一种检测氨气的纸基传感器的制备方法及其应用

1.本发明属于纳米科学与荧光传感技术领域，具体涉及一种检测氨气的纸基传感器的制备方法及其应用。


背景技术：

2.氨气是一种密度比空气小，具有刺激性气味和毒性的气体。它是由腐烂动物组织中氨基酸脱羧产生的，常见于鸡肉以及其余含有高蛋白肉类的食物中。目前，常用的检测氨气和脂肪胺类气体的手段包括气相色谱-质谱法、电化学法、比色法、高效液相色谱、荧光检测法。然而，这些方法通常具有费时费力、前处理复杂、不适用于复杂的储藏环境中检测。在这些检测方法中，荧光检测氨气和脂肪胺类气体更为简单和方便。
3.配位聚合物是一种通过将不同的金属离子与不同的有机配体结合可以得到具有不同性质的配合物，这种配合物具有稳定的、多孔的三维结构。其中多孔的腔体结构具有多个反应位点可以与检测对象进行反应，同时又具有稳定性好的材料特性。而不同的金属离子与有机配体结合形成的配位聚合物的性质也不同，因此将配合物作为氨、胺类气体检测材料也已经成为目前应用较多的方法。同时，相比于增强型荧光检测氨气探针，比率型荧光探针具有双波长发射的特征，该波长比率值的变化独立于探针浓度和光源强度，可大大降低其他检测条件的干扰。
4.在现有的技术中，有文献公开了“一种氨气检测用传感材料及其制备方法和应用”(cn115452894a)，具体涉及种检测限低和高灵敏性的碳点荧光探针，但是该探针的稳定性不足。专利“一种高效氨气荧光检测的有机卤化亚铜材料及其制备和应用”(cn 115028188 a)提出了一种灵敏度高且合成方法简单的荧光检测探针，但该探针所用材料基于有机卤化亚铜材料，在针对食品腐败检测上具有一定的生物毒性。
5.目前，用于氨气传感的材料大多是有机导电气敏材料，这类材料虽然具有灵敏度高的优点，但同时又具有成本较高、选择性差、稳定性差等问题。因此，将荧光探针与纸基结合起来开发出一种简单、快速、准确、便携、易操作的生物传感器具有重要意义。


技术实现要素：

6.针对现有的氨气荧光分子探针的不足，本发明提出一种灵敏度高、稳定性强的比率型荧光探针，一方面利用zn(pa)(bpe)表面多空的结构吸附氨气从而加大对氨气的反应灵敏度，另一方面zn(pa)(bpe)与cnqds之间通过包埋形成比率型荧光探针不仅使cnqds更加稳定，同时提高检测氨气气体的背景抗干扰能力。
7.为了实现以上目的，本发明一种检测氨气的纸基传感器的制备方法，包括以下步骤：
8.(1)制备zn(pa)(bpe)：将zn(no3)2·
6h2o与dmf混合搅拌得到混合液，记为a液；将双羟萘酸、1,2-双(4-吡啶基)乙烷以及超纯水混合得到混合液，用koh将混合液的ph调至碱性，此时的溶液记为b液；然后将a液和b液混合，经超声后放入高压反应釜中加热一段时间，
得到固体物质，再经超纯水洗涤、真空冷冻干燥后得到固体粉末，即为zn(pa)(bpe)；
9.(2)制备zn(pa)@cnqds比率型荧光物质：将一定量的柠檬酸钠、氯化铵以及水混合后，再加入步骤(1)得到的zn(pa)(bpe)粉末，混合均匀后转移到高压反应釜中，将该高压釜置于烘箱中进行反应，反应后自然冷却至室温，得到混合物；将得到的混合物装进透析膜中，在透析液中放置一段时间进行纯化，以除去未反应的前体物质；将纯化后的混合物自然沉积后，收集沉淀物，将沉淀冷冻干燥后得到固体粉末，即为zn(pa)@cnqds比率型荧光物质；
10.(3)利用滤纸负载荧光探针制备比率型荧光纸基传感器；将步骤(2)制备的zn(pa)@cnqds比率型荧光物质溶于超纯水中获得zn(pa)@cnqds溶液；然后取zn(pa)@cnqds溶液滴加在滤纸上，经氮吹使其干燥负载于滤纸上，得到比率型荧光纸基传感器，即为检测氨气的纸基传感器。
11.优选的，步骤(1)中所述a液中zn(no3)2·
