Fe³⁺+Vc混合物中加入1,10-菲咯啉后，在510nm处出现新峰并形成橙红色复合物(见图4(d)中插图)，说明Fe²⁺存在于SiCDs+Fe³⁺+Vc体系中，进一步表明Vc将SiCDs+Fe³⁺中Fe³⁺还原为Fe²⁺。

此外，本发明还进行了SiCDs+Fe³⁺和SiCDs+Fe³⁺+Vc的FT-IR光谱测试，以进一步探索恢复机制。如图2(b)所示，加入Vc后SiCDs+Fe³⁺在3425cm^-1处的峰变宽，1389cm^-1处的峰偏移到1397cm^-1，C-N伸缩振动在1260cm^-1再次出现，表明释放了-NH₂/-OH基团。-NH₂/-OH的暴露能够在表面引入不同的缺陷，作为激发能量陷阱并有助于荧光恢复。总之，SiCDs的荧光可以通过IFE和PET被Fe³⁺猝灭，并且Vc可以恢复由于氧化还原反应和-NH₂/-OH暴露引起的能量陷阱。基于此，本发明提出了一种基于有效荧光“关-开”的新策略用于检测Vc。

五、实验条件优化

荧光猝灭剂的选择是构建开关型荧光传感器检测Vc的关键。如图5(a)所示，Fe³⁺显著猝灭了SiCDs的荧光，表明Fe³⁺可能是一种理想的关开型SiCDs荧光猝灭剂。在测试传感器性能之前，首先研究了SiCDs用于Vc检测的荧光强度与反应pH、Fe³⁺浓度和反应时间的关系。图5(b)显示，当pH从4.0增加到5.0时，SiCDs+Fe³⁺的标准化荧光强度降低，并且在pH 5.0-7.0时不明显的荧光发生变化，而荧光强度随着pH值在7.0-10.0范围内而增加。Fe³⁺在碱性介质中稳定性差，可形成不溶性氢氧化铁，阻碍Fe³⁺与SiCDs的氨基和羧基的配位。因此，Fe^{3 +}不能在碱性介质中有效地猝灭SiCDs的荧光。图5(b)表明Vc在弱酸性条件下可以明显恢复SiCDs的荧光。另外，Vc是一种不饱和多羟基内酯化合物，特别是在碱性介质中极易氧化。考虑到猝灭/恢复效应，后续实验选择pH＝5.0。

Fe³⁺含量对Vc对SiCDs体系的荧光恢复效率(R_E)有显著影响。考察了Fe³⁺浓度对Vc测定的影响。根据公式(1)和(2)计算了荧光猝灭效率(Q_E)和荧光恢复效率(R_E)。

Q_E(％)＝(F₀-F₁)/F₀×100 (1)

R_E(％)＝(F₂-F₁)/(F₀-F₁)×100 (2)

式中，F₁和F₀是SiCDs在Fe³⁺存在和不存在时的荧光强度。在引入Vc后，F₂是在435nm处恢复了SiCDs的荧光强度。

如图5(c)所示，随着Fe³⁺浓度从0.00mmol/L增加到0.16mmol/L，荧光强度急剧增加，超过0.16mmol/L后几乎保持不变，说明Fe³⁺与SiCDs的键合量逐渐增加到饱和。当添加Vc时，当Fe³⁺浓度为0.16mmol/L时，荧光恢复效率(R_E)达到最大值，约为34％。由于Fe³⁺的缺乏或过量会导致Q_E和R_E偏低，不利于Vc的灵敏检测，因此Fe³⁺浓度对提高Vc检测的分析性能至关重要。因此，选择0.16mmol/L的Fe³⁺作为Vc的传感材料。

为了获得高性能的SiCDs，研究了荧光诱导时间对Fe³⁺和Vc的影响。如图5(d)所示，SiCDs的荧光强度在加入0.16mmol/LFe³⁺后急剧下降，30s后趋于稳定，这归因于SiCDs表面丰富的官能团与Fe³⁺迅速相互作用，导致荧光猝灭。在SiCDs+Fe³⁺体系中加入Vc后，SiCDs的荧光强度在120s内增加，即使反应时间超过120s，荧光强度也基本保持不变，表明Vc在120s内就足以还原Fe³⁺，恢复SiCDs的荧光强度。因此，采用30s的荧光猝灭时间和120s的恢复时间进行了进一步的实验。在此基础上，确定了后续荧光测定的最佳条件为：pH值为5.0，Fe³⁺浓度为0.16mmol/L，猝灭时间为30s，恢复时间为120s。

