本發(fā)明屬于食品安全檢測(cè)領(lǐng)域，具體涉及一種基于功能化的介孔硅球聲表面波傳感器的制備及應(yīng)用，特別涉及利用本專利發(fā)明的聲表面波傳感器(surface acoustic wave sensor)快速檢測(cè)食品中的甲醛的方法。

背景技術(shù)：

現(xiàn)如今，隨著人們經(jīng)濟(jì)水平的顯著提高及食品觀念的逐漸改變，人們也越來越關(guān)注食品安全問題。向食品中添加有毒有害的非食品原料是威脅食品安全的主要原因之一。甲醛是一種非食品原料，也是一種較高毒性的物質(zhì)和潛在的強(qiáng)致突變物，國(guó)家明令禁止將其作為食品添加劑使用。由于甲醛具有防腐、保鮮、增白、增重、改善質(zhì)地和口感等作用，一些不法商販常為牟取暴利將其添加到食品中，導(dǎo)致很多甲醛食品的出現(xiàn)，如甲醛魷魚、甲醛蘑菇、甲醛白菜及甲醛面條等。然而，食用含有甲醛的食品可能會(huì)產(chǎn)生中毒反應(yīng)，輕者會(huì)出現(xiàn)頭暈、嘔吐、腹瀉等癥狀；重者會(huì)出現(xiàn)昏迷、休克，同時(shí)損傷人的肝腎功能，可能導(dǎo)致肝、腎衰竭等癥狀。隨著對(duì)甲醛認(rèn)識(shí)的不斷加深，目前很多方法應(yīng)用到食品中甲醛的檢測(cè)，如分光光度法、色譜法、熒光法、試紙法、酶法和化學(xué)發(fā)光法等，但是這些方法存在一些缺點(diǎn)，如樣品前處理時(shí)間長(zhǎng)、操作復(fù)雜、靈敏度和選擇性低、成本高和不能滿足現(xiàn)場(chǎng)的快速檢測(cè)等問題，因此尋找出一種操作簡(jiǎn)單、檢測(cè)快速和可以實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)食品中甲醛的方法對(duì)保障食品安全具有極其重要的意義。

聲表面波傳感器(SAW傳感器)是一種高靈敏、高選擇性的質(zhì)量型傳感器技術(shù)，其具有裝置簡(jiǎn)單、便于攜帶、靈敏度和選擇性高、成本低及可靠性高等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于環(huán)境、醫(yī)藥、化妝品等領(lǐng)域的分析和檢測(cè)中，但是卻很少應(yīng)用在食品中檢測(cè)有毒、有害物質(zhì)。因此將SAW傳感器應(yīng)用在食品領(lǐng)域，為食品安全檢測(cè)提供一種新穎、快速、準(zhǔn)確的檢測(cè)手段，也為SAW傳感器開辟了一條新的應(yīng)用領(lǐng)域。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對(duì)當(dāng)前技術(shù)存在缺點(diǎn)和不足，本發(fā)明用一種基于功能化的介孔硅球聲表面波傳感器快速檢測(cè)食品中的甲醛，聲表面波傳感器檢測(cè)系統(tǒng)由測(cè)試頻率變化的網(wǎng)絡(luò)分析儀、體積為3L的測(cè)試腔、置于測(cè)試腔內(nèi)的振蕩器和諧振器上的電極、振蕩器和電極之間的振蕩回路及振蕩回路與網(wǎng)絡(luò)分析儀的連接電路組成。本發(fā)明提供的聲表面波傳感器所使用的敏感材料為生物仿生材料(聚多巴胺)功能化的介孔硅球，其能快速檢測(cè)食品中的甲醛，檢測(cè)范圍為0.01ppm-500ppm，檢測(cè)時(shí)間為9s±2s。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的：

本發(fā)明涉及一種基于功能化的介孔硅球聲表面波傳感器的制備方法，所述制備方法包括以下步驟：

S1.敏感材料的制備：將多巴胺按0.01-0.02g/L的比例溶解于弱堿性的5-10mmol/L Tris-Hcl緩沖溶液，并加入介孔硅球使其與多巴胺的摩爾比14～25：1，然后在室溫下攪拌12-24h，然后離心收集聚多巴胺粘附的介孔硅球；干燥后，得到聚多巴胺功能化的介孔硅球復(fù)合材料即為敏感材料；優(yōu)選的，所述Tris-Hcl緩沖溶液的PH＝8.5，效果最好。

