明膠銀納米復(fù)合材料封裝的毛細(xì)管陣列用于甲醛的可視化比色分析

姜 耀，孫宗招，龍大成，段志強(qiáng),，劉陵瑗，王 雪，王 樺,*

（1.曲阜師范大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，山東省生命有機(jī)分析重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東曲阜273165）

（2.濟(jì)寧市功能材料與監(jiān)測(cè)器件工程技術(shù)中心,山東三生新材料科技有限公司，山東濟(jì)寧272000）

明膠銀納米復(fù)合材料封裝的毛細(xì)管陣列用于甲醛的可視化比色分析

姜 耀1，孫宗招1，龍大成2，段志強(qiáng)1,2，劉陵瑗1，王 雪2，王 樺1,2*

（1.曲阜師范大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，山東省生命有機(jī)分析重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東曲阜273165）

（2.濟(jì)寧市功能材料與監(jiān)測(cè)器件工程技術(shù)中心,山東三生新材料科技有限公司，山東濟(jì)寧272000）

以明膠為還原劑和穩(wěn)定劑，借助低溫速凍終止反應(yīng)技術(shù)，一鍋式合成了包含銀納米顆粒與銀離子的明膠銀納米復(fù)合材料，進(jìn)而將之共價(jià)修飾于經(jīng)氨基化的毛細(xì)管內(nèi)壁，制成對(duì)甲醛敏感的功能化毛細(xì)管陣列。通過(guò)毛細(xì)現(xiàn)象自動(dòng)吸取樣品，在堿性環(huán)境下，利用銀納米顆粒催化甲醛還原其中銀離子，引起銀顆粒的增長(zhǎng)變色，實(shí)現(xiàn)了對(duì)水產(chǎn)品中甲醛的靈敏、快速、高通量、可視化的比色檢測(cè)。

明膠銀納米材料；毛細(xì)管陣列；毛細(xì)現(xiàn)象；甲醛；比色檢測(cè)

0 引言

甲醛是一種重要的化工原料和有機(jī)溶劑，常用于制造樹脂、塑料及橡膠等工業(yè)用品，也可用作防腐劑用于食品以及化妝品等。人體長(zhǎng)期接觸這些材料，會(huì)使體內(nèi)甲醛濃度逐漸積累而危害人體健康。例如，甲醛可直接破壞生物體內(nèi)細(xì)胞蛋白質(zhì)，對(duì)人的皮膚、呼吸道及內(nèi)臟造成損害，麻醉人的中樞神經(jīng)，引起肺水腫、肝昏迷、腎衰竭等[1]；食品中如魚貝類水產(chǎn)品常加入甲醛溶液（俗稱福爾馬林）防腐，人體長(zhǎng)期接觸福爾馬林可導(dǎo)致癌癥。因此，世界衛(wèi)生組織將甲醛列為致畸和引起基因突變或致癌的物質(zhì)[2-3]。此外，甲醛污染問(wèn)題主要集中于居室、紡織品和食品（如水產(chǎn)品）中。目前，甲醛的檢測(cè)方法包括色譜分析法、電泳法、熒光分析、酶生物檢測(cè)法和基于金屬氧化物的氣體傳感分析技術(shù)等[4-8]，這些方法主要應(yīng)用于居室中甲醛的分析與監(jiān)測(cè)，而食品（如水產(chǎn)品）中甲醛的速測(cè)技術(shù)尚剛剛起步。同時(shí)，目前這些技術(shù)雖選擇性和靈敏度高，但大多存在操作復(fù)雜、分析速度慢、難以現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)應(yīng)用等局限性。因此，開發(fā)一種快速、靈敏、簡(jiǎn)便、且能現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的便攜式甲醛檢測(cè)方法是十分必要的。