六、SiCDs+Fe³⁺体系对Vc的荧光传感

为了确保所提出的荧光传感策略能够用于Vc的灵敏定量，在优化条件下研究了SiCDs+Fe³⁺体系的分析性能。如图6(a)所示，在0.001-22.33μmol/L范围内，随着Vc浓度的增加，SiCDs+Fe³⁺的荧光强度增强(采用荧光分光光度计检测)。如图6(b)所示，SiCDs+Fe³⁺的荧光响应(F/F₀)在0.001-3.00μmol/L范围内与Vc浓度(C_Vc)呈线性关系，线性回归方程为F₀/F＝-0.1447C_Vc+0.9693，相关系数(R²)为0.9995，接近Stern-Volmer方程(3)。

其中F₀和F分别表示Vc加入前后的荧光强度；C_Vc表示Vc的浓度；K_SV表示Stern-Volmer常数。计算的K_SV值为-0.14M^-1，证明了Vc对SiCDs+Fe³⁺发光有较高的恢复效率。检出限(LOD)按公式(4)计算，LOD约为0.16nmol/L。

LOD＝3σ/k (4)

其中k是校准曲线的斜率，σ与空白(n＝15)的标准偏差一致。

此外，在表1中对SiCDs+Fe³⁺体系测定Vc的分析能力与其他方法进行了比较，SiCDs+Fe³⁺荧光传感器的LOD比以前的Vc荧光传感器低得多。此外，这种开关式传感器的响应速度比以往的许多报道都要快得多，这表明该方法是一种灵敏而高效的Vc分析方法。

表1已报道的用于Vc检测的荧光传感器与本申请中SiCDs的对比

七、检测特异性

目标选择性是评价SiCDs荧光传感器能否用于实际食品样品的另一个关键特征。本发明研究了常见食品中常见金属离子、糖、酸和谷胱甘肽等潜在共存物质，以排除其他物质的干扰。如图7所示，Vc能显著恢复SiCDs+Fe³⁺的荧光，其他物质对Vc测定影响不大，而CA和GSH的荧光恢复较弱，这主要归因于GSH和CA上的羧基结构和α-羟基促进还原。相比之下，Vc的环状结构和烯二醇基对荧光的恢复起着重要作用。因此，荧光传感器对Vc检测的良好选择性可能是由于其氧化还原作用。SiCDs+Fe³⁺对Vc具有良好的特异性识别能力，结合其对Vc的高灵敏度和快速响应，可望直接应用于食品样品中Vc的检测。

本发明采用荧光分光光度计，并利用SiCDs+Fe³⁺体系，对不同食品样品中Vc含量进行检测，同时采用液相色谱(HPLC)法进行检测，对比结果见表2。

表2不同食品样品中Vc含量的检测

由表2可以看出，本发明中方法检测结果与液相色谱法检测结果非常接近，相对标准偏差小于3％，可见本发明检测结果的准确性。

八、荧光试纸条的制备方法

本发明实施例使用Microsoft Word将荧光试纸条设计为具有微阵列图案，并使用ColorQube 8570打印机(Xerox，USA)打印到A4尺寸的Whatman滤纸(210mm×297mm)上。然后，在160℃的热板上加热3min将印刷的蜡熔化到滤纸中，以在指示剂区域周围形成疏水屏障。每个指示区是一个直径为5mm的圆，在一张A4尺寸的滤纸上共形成190个点(14×35)。相邻的指示区域之间有大约3毫米的距离。试纸条完全干燥后(50℃8min)，将以上述工艺制备的SiCDs+Fe³⁺荧光传感器溶液印刷在滤纸上，制备荧光试纸条。该溶液就像一种“墨水”，被注入一个空的墨盒中，打印在蜡圈内的整个指示区域。为确保荧光探针均匀分布在试纸条上，印刷过程重复20次。然后将荧光滤纸剪成60mm×15mm大小的纸条，包含1×7个指示区。在实际检测过程中，只有荧光试纸条的第一个孔作为空白对照，其他六个滴有样品溶液。由于蜡环的疏水性，溶液被限制在亲水性指示剂区域。最后，将制备好的荧光试纸条放入干燥的塑料盒中备用。