S2.基于功能化的介孔硅球聲表面波傳感器的制備：將S1中的敏感材料均勻的涂覆在聲表面波傳感器的電極表面，即可制得基于功能化的介孔硅球聲表面波傳感器。

其中，在步驟S1中，所述干燥的溫度為50℃-80℃。

其中，在步驟S2中，所述聲表面波氣體傳感器在涂覆之前，要進(jìn)行清洗的預(yù)處理；所述清洗的預(yù)處理即將聲表面波電極依次在丙酮溶液、無水乙醇中超聲15min，然后用去離子水清洗干凈，最后在氮?dú)猸h(huán)境下吹干。

其中，在步驟S2中，所述涂覆的方法為將步驟S1的敏感材料配置成濃度為2-5mg/ml的溶液，均勻的涂覆到聲表面波電極表面，成膜后待用。所述涂覆可以為旋涂或滴涂。

用上述方法制得基于功能化的介孔硅球聲表面波傳感器。

聚多巴胺(PDA)是一種生物仿生材料，易黏附于各種材料表面和提供可進(jìn)行二次反應(yīng)的活性基團(tuán)(氨基和羥基)。而PDA中的氨基可以與甲醛分子中羰基進(jìn)行可逆的加成反應(yīng)，以此通過在材料表面修飾聚多巴胺來有效地提高對(duì)甲醛檢測(cè)的化學(xué)選擇性?；诖藱C(jī)理，將聚多巴胺功能化的介孔硅球作為SAW傳感器的敏感材料，構(gòu)建出選擇較好的SAW傳感器來檢測(cè)食品中的甲醛。不僅為食品中甲醛的檢測(cè)提供一種簡(jiǎn)便快速、可靠高效的方法，而且為SAW傳感器檢測(cè)食品中甲醛提供一種良好的敏感材料。與其它檢測(cè)方法相比，基于聚多巴胺功能化的介孔硅球SAW傳感器具有諸多優(yōu)點(diǎn)，主要表現(xiàn)在：①選擇性好、可靠性高和檢測(cè)速度快，不需要對(duì)樣品進(jìn)行繁瑣的前處理；②成本低，檢測(cè)過程中不需要使用大型昂貴的檢測(cè)儀器；③重復(fù)性與再現(xiàn)性好，使用壽命長(zhǎng)；④體積小、便攜性，適用于現(xiàn)場(chǎng)的快速檢測(cè)。

使用上述基于功能化的介孔硅球聲表面波傳感器檢測(cè)食品中甲醛的方法，所述檢測(cè)食品中甲醛的方法包括以下步驟：

(1)甲醛標(biāo)準(zhǔn)溶液的標(biāo)定：將甲醛標(biāo)準(zhǔn)液進(jìn)行一系列的梯度稀釋，制備出0.01ppm-500pbm的甲醛溶液，用微量進(jìn)樣器取不同濃度的甲醛溶液于測(cè)試腔內(nèi)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試腔溫度保持在25-30℃左右，保持濕度在30％-80％，使用網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行信號(hào)實(shí)時(shí)采集。并記錄不同濃度的甲醛對(duì)應(yīng)的信號(hào)響應(yīng)值，從而確定甲醛濃度與響應(yīng)值之間的線性關(guān)系。

(2)待測(cè)食品的標(biāo)定：將碎的待測(cè)食品用蒸餾水浸泡后，過濾，離心，取上清液，用微量進(jìn)樣器取適量的清液于測(cè)試腔內(nèi)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試腔溫度保持在25-30℃左右，保持濕度在30％-80％，使用網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行信號(hào)的實(shí)時(shí)采集，用所述聲表面波傳感器進(jìn)行測(cè)試，記錄響應(yīng)信號(hào)值，與步驟(1)中確定的甲醛的各種濃度與響應(yīng)值之間的線性關(guān)系進(jìn)行比較，即可得到待測(cè)食品的甲醛含量。本檢測(cè)方法的檢測(cè)范圍為0.01ppm-500ppm，檢測(cè)時(shí)間為9s±2s。