6h2o与dmf用量比为15g：200ml；所述b液中双羟萘酸、1,2-双(4-吡啶基)乙烷以及超纯水的用量比为1.6g:1.5g:400ml。
12.优选的，步骤(1)中a液和b液混合时的体积比为1:5。
13.优选的，步骤(1)中所述的koh的浓度为1m，调至碱性ph为8；所述的超声时间为5min，高压釜置于烘箱中进行反应条件为120℃，72h。
14.优选的，步骤(2)中所述zn(pa)(bpe)、柠檬酸钠、氯化铵以及水的用量比为20g:10g:53g:500ml。
15.优选的，步骤(2)中所述烘箱中进行反应的条件为180℃，4小时；所述透析膜的分子量为1000da，所述透析液为超纯水、蒸馏水或去离子水；所述放置一段时间为24h。
16.优选的，步骤(3)中所述zn(pa)@cnqds比率型荧光物质与纯水溶液的用量关系为得1.5mg:1-128ml；更优选的，用量关系为1.5mg:16ml。
17.优选的，步骤(3)中所述zn(pa)@cnqds溶液滴加在滤纸上，其用量关系为每cm2的滤纸滴加15-20μl的zn(pa)@cnqds溶液。
18.本发明制备的比率型荧光纸基传感器用于氨气检测的用途，具体步骤如下：
19.(1)标准曲线的构建：将不同浓度的氨水溶液，与比率型荧光纸基传感器放置同一密闭环境条件下，一种浓度的氨水溶液对应一个比率型荧光纸基传感器；反应一段时间后，根据亨利定律计算气相中氨气浓度，并计算相对应纸基传感器rgb值中g/b比值，然后根据氨气浓度和g/b比值对应建立标准曲线；
20.(2)未知样品的检测：将待测样品液与比率型荧光纸基传感器放置同一密闭环境条件下，反应一段时间后，计算纸基传感器rgb值中g/b比值，然后代入步骤(1)的标准曲线中，即可实现氨气浓度的检测。
21.优选的，步骤(1)中氨水溶液的浓度为0.1～0.6m；步骤(1)和(2)中所述环境条件的温度均为25℃，反应一段时间均为24h；比率型荧光纸基传感器与氨水溶液或待测样品液相邻放置。
22.有益效果：
23.(1)本发明制备的zn(pa)(bpe)是一种具有多孔的、稳定三维结构的配合物，由于该配合物具有较高的热稳定性，本发明将该物质与合成碳点的前体物质混合反应，在结构不变的情况下，碳点在zn(pa)(bpe)多孔的腔体内合成从而得到了稳定复合产物zn(pa)@
cnqds；该产物在365nm波长激发下具有两个发射波长，相较于单发射荧光探针，该复合物比率型荧光探针比率值的变化独立于探针浓度和光源强度，可大大降低其他检测条件的干扰。
24.(2)复合物中zn(pa)(bpe)具有多个结合位点，与氨反应能够增加电子到能级轨道上的跃迁，从而导致荧光变化。研究得到该复合物对氨气的检测限能够达到288nm，并且与丙酮、甲醇、乙醇、乙烷等易挥发有机试剂不发生反应。因此，本发明得到了一种选择性和灵敏度较高的新型比率型荧光纸基传感器，可以与肉制品共同包装存放，在检测肉制品腐败变质过程具有良好的应用前景。
附图说明
25.图1为zn(pa)(bpe)、cnqds以及zn(pa)@cnqds比率型荧光物质的荧光发射光谱；
26.图2为不同浓度的zn(pa)@cnqds溶液与20μl的0.1m氨水溶液反应后荧光光谱图，其中a图中zn(pa)@cnqds溶液的浓度为1.5mg/ml，b图zn(pa)@cnqds溶液的浓度为1.5mg/2ml、c图zn(pa)@cnqds溶液的浓度为1.5mg/4ml、d图zn(pa)@cnqds溶液的浓度为1.5mg/8ml、e图zn(pa)@cnqds溶液的浓度为1.5mg/16ml、f图zn(pa)@cnqds溶液的浓度为1.5mg/32ml、g图zn(pa)@cnqds溶液的浓度为1.5mg/64ml、h图zn(pa)@cnqds溶液的浓度为1.5mg/128ml；
27.图3为基于纸基传感器荧光图像的g/b与氨气浓度的关系建立的标准曲线；
28.图4为纸基传感器与不同有机挥发气体反应后的荧光颜色变化图；