九、荧光检测附件的设计制作

检测设备主要由四部分组成，如图8所示，包括：适配器、暗盒、紫外灯和定位托盘。适配器类似于手机壳的结构，其可通过3D打印机进行打印，以便于适配不同型号的手机。适配器用于使检测设备安装在智能手机上。图8中所示适配器是一个长度约为手机长度一半的类似手机壳的一个器件，其上开有与手机背面摄像头相对的通孔。在适配器底部设卡扣，在暗盒上设卡槽，暗盒通过其上的卡槽与适配器底部的卡扣固定连接，从而实现通过适配器将暗盒固定在智能手机上。暗盒用于承载光学元件，而且考虑到阳光等外界环境可能对检测造成影响，设计并以PLA聚乳酸为打印材料，在实验室3D打印机上制作黑色暗盒，为了消除环境光的干扰，减少镜面反射，暗盒和定位托盘使用黑色材料打印。该暗盒的顶面中心有一个与适配器上通孔上下相对的孔，用于智能手机摄像头的拍照。把输出波长为360nm的紫外灯通过灯托固定在暗盒顶部，在灯托上设有塑料漫射器和凹透镜。紫外灯提供激发光源，来自LED(3W，360nm)的激发光首先通过塑料漫射器均化，然后通过凹透镜偏转成为发散光，最后到达试纸指示区域。值得注意的是，本发明设计了两束平行的激发光束，该两束激发光位于暗盒顶面中心孔的两侧，以保证激发光在整个试纸上均匀分布，从而均匀地照射所有指示区上的荧光材料。整个检测设备由移动电源(10000mAh)支持。定位托盘用于将检测试纸放在固定的位置用于检测，使紫外光能准确的照射到指示区域。定位托盘包括底板、固定设置在底板上的芯片托盘以及芯片托盘盖，检测用荧光试纸条放置于芯片托盘上，然后再用芯片托盘盖盖上，将底板安装在暗盒内底部即可。

使用智能手机的拍照功能和颜色识别功能对样品进行分析，软件自动分析RGB值并计算灰度值I和荧光比值(I-I₀)/I₀，建立绘制检测标准曲线，其中I₀和I分别为加Vc之前和之后的试纸条灰度值。将上述测得的(I-I₀)/I₀与Vc的浓度制作线性方程(I-I₀)/I₀＝0.4807C_Vc-0.0176，R²＝0.9995，对Vc的LOD为18.12nmol/L。

本发明的检测设备可以安装在智能手机背部，移动端App可以安装在智能手机上，实现样品Vc含量测定。以往的纸基传感器只能对样品中是否含有Vc进行定性分析，不能定量测定Vc的含量。本发明借助智能手机使定量检测Vc含量成为现实。当浓度为0.001-3.00μmol/L的Vc滴在荧光试纸条上时，试纸条的颜色迅速变化，并在2min内达到稳定。然后，我们使用自主开发的名为“维生素C检测”的智能手机应用程序，在安装在便携式智能传感系统上的WFH-204B便携式紫外灯的照明下，识别荧光试纸条的RGB值。将检测过程限制在便携式智能传感系统的暗盒的暗腔内，消除了环境光的干扰，将摄像头与目标距离限制在最佳成像范围内。同时，双紫外灯均匀照射荧光试纸条，以消除边缘响应的影响。通过这种可视化、定量分析的方法，确定了荧光比值与Vc浓度之间的关系，从而搭建了在线实时检测Vc的智能手机分析平台。结果表明，在0.001-3.00μmol/L范围内，线性关系良好(R²＝0.9995)，检出限约为18.12nmol/L，如图9所示。说明本发明所设计的智能传感系统可以完成日常食品样品中Vc的快速定量检测。

十、检测软件设计

本发明使用Android平台移动App配合检测试纸条和检测设备对含有Vc的样品进行检测。智能手机的颜色识别软件可以将彩色图片的像素以三种不同的颜色呈现：红色(R)、绿色(G)和蓝色(B)，可以通过浮点法，将其转换为灰度值(I)进行计算，如公式(5)所示。