本發(fā)明方法檢測(cè)食品中甲醛的優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)如下：

(1)聲表面波傳感器作為一種選擇性高的質(zhì)量型傳感器，具有裝置體積小、成本低廉、便于攜帶等優(yōu)點(diǎn)，可以直接對(duì)空氣或食品中的有毒化學(xué)物質(zhì)則進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，避免了遠(yuǎn)距離送樣檢測(cè)的問題。將其運(yùn)用到食品中甲醛的檢測(cè)，具有操作簡(jiǎn)單、檢測(cè)快速、選擇性好、靈敏度和準(zhǔn)確性高等優(yōu)點(diǎn)，并能夠?qū)崟r(shí)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)到食品中微量的甲醛。

(2)用一種生物仿生材料聚多巴胺對(duì)介孔硅球功能化，提高了材料的表面活性和生物活性，將功能化后的材料作為聲表面波傳感器的敏感材料，構(gòu)建出一種新型的甲醛氣體傳感器，提高了甲醛檢測(cè)的化學(xué)選擇性和靈敏度，為食品中甲醛的檢測(cè)提供一種簡(jiǎn)便、新穎、可靠的檢測(cè)方法。

(3)聚多巴胺功能化的介孔硅球不只限于聲表面波器件，也可成膜于其他傳感器件(石英晶體微天平傳感器和懸臂梁傳感器件)，或許得到與本發(fā)明相似的效果。

附圖說明

圖1為實(shí)施例1制得介孔硅球的透射電子顯微鏡的TEM圖；

圖2為實(shí)施例1制得介孔硅球的透射電子顯微鏡的TEM圖；

圖3為實(shí)施例1和實(shí)施例2制得介孔硅球及聚多巴胺功能化的介孔硅球的氮?dú)馕矫摳角€；

圖4為實(shí)施例1和實(shí)施例2制得介孔硅球及聚多巴胺功能化的介孔硅球的孔體積與孔徑的曲線圖；

圖5為實(shí)施例3中以介孔硅球及聚多巴胺功能化的介孔硅球分別作為聲表面波傳感器的敏感材料，對(duì)100ppm甲醛測(cè)試的響應(yīng)圖；

圖6為實(shí)施例4測(cè)出的甲醛濃度與響應(yīng)值之間的線性關(guān)系圖；

圖7為聚多巴胺功能化的介孔硅球作為聲表面波傳感器的敏感材料，對(duì)50ppm甲醛測(cè)試的選擇性圖；

圖8為實(shí)施例5中測(cè)試甲醛的重復(fù)曲線圖；

圖9為實(shí)施例6中測(cè)試甲醛的重復(fù)曲線圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明：

本發(fā)明的具體實(shí)施如下。

實(shí)施例1制備介孔硅球

首先將十二烷基溴化胺(CTAB)溶解于140ml的去離子水中，形成濃度為4mM的溶液，加入1.5ml的氨水，在室溫下攪拌30min。再加入1.5ml的正硅酸四乙酯，繼續(xù)攪拌5h。然后離心收集得到透明的凝膠狀物質(zhì)，用乙醇、去離子水清洗3-5次。并在80℃下干燥，然后在550℃下煅燒5h即得介孔二氧化硅材料。

TEM圖見圖1、圖2，可以看出本實(shí)驗(yàn)中所用的介孔硅球全部具有球型狀、形貌規(guī)則，晶粒大小均勻且粒徑達(dá)到100nm左右，高分辨的TEM結(jié)果表明該樣品具有均勻規(guī)則的線型孔道結(jié)構(gòu)。

實(shí)施例2制備敏感材料(即聚多巴胺功能化的介孔硅球)

將多巴胺按0.02g/L的比例溶解于PH＝8.5的10mmol/L Tris-Hcl緩沖溶液，并加入實(shí)施例1中制備的介孔硅球使其與多巴胺的摩爾比14～25:1，然后在室溫下攪拌24h，然后離心收集、干燥，得到聚多巴胺功能化的介孔硅球。

附圖3為實(shí)施例1、2所制得介孔硅球及聚多巴胺功能化的介孔硅球的氮?dú)馕矫摳角€，從氮?dú)馕角€圖可以看出聚多巴胺功能化前后的介孔硅球具有典型的Ⅳ型等溫線，并且功能化后材料的比表面積和孔徑都變小。從圖中可以看出介孔硅球均為典型的Ⅳ型吸附曲線，兩條等溫線形狀基本一致，并具有明顯的滯后環(huán)。