眾所周知，比色法是一種簡(jiǎn)單快速的檢測(cè)方法，也被用于甲醛的分析[9-13]，但一般測(cè)定線性范圍較寬，適合于高含量甲醛的檢測(cè)[10]，用于水產(chǎn)品中甲醛檢測(cè)時(shí)，存在操作過(guò)程復(fù)雜、繁瑣、耗時(shí)[11]。Suslick等通過(guò)伯胺與甲醛反應(yīng)設(shè)計(jì)了一種快速檢測(cè)甲醛的方法[12]，該方法能實(shí)現(xiàn)可逆檢測(cè)，但依賴于一系列pH指示劑并需大量的信息統(tǒng)計(jì)；Jingbin Zeng等開發(fā)了一種基于瓊脂焦糖的甲醛比色檢測(cè)法[13]，但該方法涉及托倫斯試劑的使用，其分析穩(wěn)定性欠佳。

玻璃毛細(xì)管是內(nèi)徑等于或小于1.0 mm的玻璃細(xì)管，具有便攜、成本低、自動(dòng)吸樣等優(yōu)點(diǎn)，被逐漸應(yīng)用于取樣和構(gòu)建各種分析平臺(tái)。例如，醫(yī)院常利用毛細(xì)管自動(dòng)吸取血樣[14]；毛細(xì)管電泳法以毛細(xì)管為分離通道進(jìn)行分離分析[15]。此外，毛細(xì)管也被應(yīng)用于制作光化學(xué)檢測(cè)和電化學(xué)分析器件，但毛細(xì)管大多作為樣品分離通道或活性物質(zhì)（如酶）的固定化表面，或者用于替代傳統(tǒng)光學(xué)或電學(xué)測(cè)試池[16]。 此外，在這些分析方法中，樣品的吸入尚需使用流動(dòng)注射或泵等輔件才能完成；同時(shí)，檢測(cè)信號(hào)讀取依賴外來(lái)檢測(cè)儀器（如熒光儀和電化學(xué)儀），不能快速、直觀地獲取樣品的定性和定量分析結(jié)果。

該文以明膠為還原劑和穩(wěn)定劑，并借助低溫速凍終止反應(yīng)技術(shù)，一鍋式合成了包含銀納米顆粒與銀離子的明膠銀納米復(fù)合材料[17]；進(jìn)而將該復(fù)合材料通過(guò)共價(jià)鍵合作用修飾于氨基化的毛細(xì)管內(nèi)壁，制成對(duì)甲醛敏感的功能化毛細(xì)管陣列，利用毛細(xì)現(xiàn)象自動(dòng)吸取樣品，直接實(shí)現(xiàn)了對(duì)水產(chǎn)品中甲醛的靈敏、快速、高通量、可視化的比色檢測(cè)，獲得了滿意的結(jié)果。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器和試劑

明膠，硝酸銀（AgNO3），甲醛（HCHO），氫氧化鈉，十六烷基三甲基硅烷（APTES），1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亞胺鹽酸鹽（EDC），N-羥基琥珀酰亞胺（NHS）購(gòu)買于國(guó)藥集團(tuán)。

CascadaTM超純水儀(PALL)，UV-3600紫外可見(jiàn)近紅外光譜儀 （日本島津），酶標(biāo)儀Infinite M200 Pro（TECAN），DF101集熱式恒溫磁力攪拌器（鞏義科瑞有限公司），KQ-100B型超聲波清洗器（昆山超聲儀器有限公司），梅特勒-托利多pH計(jì)（梅特勒-托利多有限公司）。

1.2 甲醛敏感的比色毛細(xì)管陣列的制備

首先，將一定量的AgNO3溶液與4%明膠水溶液混合，于37℃水浴中攪拌并避光反應(yīng)不同時(shí)間（0.5 h，1 h，2 h，4 h，6 h，8 h），借助低溫速凍手段適時(shí)終止反應(yīng)，進(jìn)而采用透析對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行分離純化，制得明膠銀納米材料；然后，加入一定比例的100 mmol/L EDC和80 mmol/L NHS活化其中的明膠。其次，將毛細(xì)管的內(nèi)外管壁采用Piranha試劑清洗，再用超純水和乙醇清洗，于40℃烘干，進(jìn)而浸泡于w=6.0%的十六烷基三甲基硅烷（APTES）乙醇溶液中反應(yīng)6 h，取出，用無(wú)水乙醇清洗，干燥。再次，將處理后的氨基功能化的毛細(xì)管插入一定濃度經(jīng)活化的明膠銀納米溶液中，反應(yīng)12 h，取出，用去離子水沖洗兩次后，置于4℃冰箱中冷凍保存，制得甲醛敏感的功能化毛細(xì)管。