I＝R×0.299+G×0.587+B×0.114 (5)

本发明所使用的测试软件均为自主开发，基于java语言应用IntelliJ IDEA平台和HBuilderX平台开发并打包发布。软件包括标准曲线、新建测试、历史数据和上传到云端四部分。通过软件和硬件的配合使用可以实现样品中Vc浓度的准确测定。

图10由左到右由上到下分别为：软件首页，包括标准曲线建立、新建测试、历史数据和上传云盘四部分；标准曲线，通过拍照或选择相册照片进行测试，标准曲线为上图各点所生成的标准曲线，用于样品检测；样品测试，原理同标准曲线，对待测样品进行检测；结果，为样品检测所得浓度；分享，页面包括蓝牙、表格、邮件以及云盘等方式对数据进行分享保存；最后两个页面为历史测试数据以及上传到云盘界面。

十一、实施例1

步骤1、样品前处理

液体或固体粉末样品：混合均匀后，应立即用于检测。水果、蔬菜及其制品或其他固体样品：取10g左右样品加入等质量20g/L的偏磷酸溶液，经均质机均质并混合均匀后，应立即测定。本实施例以市场购买的橙子果肉样品为例，称取10g橙子果肉样品，加入10g的20g/L偏磷酸溶液，并使用均质机均质，称取1g混合均匀的橙子果肉匀浆试样于50mL烧杯中，用20g/L的偏磷酸溶液将试样转移至50mL容量瓶中，震摇溶解并定容。摇匀，全部转移至50mL离心管中，超声提取5min后，于4000r/min离心5min，取上清液过0.45μm水相滤膜，滤液待测。

步骤2、建立标准曲线

在荧光试纸条的七个圆孔中分别加入10μL浓度为0、0.021、0.967、1.567、2.000、2.500、3.000μmol/L的Vc溶液，使用智能手机对样品进行分析，以上述方法测得荧光灰度值，记为I，并通过手机软件程序计算得到荧光比值(I-I₀)/I₀，软件自动绘制横坐标为Vc浓度C_Vc，纵坐标为荧光比值(I-I₀)/I₀的标准曲线，如图10所示。

将上述测得的(I-I₀)/I₀与Vc的浓度制作线性方程(I-I₀)/I₀＝0.4807C_Vc-0.0176，R²＝0.9995，对Vc的检测限为18.12nmol/L。其中I和I₀分别为加Vc前后荧光试纸条的灰度值，而C_Vc为Vc的浓度，单位为μmol/L。

步骤3、样品检测

将步骤1中制得待测橙子果肉样品滴加于试纸条圆孔中，使用软件的新建样品功能对样品进行拍照测试，识别RGB值，测得灰度值为I＝114.561，通过软件计算得到荧光比值(I-I₀)/I₀，并根据提示选择上述步骤建立的标准曲线，对橙子果肉样品进行定量检测，可得到样品中Vc含量的准确数据，即所检测橙子果肉试样溶液中Vc浓度为2.437μmol/L，橙子果肉中Vc含量为0.244μmol/g。

步骤4、数据上传

检测的结果将会储存在历史数据选项中，可以通过上传选项上传到服务器的云盘中储存，也可通过蓝牙、邮件等进行分享或导出。

本发明不需要仪器来定量检测目标分析物的快速、方便和有效的策略将有助于使用并满足关键或日常需求，特别是在资源贫乏的环境中，例如不发达国家或偏远和贫困地区。荧光试纸条以其携带方便、成本低、响应速度快等优点在检测领域引起了极大的关注。由荧光探针和试纸条组成的纸基荧光传感器具有成本低、易于储存、运输和处置等优点，成为在线实时检测的良好方式，使检测过程更加直观。同时，荧光试纸条可以在智能手机的辅助下实现定量分析，易于操作和方便的优点使智能手机作为处理器和检测器十分合适，随处可见的智能手机可以大大降低硬件成本。此外，智能手机的分享功能可以保证检测数据的快速获取，把信号实时反馈给操作者。如今，具有基于智能手机颜色识别功能的设备已广泛应用于医疗、环境和食品安全领域。由于试纸条的便携性和智能手机的多功能性，基于手机的智能传感系统为Vc的测定提供了一种可靠的在线检测方法。

Claims (10)

