基于功能化介孔二氧化硅納米顆粒的石英晶體微天平氣體傳感器快速檢測啤酒中的甲醛

宗潔，孫明玉，劉海泉,2,3*

1(上海海洋大學(xué) 食品學(xué)院，上海，201306) 2(上海水產(chǎn)品加工及貯藏工程技術(shù)研究中心，上海，201306) 3(農(nóng)業(yè)部水產(chǎn)品貯藏保鮮質(zhì)量安全風(fēng)險(xiǎn)評估實(shí)驗(yàn)室(上海)，上海，201306)

風(fēng)味物質(zhì)的穩(wěn)定性是衡量啤酒質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，也是決定啤酒貨架期長短的綜合指標(biāo)[1]。在貯藏過程中，啤酒品質(zhì)會因發(fā)生物理變化和化學(xué)變化而逐漸降低，如發(fā)生渾濁、沉淀和褐變等[2]。甲醛具有提高風(fēng)味物質(zhì)穩(wěn)定性，減少不良物質(zhì)形成和澄清的作用[3]。目前，市場上許多啤酒廠商為了提高啤酒的風(fēng)味穩(wěn)定性，延長啤酒的保質(zhì)期，多在糖化工序添加甲醛[4]。然而，甲醛是一種毒性較高的物質(zhì)，已被世界衛(wèi)生組織確認(rèn)具有致癌和致畸的作用，是公認(rèn)的變態(tài)反應(yīng)源，同樣是潛在的強(qiáng)致突變物[5-6]。長期食用含有甲醛的食品可能會導(dǎo)致中毒反應(yīng)，輕者出現(xiàn)頭暈、嘔吐、腹瀉等癥狀；重者昏迷、休克，甚至死亡[7-9]。

目前啤酒中甲醛的檢測方法有高效液相色譜法、氣相色譜法、分光光度法、熒光法等[10-16]，但這些方法存在檢測時(shí)間長、樣品前處理繁瑣、檢測靈敏度和選擇性低、成本高、適用范圍有限和不能滿足現(xiàn)場的實(shí)時(shí)監(jiān)測等不足之處，因此尋找出一種成本低、適用范圍廣、快速實(shí)時(shí)監(jiān)測啤酒中甲醛的方法對提高食品安全具有極其重要的意義。石英晶體微天平(quartz crystal microbalance, QCM)氣體傳感器是一種可以對微小質(zhì)量變化進(jìn)行檢測的傳感器，因具有靈敏度高、可重復(fù)利用、成本低廉、便于攜帶和易于操作等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛用于分析化學(xué)、環(huán)境監(jiān)測、食品工業(yè)和臨床醫(yī)藥等領(lǐng)域[17-21]。QCM傳感器的核心元件是石英晶體，工作原理是利用涂覆在石英晶體上的特異性材料吸附或釋放目標(biāo)氣體，根據(jù)測量石英晶體頻率的變化對待測樣品進(jìn)行檢測[22]。由于介孔二氧化硅納米顆粒具有易于合成、孔徑可調(diào)、表面易修飾化、比表面積較高和孔體積大等優(yōu)點(diǎn)[22-24]，近年來被廣泛用于吸附、分離、傳感、催化、環(huán)境保護(hù)和生物醫(yī)學(xué)等諸多領(lǐng)域[25-26]。為此，本研究以比表面積大的介孔二氧化硅納米顆粒為基底材料，利用甲醛分子中的羰基和氨基之間的親核加成反應(yīng)原理[27]，對其氨基化修飾，制備出富含氨基基團(tuán)的功能性納米復(fù)合材料，所得氨基功能化材料與原材料相比具有優(yōu)異的檢測敏感性和特異性。此外，將氨基功能化材料構(gòu)建的QCM傳感器用于啤酒中甲醛的快速檢測，致力于探索出一種基于QCM傳感器快速檢測食品中甲醛的方法。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