1.3 水產(chǎn)品中甲醛的速測(cè)分析

將比色毛細(xì)管陣列插入到添加了不同濃度甲醛的魚類水產(chǎn)品溶液，利用毛細(xì)現(xiàn)象吸入樣液，經(jīng)反應(yīng)一段時(shí)間后，待毛細(xì)管顏色不再變化，直接測(cè)定其吸光度變化值；或?qū)⒐苤幸后w吹出于96孔板中，采用酶標(biāo)儀測(cè)定其吸光度值；根據(jù)不同甲醛濃度與吸光度值關(guān)系，繪制吸光度-甲醛濃度標(biāo)準(zhǔn)曲線，由此得出樣品中甲醛的含量。

2 結(jié)果與討論

2.1 功能化毛細(xì)管陣列檢測(cè)甲醛的流程與機(jī)理

實(shí)驗(yàn)將明膠銀納米復(fù)合材料共價(jià)封裝于氨基功能化毛細(xì)管陣列內(nèi)壁，制得比色毛細(xì)管陣列，利用毛細(xì)現(xiàn)象自動(dòng)吸取樣品，實(shí)現(xiàn)對(duì)添加不同濃度甲醛的魚類水產(chǎn)品的比色分析，檢測(cè)流程如圖1A所示。根據(jù)銀鏡反應(yīng)的機(jī)理，在堿性環(huán)境下，明膠包裹的銀離子在銀納米顆粒催化下，被甲醛還原為銀單質(zhì)并沉積附著于銀納米顆粒表面，導(dǎo)致銀納米顆粒的增長(zhǎng)變色，用以實(shí)現(xiàn)對(duì)甲醛的可視化比色分析。有關(guān)化學(xué)反應(yīng)式為：

該文利用銀納米顆粒的自催化反應(yīng)實(shí)現(xiàn)明膠中銀顆粒的自我長(zhǎng)大，借以達(dá)到對(duì)甲醛目標(biāo)物的直接比色分析。實(shí)驗(yàn)對(duì)加入甲醛前后的顯色反應(yīng)溶液進(jìn)行紫外表征（圖1B），發(fā)現(xiàn)引入甲醛后，銀離子被還原并覆蓋于小尺寸的銀納米顆粒并增長(zhǎng)成較大的銀納米顆粒，銀產(chǎn)物的吸收峰（425 nm）升高，顯示了加入的甲醛與銀顆粒增長(zhǎng)之間的關(guān)系。

圖1 （A）比色毛細(xì)管陣列檢測(cè)甲醛的流程;（B）明膠銀納米復(fù)合材料及其反應(yīng)產(chǎn)物的紫外表征Fig.1 (A)The procedure of the capillary array-based colorimetric platform for the formaldehyde analysis; (B)the characterization of gelatin-silver nanocomposites before(a)and after(b)the introduction of formaldehyde

2.2 比色毛細(xì)管陣列的制備條件優(yōu)化

2.2.1 明膠銀納米材料的合成反應(yīng)時(shí)間對(duì)顯色反應(yīng)的影響

實(shí)驗(yàn)考察了不同合成反應(yīng)時(shí)間對(duì)銀納米復(fù)合材料顯色反應(yīng)的影響，結(jié)果如圖2A所示。發(fā)現(xiàn)合成反應(yīng)2 h制得的銀納米復(fù)合材料對(duì)甲醛的顯色響應(yīng)最高，表明合成反應(yīng)時(shí)間2 h制得的復(fù)合材料，其中形成的銀納米顆粒和銀離子可達(dá)到對(duì)甲醛的最佳顯色反應(yīng)效果。

圖2 （A）合成反應(yīng)時(shí)間對(duì)明膠銀材料顯色反應(yīng)的影響；（B）明膠銀材料濃度對(duì)顯色反應(yīng)的影響Fig.2 (A)Effect of silver nanocomposites synthesized at different time on the performance of colorimetric reactions; (B)Colorimetric assays depending on the concentrations in dilution ratios of silver nanocomposites