29.图5为纸基传感器在不同温度下1h后的荧光颜色变化。
具体实施方式
30.下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
31.实施例1：
32.(1)zn(pa)(bpe)的合成：
33.将0.8mmol的zn(no3)2·
6h2o与8ml dmf混合搅拌得到a液；将0.4mmol双羟萘酸与0.8mmol的1,2-双(4-吡啶基)乙烷用40ml超纯水混合得到混合液，用1m koh将混合液液ph调至8得到b液，并且将a液和b液按照1:5体积比混合，随后超声5min放入高压反应釜中120℃加热72h得到固体物质，超纯水洗涤三次后再经真空冷冻干燥2天，得到固体粉末，即为zn(pa)(bpe)；
34.(2)制备zn(pa)@cnqds比率型荧光物质：
35.将0.1g的柠檬酸钠、0.53g氯化铵以及5ml水混合后加入0.2g步骤(1)得到的zn(pa)(bpe)粉末，混合后转移到高压反应釜中，将该高压釜置于180℃的烘箱中进行反应，反应4小时后自然冷却至室温，得到混合物；将得到的混合物装进分子量1000da的透析膜中，在超纯水中纯化24h以除去未反应的前体，得到纯化后的混合物，自然沉积后取出沉淀，用超纯水离心洗涤3次，之后真空冷冻干燥，得到的产物即为zn(pa)@cnqds比率型荧光物质；
36.(3)利用滤纸负载荧光探针制备比率型荧光纸基传感器；
37.将1.5mg步骤(2)得到的zn(pa)@cnqds比率型荧光物质加入到16ml的纯水溶液中，得到zn(pa)@cnqds溶液，取20μl的zn(pa)@cnqd溶液滴在1cm2的滤纸上，氮吹5min使其干燥
负载于滤纸上，即得比率型荧光传感器。
38.性能检测：
39.一、利用实施例1中制备的zn(pa)@cnqds比率型荧光物质测试在不同浓度下与氨反应后光学特性
40.(1)配置不同浓度的zn(pa)@cnqds的水溶液，浓度分别为1.5mg/ml、1.5mg/2ml、1.5mg/4ml、1.5mg/8ml、1.5mg/16ml、1.5mg/32ml、1.5mg/64ml、1.5mg/128ml；
41.(2)取200μl浓度为0.1m氨水分别加入2ml不同浓度的zn(pa)@cnqds溶液中，得到混合液；一个浓度的zn(pa)@cnqds的水溶液对应一份氨水，两者为一一对应关系；静置5min后检测混合液的荧光强度。从图2可以观察到不同浓度的复合物与相同浓度氨水反应后荧光增强大小也不同；因此，可以推断当zn(pa)@cnqds浓度过大时，与氨水反应后由于荧光内滤效应导致自身荧光淬灭。为了zn(pa)@cnqds比率型荧光物质能够与氨气更好的反应，本发明选择1.5mg/16ml浓度的zn(pa)@cnqds。
42.二、实施例1制备的zn(pa)@cnqds纸基传感器对氨气气体检测方法
43.(1)利用实施例1中的制得的比率型荧光传感器检测氨气气体浓度，通过下式计算纸基传感器浓度
[0044][0045]
c(zn(pa)@cnqds)为zn(pa)@cnqds溶液的浓度；
[0046]
v(zn(pa)@cnqds)为zn(pa)@cnqds溶液的体积；
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a(paper)为滤纸面积；
[0048]
(2)将不同浓度的氨水溶液，与比率型荧光纸基传感器放置同一密闭环境条件下；本实施例中选择的密闭环境为气体发生器；将干燥的比率型荧光传感器固定在的气体发生器中，同时在气体发生器的孔中加入相同体积、不同浓度(0、0.1m、0.2m、0.3m、0.4m、0.5m、0.6m)的氨水溶液，加入完毕后封口；使两者处在同一密闭环境；将气体发生器放置在25℃的环境下，通过下式计算出气体发生器中氨气气相中的浓度