不同品牌的啤酒購買于上海市古棕路農(nóng)工商超市，啤酒的原麥芽汁濃度和酒精度見表1。正硅酸乙酯、鹽酸、十六烷基三甲基溴化銨、無水乙醇、氨水，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；鹽酸多巴胺，Sigma公司；甲醛標(biāo)準(zhǔn)品，上海安譜科學(xué)儀器；實(shí)驗(yàn)所用試劑均為分析純，實(shí)驗(yàn)用水為超純水。

表1 啤酒樣品的原麥汁濃度和酒精度Table 1 The original gravity and alcohol degree of beer samples

1.2 儀器與設(shè)備

FA1104-B電子天平，上海越平科學(xué)儀器有限公司；DHG-9055A鼓風(fēng)干燥箱，上海一恒科技儀器有限公司；SX2-8-10N箱式電阻爐，合肥科晶材料技術(shù)有限公司；MYP11-2A恒溫磁力攪拌器，上海梅穎浦儀器儀表制造有限公司；KH250SPV臺式雙頻數(shù)控超聲波清洗器，昆山禾創(chuàng)超聲儀器有限公司；5810R高速冷凍離心機(jī)，艾本德中國有限公司；Nicolet iS5傅里葉紅外光譜儀，賽默飛世爾科技有限公司；53131A頻率計(jì)數(shù)器，安捷倫科技有限公司。

1.3 方法

1.3.1 材料的合成

介孔二氧化硅納米顆粒(mesoporous silica nanoparticles, MSNs)的制備方法參照文獻(xiàn)[28]。將0.2 g十六烷基三甲基溴化銨溶于140 mL去離子水中，用磁力攪拌器攪拌均勻。然后加入2.2 mL的正硅酸乙酯，攪拌5 min，再加入0.5 mL的氨水，在室溫下繼續(xù)攪拌5 h。用乙醇和去離子水反復(fù)清洗、離心、收集得到白色透明的凝膠狀物質(zhì)，將產(chǎn)物在70～80 ℃下烘干，得到白色粉狀物質(zhì)，然后于550 ℃下煅燒5 h得到介孔二氧化硅納米顆粒。

氨基功能化的介孔二氧化硅納米顆粒(amine-functionalized mesoporous silica nanoparticles, NH2-MSNs)制備如下[29]：首先，將多巴胺溶解于10 mmol/L Tris-HCl緩沖溶液中(pH=8.5)，形成質(zhì)量濃度為0.1 g/L的緩沖溶液。其次，加入50 mg上述制備好的介孔二氧化硅納米顆粒，在超聲波清洗器中超聲5 min,室溫下避光攪拌24 h，后離心收集多巴胺負(fù)載的介孔二氧化硅納米顆粒，并用去離子水反復(fù)清洗未負(fù)載的多巴胺。最后，置于70 ℃的烘箱中干燥，得到氨基功能化的介孔二氧化硅納米顆粒。

1.3.2 傳感器的制備

(1)石英晶體的預(yù)處理：QCM氣體傳感器的基底為AT切型的10 MHz晶振片，在涂覆敏感材料之前，石英晶體要經(jīng)過嚴(yán)格的清洗。首先將石英晶體浸泡在丙酮溶液中超聲15 min，然后用去離子水清洗干凈，再浸泡在無水乙醇溶液中超聲15 min，用去離子水清洗干凈，最后用氮?dú)怙L(fēng)吹干石英晶體微天平表面。并放置于傳感器的檢測箱體內(nèi)，記錄此時(shí)石英晶振微天平的頻率作為實(shí)驗(yàn)的基準(zhǔn)頻率。