2.2.2 明膠銀納米材料的用量對(duì)顯色反應(yīng)的影響

實(shí)驗(yàn)考察了明膠銀納米復(fù)合材料的用量對(duì)顯色反應(yīng)的影響，結(jié)果如圖2B所示。在相同的反應(yīng)時(shí)間內(nèi)，隨著復(fù)合材料的稀釋倍數(shù)增加，銀催化顯色反應(yīng)的吸光度值降低。從明膠銀納米復(fù)合材料的溶解度和反應(yīng)時(shí)間等因素綜合考慮，該研究選取了稀釋5倍的明膠銀納米復(fù)合材料，借以保證其中明膠的溶膠-凝膠轉(zhuǎn)換特性，并提高了比色檢測(cè)法的分析靈敏度。

2.3 甲醛的主要比色檢測(cè)條件優(yōu)化

2.3.1 檢測(cè)溫度的影響

實(shí)驗(yàn)考察了不同溫度對(duì)甲醛的比色檢測(cè)反應(yīng)的影響，結(jié)果如圖3A所示。發(fā)現(xiàn)其顯色產(chǎn)物的吸光度值隨反應(yīng)溫度升高而升高，達(dá)到25℃以后吸光度值變化不大，但過(guò)高的溫度會(huì)影響明膠材料的穩(wěn)定性?；诖藢?shí)驗(yàn)結(jié)果，檢測(cè)反應(yīng)選取在室溫下進(jìn)行，不僅可以獲得較好的檢測(cè)靈敏度，而且有利于現(xiàn)場(chǎng)的甲醛試驗(yàn)。

圖3 不同檢測(cè)（A）溫度；（B）pH；（C）反應(yīng)時(shí)間；（D）干擾離子和樣品基質(zhì)對(duì)甲醛比色分析的影響Fig.3 Effects of different analysis conditions on the gelatin-silver nanocomposites-based colorimetric analysis for formaldehyde including(A)temperature;(B)pH;(C)reaction time;(D)other ions and substances

2.3.2 檢測(cè)溶液pH值的影響

甲醛還原Ag+反應(yīng)需在合適的pH條件才能進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)采用在一系列pH值下研究了檢測(cè)溶液pH值對(duì)甲醛比色分析的影響，結(jié)果如圖3B所示。發(fā)現(xiàn)當(dāng)溶液pH值大于10時(shí)，反應(yīng)能很好地進(jìn)行，反之進(jìn)行比較慢，表明該反應(yīng)條件與銀鏡反應(yīng)的條件相似，即偏堿性環(huán)境有利于銀離子的還原和銀顆粒的催化長(zhǎng)大。

2.3.3 檢測(cè)反應(yīng)時(shí)間的影響

考察了明膠銀納米復(fù)合材料對(duì)甲醛的比色檢測(cè)反應(yīng)時(shí)間，結(jié)果如圖3C所示。結(jié)果表明，反應(yīng)進(jìn)行10 min后，產(chǎn)物溶液的吸光度值趨于穩(wěn)定。由此可知，該復(fù)合材料對(duì)甲醛敏感，其檢測(cè)響應(yīng)快速，將有利于甲醛的速測(cè)。

2.4 比色檢測(cè)法的檢測(cè)選擇性考察

為考察方法對(duì)甲醛的檢測(cè)選擇性，實(shí)驗(yàn)采用比色檢測(cè)法測(cè)試了其它常見(jiàn)離子，如Cl-，S2-，NO3-，HPO42-，Br-，I-，SO32-，SO42-，以及帶醛基的化合物，如C7H6O2，C6H12O6，HCOOH和ph-COOH等，結(jié)果如圖3D所示。發(fā)現(xiàn)除甲醛以外，這些常見(jiàn)離子和化合物對(duì)明膠銀納米復(fù)合材料響應(yīng)甲醛的影響極小，顯示該方法對(duì)甲醛具有較高的檢測(cè)選擇性。