[0049][0050]
r-摩尔气体常数；t-反应环境温度；n(nh3,g)-气相中氨气摩尔量；v(nh3,g)-容器体积；k
b-亨利常数；n0(nh3·
h2o)-氨水摩尔量；v(h2o)-溶液总体积；ρ(h2o)-水的密度；m(h2o)-水的相对分子质量；
[0051]
(3)反应24h后用智能手机记录在365nm的紫外灯下比率型荧光传感器的荧光颜色，每记录一个浓度下的纸基荧光图像变化就更换纸基进行下一个浓度的观察(即一个zn(pa)@cnqds纸基传感器对应一种浓度)，每个浓度下重复三次，纸基传感器的荧光颜色从蓝绿色逐渐变成亮绿色且氨气浓度越大，所对应的传感器绿色荧光越亮。
[0052]
通过提取图像的rgb值，计算g值和b值的比值，从而对氨气进行定量分析。根据g/b与氨气浓度的关系建立标准曲线(图3)，标准曲线方程为y＝0.281x+0.5901(r2＝0.993)，检测限为288nm。从结果可知，该标准曲线的线性关系较好，且检测限低，具有较好的检测氨气效果。
[0053]
(4)将比率型荧光传感器与相同浓度(0.1m)的易挥发有机溶液置于同一环境下，静置一段时间后，用智能手机记录在365nm的紫外灯下比率型荧光传感器的荧光颜色，除了0.1m氨气浓度下的比率型荧光传感器颜色变为亮绿色，其余挥发性气体下的比率型荧光传感器的荧光颜色几乎不变，仍然为蓝绿色；结果图4所示，说明该传感器对氨气有良好的选择性。
[0054]
(5)将纸基传感器放置在不同温度下(25℃、35℃、45℃、55℃、65℃、75℃)1h，用智能手机记录在365nm的紫外灯下纸基的荧光颜色，并提取图片中的rgb值，结果如表1所示；根据图5所示，发现在25℃～65℃下的传感器g值和b值没有明显变化，而在75℃下g值无明显变化，b值有略微降低。因此，说明比率型荧光传感器的稳定性较好。
[0055]
表1为提取到纸基传感器在不同温度下1h后的g值和b值
[0056][0057]
(6)通过标准曲线，利用纸基传感器的荧光颜色的g/b值，即可得到相应的氨气浓度。
[0058]
分别配置0.25m、0.45m、0.55m三种浓度的氨水样品，将这三个样品分别取1ml与纸基传感器置于相同环境下(25℃)进行反应；根据步骤(2)中公式计算得到相对应的氨气浓度为0.53899μm、0.97017μm、1.18576μm；反应24h后得到相应纸基传感器的rgb值，根据得到g/b值带入步骤(3)中的标准曲线得到响应的氨气浓度与实际的氨气浓度相对比，结果如表2所示。
[0059]
表2为氨气样品测量结果以及回收率
[0060][0061]
从表2中可以发现回收率分别为87％、108％、90％，回收率较好、结果较准确，表明在一定氨气浓度范围内可以通过纸基传感器的荧光颜色rgb变化值得到相应的氨气浓度。
[0062]
说明：以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案；因此，尽管本说明书参照上述的实施例对本发明已进行了详细的说明，但是本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，均应涵盖在本发明的权利要求范围内。

技术特征：
1.一种检测氨气的纸基传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将zn(no3)2·