(2)敏感膜的制備：將上述制備好的MSNs或NH2-MSNs分散于1 mL的去離子水中，配置成質(zhì)量濃度為4 mg/mL的溶液，接著在超聲波清洗器中超聲15 min，得到前驅(qū)溶液。然后用移液器取3 μL的前驅(qū)液均勻滴涂到石英晶體銀電極表面，并置于在50 ℃的烘箱中烘干，最終在石英晶體的電極上形成一層敏感膜，即分別命名為MSNs或NH2-MSNs。最后放置于傳感器的檢測箱體中，測量此時(shí)石英晶體微天平的振動(dòng)頻率，根據(jù)Sauerbrey公式估算出吸附氣體質(zhì)量的變化。

(1)

式中：ΔF，石英晶體諧振頻率的變化量，Hz；Fo，石英晶體的基準(zhǔn)頻率，Hz；ΔM，石英晶體表面質(zhì)量的變化量，μg；A，吸附物質(zhì)覆蓋面積，0.2 cm2；負(fù)號表示質(zhì)量的增加引起石英晶體的頻率下降。

1.3.3 傳感器氣敏性能的測試

將制備好的QCM傳感器放置于測試腔內(nèi)，測試腔溫度保持在25 ℃左右，濕度控制在45%左右。分別進(jìn)行以下測試：

(1)甲醛氣體靈敏度和重復(fù)性測試：取低質(zhì)量濃度到高質(zhì)量濃度(0.5～50 mg/L)的甲醛氣體于測試腔內(nèi)進(jìn)行重復(fù)測試，以此記錄QCM傳感器的響應(yīng)靈敏度及重復(fù)性。

(2)甲醛氣體的選擇性測試：為了確保制備傳感器的選擇性，在相同的條件下對易干擾氣體進(jìn)行檢測，分別是二氧化碳、硫化氫、水、氨氣、乙醇、丙酮、甲醇、氫氣(質(zhì)量濃度皆為2 mg/L)，判斷傳感器對甲醛氣體響應(yīng)的選擇性。

(3)甲醛氣體的長期穩(wěn)定性測試：為研究制備傳感器的使用壽命，測試了傳感器在30 d內(nèi)對同一質(zhì)量濃度甲醛氣體(2 mg/L)的響應(yīng)。將傳感器放置于干燥的密閉容器中進(jìn)行保存，每隔5 d檢測1次，每次重復(fù)3次，以此判斷傳感器的穩(wěn)定性能。

1.3.4 啤酒中甲醛含量的測試

為評價(jià)本方法應(yīng)用在實(shí)際樣品中檢測的可行性，取不同品牌的啤酒樣品20 mL置于帶蓋錐形瓶中，每個(gè)樣品分別加入0.5、1、3 mg/L的甲醛標(biāo)準(zhǔn)溶液。在50 ℃水浴、20 r/min的速度下磁力攪拌30 min進(jìn)行頂空氣體收集，用一次性注射器抽取瓶中頂空氣體，快速注入氣體測試箱中，進(jìn)行甲醛檢測，每次實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次。

2 結(jié)果與分析

2.1 材料的表征

采用掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope, SEM)和透射電子顯微鏡(transmission electron microscope, TEM)對MSNs的結(jié)構(gòu)和形貌進(jìn)行表征，如圖1所示。制備的MSNs顆粒形貌規(guī)則，為球形粒子，大小基本一致，平均大小100 nm，MSNs具有規(guī)則的孔道排列，孔道均勻。

圖1 MSNs的(a)SEM圖和(b)TEM圖Fig.1 SEM和TEM image of the as-prepared MSNs

圖2是樣品MSNs和NH2-MSNs的N2吸附-脫附曲線圖和孔徑分布圖。從圖2-a可以明顯看出，氨基修飾前后樣品的吸附-脫附等溫線的形狀具有介孔材料所特有的Ⅳ型等溫線，并且2種樣品的等溫線形狀基本一致，都具有明顯的滯后環(huán)，滯后環(huán)出現(xiàn)在相對壓力范圍p/p0=0.4～1.0，表明氨基修飾后的樣品與未修飾的樣品一樣保持著高度有序的介孔結(jié)構(gòu)。但是氨基修飾后的樣品發(fā)生毛細(xì)孔凝聚的相對壓力小于未修飾的樣品，滯后環(huán)也明顯地提前出現(xiàn)。BET測試的MSNs和NH2-MSNs比表面積大小分別為896 cm2/g和652 cm2/g ，孔體積分別為1.698和0.588 cm3/g，對應(yīng)的BJH孔徑分布曲線顯示的孔徑大小分別為3.5和3.3 nm，這些特點(diǎn)為氣體的傳輸提供有利的條件。