2.5 甲醛的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)曲線

在上述優(yōu)化的檢測(cè)條件下，采用明膠銀納米復(fù)合材料對(duì)添加了不同濃度甲醛的魚類水產(chǎn)品進(jìn)行了速測(cè)分析，結(jié)果如圖4所示。發(fā)現(xiàn)樣品中甲醛在5.0×10-3～10.0 μmol/L的濃度范圍內(nèi)，與顯色反應(yīng)產(chǎn)物的吸光度值呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，得到的線性方程為：y=8.2330×10-5x+0.2262，相關(guān)系數(shù)為0.9945，對(duì)甲醛的檢測(cè)限為1.0 nmol/L。結(jié)果表明，該方法對(duì)水產(chǎn)品中甲醛具有良好的檢測(cè)靈敏度。

圖4 基于明膠銀納米復(fù)合材料的毛細(xì)管陣列檢測(cè)樣品中甲醛的標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.4 Calibration curve of the gelatin-silver nanocomposites-based colorimetric capillary arrays for HCHO solutions in samples spiked with different concentrations

3 結(jié)論

該文利用低溫速凍技術(shù)在合適的時(shí)間終止明膠還原銀反應(yīng)，制備了包含銀納米顆粒與銀離子的明膠銀納米復(fù)合材料，進(jìn)而將之修飾到氨基化的毛細(xì)管壁，制備成對(duì)甲醛敏感的功能化毛細(xì)管陣列。利用毛細(xì)現(xiàn)象自動(dòng)吸取樣品，在堿性顯色反應(yīng)環(huán)境中，該納米復(fù)合材料對(duì)甲醛具有特異性的識(shí)別能力，同時(shí)，包含的銀離子在銀納米顆粒催化下被甲醛還原生成的銀，并附著在銀納米顆粒表面導(dǎo)致其增長(zhǎng)和變色，用以實(shí)現(xiàn)了對(duì)魚類水產(chǎn)品中甲醛的直接、快速的比色檢測(cè)。研究結(jié)果表明，該比色毛細(xì)管陣列利用明膠體系包裹銀納米顆粒與銀離子材料以及銀自催化的顯色反應(yīng)途徑，具有對(duì)甲醛響應(yīng)靈敏、快速、操作簡(jiǎn)單、攜帶方便等優(yōu)點(diǎn)，可望在食品領(lǐng)域如水產(chǎn)品中甲醛的檢測(cè)中得到廣泛應(yīng)用。

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Encapsulating gelatin-silver nanocomposites onto arrayed capillary tubes toward a visual colorimetric strategy for formaldehyde

Jiang Yao1,Sun Zong-zhao1,Long Da-cheng2,Duan Zhi-qiang1,2,Liu Ling-yuan1,Wang Xue2,Wang Hua1,2*
(1.The Key Laboratory of Life-Organic Analysis,Qufu Normal University,Qufu 273165,China)
(2.Jining Functional Materials and Monitoring Devices E&T Center,Jining 272000,China)

Gelatin-silver nanocomposites were synthesized by the one-pot reactions using gelatin as the reductant and stable agent,which was skillfully stopped at a suitable reaction time by quick freezing.The so prepared nanocomposites containing simultaneously silver nanoparticles and silver ions were covalently encapsulated onto the amine-derivatized inner surface of arrayed capillary tubes serving as the functionalized platform for the rapid and high-throughput detection of formaldehyde.The formaldehyde-containing sample solutions were automatically sucked into the capillary tubes by the capillarity.Under the alkaline environment,formaldehyde would reduce silver ions catalyzed by silver nanoparticles in the gelatin-silver nanocomposites,so that the metallic silver could be deposited onto the surface of catalytic silver nanoparticles showing a visual color change.Subsequently,the developed visual colorimetric sensing system was employed to probe formaldehyde in aquatic products with high detection sensitivity.

gelatin-silver nanocomposites;capillary tubes;capillarity;formaldehyde;colorimetric detection

國(guó)家自然科學(xué)基金（21675099）、國(guó)家科技部“星火計(jì)劃”（2015GA105005）和山東省西部經(jīng)濟(jì)隆起帶基層科技人才計(jì)劃（XB2016CX014）資助

*通信聯(lián)系人,E-mail:huawangqfnu@126.com