附圖4為為實(shí)施例1、2制得介孔硅球及聚多巴胺功能化的介孔硅球的孔體積與孔徑的曲線圖；聚多巴胺功能化后介孔硅球的孔徑均勻，大約4nm，孔道保持良好，只是孔徑和比表面積變小。

實(shí)施例3制備基于聚多巴胺功能化的介孔硅球聲表面波傳感器

聲表面波電極的預(yù)處理：將聲表面波電極分別在丙酮溶液、無水乙醇中超聲15min，然后用去離子水清洗干凈，最后在氮?dú)猸h(huán)境下吹干，并記錄此時(shí)未涂覆材料電極的頻率作為實(shí)驗(yàn)的基準(zhǔn)頻率。

制備基于介孔硅球的聲表面波傳感器：首先，取實(shí)施例2中制備的敏感材料溶解于1ml的去離子水中，配置成濃度為5mg/ml的溶液，然后用超聲波清洗器超聲10min，得到敏感材料溶液。其次，均勻的旋涂到聲表面波電極表面，干燥后以備用。

對(duì)比例1制備介孔硅球聲表面波傳感器

聲表面波電極的預(yù)處理同實(shí)施例3

制備介孔硅球聲表面波傳感器：首先，取實(shí)施例1中制備的介孔硅球溶解于1ml的去離子水中，配置成濃度為5mg/ml的溶液，然后用超聲波清洗器超聲10min，得到敏感材料溶液。其次，均勻的滴凃到聲表面波電極表面，干燥后以備用。

圖5為實(shí)施例3中以介孔硅球及聚多巴胺功能化的介孔硅球分別作為敏感材料的聲表面波傳感器，對(duì)100ppm甲醛測(cè)試的響應(yīng)圖。聚多巴胺功能化前后的材料對(duì)濃度為100ppm的甲醛進(jìn)行了三次重復(fù)測(cè)試?？梢钥闯鰧?shí)施例3制得傳感器的重復(fù)性較好，且功能化前后的材料對(duì)甲醛測(cè)試的響應(yīng)有明顯的差別，功能化后材料的靈敏度變得更高。

實(shí)施例4甲醛標(biāo)準(zhǔn)溶液的標(biāo)定

將甲醛標(biāo)準(zhǔn)液進(jìn)行一系列的梯度稀釋，制備出0.01ppm-500ppm的甲醛溶液，用微量進(jìn)樣器取不同濃度的甲醛溶液于實(shí)施例3中的制備的基于聚多巴胺功能化的介孔硅球聲表面波傳感器的測(cè)試腔內(nèi)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試腔溫度保持在25-30℃左右，保持濕度在30％-80％，使用網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行信號(hào)實(shí)時(shí)采集。并記錄不同濃度的甲醛對(duì)應(yīng)的信號(hào)響應(yīng)值，記錄甲醛濃度與響應(yīng)值之間的線性關(guān)系。見圖6，可以看出該傳感器的靈敏度非常好，在甲醛濃度為100ppm時(shí)，頻率變化達(dá)到4000Hz，甲醛濃度為1ppm時(shí)，頻率變化達(dá)到240Hz，插圖中甲醛濃度為0.01ppm時(shí)，頻率變化為18Hz，說明該傳感器對(duì)甲醛的檢測(cè)限為0.01ppm，并且整個(gè)分析時(shí)間為9s±2s，其中響應(yīng)時(shí)間為5s，恢復(fù)時(shí)間為4s。該傳感器對(duì)0.01-500ppm濃度甲醛的進(jìn)行了測(cè)試，發(fā)現(xiàn)對(duì)0.01-500ppm的甲醛測(cè)量有良好的線性關(guān)系。

用分光光度法測(cè)試了對(duì)標(biāo)準(zhǔn)甲醛液的檢測(cè)線、檢測(cè)時(shí)間及檢測(cè)范圍，發(fā)現(xiàn)其檢測(cè)限為5ppm，檢測(cè)時(shí)間為5min，檢測(cè)線性范圍為5ppm-250ppm。

實(shí)施例5

利用實(shí)施例3制得的基于聚多巴胺功能化的介孔硅球聲表面波傳感器檢測(cè)來自3個(gè)不同地區(qū)的魷魚中甲醛的含量，其過程與步驟如下：

1)對(duì)樣品進(jìn)行前處理：取適量來自3個(gè)不同地區(qū)的鮮活魷魚用組織搗碎機(jī)搗碎，混合均勻后，取20.00g于含有20ml蒸餾水的帶蓋錐形瓶中，在35℃的水浴溫度下浸泡4-5h。