2.2 甲醛標(biāo)準(zhǔn)氣體的氣敏性能

圖3分別是以MSNs和NH2-MSNs為敏感材料制備的QCM傳感器對不同濃度甲醛氣體的測試響應(yīng)圖。

圖2 MSNs和NH2-MSNs的氮?dú)馕?脫附曲線(a)和孔徑分布圖(b)Fig.2 N2 adsorption-desorption isotherms and (B) the corresponding BJH pore size distribution plots of MSNs and NH2-MSNs

圖3 (a)基于MSNs和NH2-MSNs敏感材料的QCM傳感器對不同質(zhì)量濃度甲醛的響應(yīng)曲線；(b)響應(yīng)靈敏度和甲醛質(zhì)量濃度之間的線性關(guān)系Fig.3 (a)The response carves of MSNs and NH2-MSNs sensors to formaldehyde vapors with various concentrations from 0.5 to 50 mg/L; the inset shows the magnified response curves to 0.5 mg/L formaldehyde vapor. (b) Linear relation-ships between formaldehyde concentration and the correspond-ing sensing responses

結(jié)果表明,以NH2-MSNs為敏感材料制備的QCM傳感器對甲醛氣體的響應(yīng)優(yōu)于以MSNs為敏感材料制備的QCM傳感器。從低濃度到高濃度的甲醛測試過程中，響應(yīng)頻率值隨著甲醛濃度的升高呈階梯狀升高。從高濃度到低濃度的重復(fù)測定時(shí)，相同濃度下前后頻率響應(yīng)強(qiáng)度基本保持一致，說明傳感器有著良好的重復(fù)性。另外，在0.5 mg/L甲醛質(zhì)量濃度下，以NH2-MSNs為敏感材料制備的QCM傳感器仍有35～40 Hz的響應(yīng)，同時(shí)檢測的響應(yīng)時(shí)間為7 s，恢復(fù)時(shí)間為12 s，說明以NH2-MSNs為敏感材料制備的QCM傳感器具有較高的靈敏度、較低的檢測限(0.5 mg/L)、快速的響應(yīng)-恢復(fù)特性。

將兩種樣品制備的傳感器對不同質(zhì)量濃度甲醛產(chǎn)生的響應(yīng)頻率值與甲醛濃度進(jìn)行線性擬合，如圖3-b所示，圖中每個(gè)點(diǎn)表示傳感器對應(yīng)甲醛濃度下的最大頻率值。通過線性擬合，得到關(guān)系式分別為y1=16.78x1+91.2和y0=9.82x0+26.2，兩者的擬合相關(guān)系數(shù)R2=0.99，這說明制備的傳感器輸出的頻率響應(yīng)值與甲醛濃度呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系。

選擇性是傳感器在實(shí)際應(yīng)用中的一個(gè)重要性能指標(biāo)，圖4-a以NH2-MSNs為敏感材料制備的傳感器對甲醛、二氧化碳、硫化氫、水、氨氣、乙醇、丙酮、甲醇、氫氣的響應(yīng)曲線圖，可以明顯地看出該傳感器對甲醛的響應(yīng)頻率值最高，是其他氣體的2.5～11倍。由此可知，該傳感器在對甲醛氣體的檢測上具有優(yōu)良的選擇性。為了評價(jià)傳感器的長期穩(wěn)定性，檢測結(jié)果如圖4-b所示。從圖中可以看出在1個(gè)月內(nèi)傳感器的響應(yīng)基本穩(wěn)定，無明顯變化，說明該傳感器在30 d內(nèi)保持著很好的穩(wěn)定性。