1.一种可视化定量检测Vc含量的便携式智能传感系统，其特征是，包括通过适配器安装在智能手机背部上的暗盒；在所述暗盒的顶面中心开有通孔，所述通孔与智能手机背面的摄像头相对；在所述暗盒内位于通孔的两侧设有紫外灯，在所述暗盒的底部通过定位托盘固定有荧光试纸条；在所述荧光试纸条上排布有若干圆形蜡圈，在每一蜡圈内印刷有SiCDs+Fe³⁺荧光传感器溶液；检测时将待测样品溶液滴到蜡圈内，紫外灯照射蜡圈所围指示区域，由智能手机进行拍照，识别图片RGB值，并由相应数据处理模块进行计算得出待测样品溶液中Vc含量，并可在智能手机进行显示。

2.根据权利要求1所述的可视化定量检测Vc含量的便携式智能传感系统，其特征是，所述暗盒是使用可降解的黑色PLA聚乳酸材料3D打印而成。

3.根据权利要求1所述的可视化定量检测Vc含量的便携式智能传感系统，其特征是，所述紫外灯通过灯托固定在所述暗盒的顶部，在所述灯托上设有塑料漫射器和凹透镜；所述塑料漫射器位于紫外灯的下方，所述凹透镜位于所述塑料漫射器的下方。

4.根据权利要求1所述的可视化定量检测Vc含量的便携式智能传感系统，其特征是，所述定位托盘包括底板、设置在所述底板上的芯片托盘以及设置在所述芯片托盘上的芯片托盘盖；荧光试纸条放置于所述芯片托盘上。

5.根据权利要求1所述的可视化定量检测Vc含量的便携式智能传感系统，其特征是，所述暗盒高度为85.0mm。

6.一种可视化定量检测Vc含量的方法，其特征是，该方法依赖于权利要求1所述的可视化定量检测Vc含量的便携式智能传感系统，该方法具体包括如下步骤：

a、将待测样品溶液滴加到权利要求1所述的荧光试纸条上的蜡圈所围的指示区域内；

b、将滴加待测样品溶液后的荧光试纸条通过定位托盘固定在暗盒底部；

c、打开紫外灯照射暗盒底部的荧光试纸条；

d、打开智能手机的摄像头，对暗盒底部的荧光试纸条进行拍照；

e、通过智能手机上的数据处理模块，识别所拍照片上的RGB值，并通过如下公式计算照片灰度值I：

I＝R×0.299+G×0.587+B×0.114

f、通过数据处理模块计算荧光比值(I-I₀)/I₀，根据如下公式计算待测样品溶液中Vc浓度；

(I-I₀)/I₀＝0.4807C_Vc-0.0176，

其中，I₀和I分别为加Vc之前和之后的荧光试纸条灰度值，C_Vc为Vc浓度；

根据Vc浓度即可得出待测样品溶液中Vc含量。

7.根据权利要求6所述的可视化定量检测Vc含量的方法，其特征是，荧光试纸条上蜡圈所围区域内的SiCDs+Fe³⁺荧光传感器溶液的制备方法如下：

①、将柠檬酸和半胱氨酸溶解在去离子水中，超声溶解，并氮气鼓泡得到氮饱和的前体溶液；

②、将3-氨丙基三乙氧基硅烷注入上述氮饱和的前体溶液中，得到SiCDs前驱体溶液；

③、将制备好的SiCDs前驱体溶液转移到聚四氟乙烯内衬的不锈钢高压釜中，并在200℃下孵育2h；

④、冷却至室温后，将所得混合物通过透析袋纯化，得到SiCDs溶液；

⑤、在SiCDs溶液中加入氯化铁溶液，得到SiCDs+Fe³⁺荧光传感器溶液。

8.根据权利要求7所述的可视化定量检测Vc含量的方法，其特征是，步骤⑤中，氯化铁溶液中Fe³⁺的浓度为0.16mmol/L，加入Fe³⁺使SiCDs的荧光猝灭的时间为30s。

9.根据权利要求6所述的可视化定量检测Vc含量的方法，其特征是，步骤a中，滴入待测样品溶液使SiCDs的荧光恢复的时间为120s。

10.根据权利要求6所述的可视化定量检测Vc含量的方法，其特征是，SiCDs+Fe³⁺荧光传感器溶液的pH为5。

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