2)樣品的制備：將上述樣品進(jìn)行過濾和離心，取上清液。

3)樣品的測(cè)試：用微量注射器取適量的清液于測(cè)試腔內(nèi)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試腔溫度保持在30℃左右，保持濕度在40％。數(shù)據(jù)的采集使用網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行信號(hào)實(shí)時(shí)采集測(cè)試數(shù)據(jù)分別為2700Hz，2884Hz，2438Hz，與圖6進(jìn)行對(duì)比得知，本實(shí)施例中的3個(gè)不同地區(qū)的魷魚中甲醛的含量分別為150mg/L，161mg/L，132mg/L。

而用分光光度法測(cè)試結(jié)果分別為：154.3mg/L,159.3mg/L,127.9mg/L。

圖7為實(shí)施例5的測(cè)試甲醛的重復(fù)曲線圖，可以看出該傳感器的非常適用于實(shí)際樣品中甲醛的測(cè)量，傳感器的重復(fù)性依然很好。

實(shí)施例6

利用實(shí)施例3制得的基于聚多巴胺功能化的介孔硅球聲表面波傳感器檢測(cè)來自3個(gè)不同超市的牛百葉中甲醛的含量，其過程與步驟如下：

1)對(duì)樣品進(jìn)行前處理：分別取適量來自3個(gè)不同超市的牛百葉，用組織搗碎機(jī)將其搗碎，混合均勻后，取20.00g于含有20ml蒸餾水的帶蓋錐形瓶中，在35℃的水浴溫度下浸泡4-5h，最后冷卻到室溫。

2)樣品的制備：將上述樣品進(jìn)行過濾和離心，取上清液。

3)樣品的測(cè)試：用微量注射器取適量的清液于測(cè)試腔內(nèi)進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試腔溫度保持在30℃左右，保持濕度在40％。數(shù)據(jù)的采集使用網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行信號(hào)實(shí)時(shí)采集測(cè)試數(shù)據(jù)分別為4200Hz，4184Hz，3638Hz，與圖6進(jìn)行對(duì)比得知，本實(shí)施例中的3個(gè)不同地區(qū)的牛百葉中甲醛的含量分別為233.3mg/L，232.4mg/L，202.2mg/L。

而用分光光度法測(cè)試結(jié)果分別為：229.5mg/L,231.2mg/L,205.5mg/L。

圖8為實(shí)施例6的用實(shí)施例3制得的基于聚多巴胺功能化的介孔硅球聲表面波傳感器測(cè)試甲醛的重復(fù)曲線圖，可以看出該傳感器的非常適用于實(shí)際樣品中甲醛的測(cè)量，傳感器的重復(fù)性依然很好。

實(shí)施例7

利用實(shí)施例3制得的基于聚多巴胺功能化的介孔硅球聲表面波傳感器檢測(cè)來自3個(gè)不同超市的腐竹中甲醛的含量，其過程與步驟如下：

1)對(duì)樣品進(jìn)行前處理：分別取適量來自3個(gè)不同超市的腐竹，用刀將其切碎，取20.00g于含有20ml蒸餾水的帶蓋錐形瓶中，在35℃的水浴溫度下浸泡4-5h。

2)樣品的制備：將上述樣品進(jìn)行過濾和離心，取上清液。

3)樣品的測(cè)試：用微量注射器取適量的清液于測(cè)試腔內(nèi)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試腔溫度保持在30℃左右，保持濕度在40％。數(shù)據(jù)的采集使用網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行信號(hào)實(shí)時(shí)采集，測(cè)試數(shù)據(jù)分別為1300Hz，750Hz，350Hz。與圖6進(jìn)行對(duì)比得知，本實(shí)施例中的3個(gè)不同地區(qū)的牛百葉中甲醛的含量分別為72.1mg/L，41.6mg/L，19.4mg/L。而用分光光度法測(cè)試結(jié)果分別為：75.3mg/L,38.6mg/L,16.8mg/L。

以上所述為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，但本發(fā)明不應(yīng)該局限于該實(shí)施例所公開的內(nèi)容。所以凡是不脫離本發(fā)明所公開的精神下完成的等效或修改，都落入本發(fā)明保護(hù)的范圍。