圖4 (a)基于NH2-MSNs敏感材料的QCM傳感器對2 mg/L不同氣體的響應(yīng)；(b)基于NH2-MSNs敏感材料的QCM傳感器的長期穩(wěn)定性Fig.4 (a)Selectivity of the NH2-MSNs based sensor to 2 mg/L of various gases. (b) Long-term stability of the NH2-MSNs sensor to 2 mg/L formaldehyde vapor

根據(jù)上述測試結(jié)果顯示，以NH2-MSNs為敏感材料制備的傳感器對甲醛氣體具有較好的靈敏度、較低的檢測限、良好的線性關(guān)系、選擇性和長期穩(wěn)定性，說明制備的傳感器是可靠的，可將其應(yīng)用于啤酒中甲醛的檢測。

2.3 啤酒中甲醛的檢測

利用制備的傳感器對不同啤酒樣品進(jìn)行檢測，圖5是該傳感器檢測的典型響應(yīng)曲線圖，對應(yīng)的分析結(jié)果見表2，隨著添加甲醛濃度的增加，傳感器響應(yīng)的靈敏度隨之增大，且呈良好的線性關(guān)系。由圖5可以看出，該傳感器對不同品牌啤酒的響應(yīng)強(qiáng)度不同，說明啤酒中甲醛的含量各不相同。這與啤酒中麥汁的濃度有關(guān)，甲醛通過與麥汁中的多酚物質(zhì)結(jié)合，降低麥汁的色度，促進(jìn)蛋白質(zhì)的絮凝沉淀，最終提高啤酒的非生物穩(wěn)定性[4]。而檢測的4種不同品牌的啤酒麥汁濃度不同(見表1)，檢測的啤酒中甲醛含量各不相同，進(jìn)而在傳感器上表現(xiàn)出不同的響應(yīng)強(qiáng)度。此外，該傳感器有著較高的準(zhǔn)確度和較短的檢測時(shí)間。從響應(yīng)曲線上可以觀察對每個(gè)樣品的檢測時(shí)間可以在30 s內(nèi)完成，說明所制備的傳感器檢測速度快、用時(shí)短、效率高，對啤酒中的甲醛具有很好的檢測效果。

表2 啤酒樣品中甲醛含量的測定(n=3)Table 2 Determination of formaldehyde in beers(n=3)

圖5 傳感器對樣品1(a)；樣品2(b)；樣品3(c)和樣品4(d)的氣敏響應(yīng)圖Fig.5 Response profiles for formaldehyde in: (a) sample 1, (b) sample 2, (c) sample 3, and (d) sample 4

3 結(jié)論

(1)本研究制備了比表面積較大的介孔二氧化硅納米顆粒，并進(jìn)行氨基基團(tuán)的功能化修飾，將其作為QCM傳感器的敏感材料，構(gòu)建一種快速檢測啤酒中甲醛的傳感器。該傳感器對甲醛氣體具有優(yōu)異的選擇性和穩(wěn)定性、較高的靈敏度、較低的檢測限(0.5 mg/L)、快速的響應(yīng)恢復(fù)，響應(yīng)時(shí)間為7 s，恢復(fù)時(shí)間為12 s。

(2)使用制備的傳感器對4種不同品牌的啤酒進(jìn)行檢測。檢測結(jié)果顯示該傳感器的響應(yīng)強(qiáng)度隨著添加甲醛含量的增加而隨之增大，且呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系。由于該傳感器對不同品牌啤酒響應(yīng)強(qiáng)度不同，檢測的甲醛含量各不相同，并且有著較高的準(zhǔn)確度和較短的檢測時(shí)間，對每個(gè)樣品可以在30 s內(nèi)完成檢測。本方法快速靈敏、操作簡便，檢測和分析效率高，適用于啤酒中甲醛的檢測。