6h2o与dmf混合搅拌得到混合液，记为a液；将双羟萘酸、1,2-双(4-吡啶基)乙烷以及超纯水混合得到混合液，用koh将混合液的ph调至碱性，此时的溶液记为b液；然后将a液和b液混合，经超声后放入高压反应釜中加热一段时间，得到固体物质，再经超纯水洗涤、真空冷冻干燥后得到固体粉末，即为zn(pa)(bpe)；(2)将一定量的柠檬酸钠、氯化铵以及水混合后，再加入步骤(1)得到的zn(pa)(bpe)，混合均匀后转移到高压反应釜中，将该高压釜置于烘箱中进行反应，反应后自然冷却至室温，得到混合物；将得到的混合物装进透析膜中，在透析液中放置一段时间进行纯化，以除去未反应的前体物质；将纯化后的混合物自然沉积后，收集沉淀物，将沉淀冷冻干燥后得到固体粉末，即为zn(pa)@cnqds比率型荧光物质；(3)将步骤(2)制备的zn(pa)@cnqds比率型荧光物质溶于超纯水中获得zn(pa)@cnqds溶液；然后取zn(pa)@cnqds溶液滴加在滤纸上，经氮吹使其干燥负载于滤纸上，得到比率型荧光纸基传感器，即为检测氨气的纸基传感器。2.根据权利要求1所述的一种检测氨气的纸基传感器的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述a液中zn(no3)2·
6h2o与dmf用量比为15g：200ml；所述b液中双羟萘酸、1,2-双(4-吡啶基)乙烷以及超纯水的用量比为1.6g:1.5g:400ml；a液和b液混合时的体积比为1:5。3.根据权利要求1所述的一种检测氨气的纸基传感器的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述的koh的浓度为1m，调至碱性ph为8；所述的超声时间为5min，高压釜置于烘箱中进行反应条件为120℃，72h。4.根据权利要求1所述的一种检测氨气的纸基传感器的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述zn(pa)(bpe)、柠檬酸钠、氯化铵以及水的用量关系为20g:10g:53g:500ml。5.根据权利要求1所述的一种检测氨气的纸基传感器的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述烘箱中进行反应的条件为180℃，4小时；所述透析膜的分子量为1000da，透析液为超纯水、蒸馏水或去离子水；所述放置一段时间为24h。6.根据权利要求1所述的一种检测氨气的纸基传感器的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述zn(pa)@cnqds比率型荧光物质与纯水溶液的用量关系为得1.5mg:1-128ml。7.根据权利要求6所述的一种检测氨气的纸基传感器的制备方法，其特征在于，所述zn(pa)@cnqds比率型荧光物质与纯水溶液的用量关系为1.5mg:16ml。8.根据权利要求1所述的一种检测氨气的纸基传感器的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述zn(pa)@cnqds溶液滴加在滤纸上，其用量关系为每cm2的滤纸滴加15-20μl的zn(pa)@cnqds溶液。9.根据权利要求1-8任一项所述的方法制备的检测氨气的纸基传感器用于氨气检测的用途，其特征在于，步骤如下：(1)标准曲线的构建：将不同浓度的氨水溶液，与比率型荧光纸基传感器放置同一密闭环境条件下，一种浓度的氨水溶液对应一个比率型荧光纸基传感器；反应一段时间后，根据亨利定律计算气相中氨气浓度，并计算相对应纸基传感器rgb值中g/b比值，然后根据氨气浓度和g/b比值对应建立标准曲线；(2)未知样品的检测：将待测样品液与比率型荧光纸基传感器放置同一密闭环境条件下，反应一段时间后，计算纸基传感器rgb值中g/b比值，然后代入步骤(1)的标准曲线中，即
可实现氨气浓度的检测。10.根据权利要求9所述的用途，其特征在于，步骤(1)中氨水溶液的浓度为0.1～0.6m；步骤(1)和(2)中所述环境条件的温度均为25℃，反应一段时间均为24h，比率型荧光纸基传感器与氨水溶液或待测样品液相邻放置。

技术总结
本发明属于纳米科学与荧光传感技术领域，具体涉及一种检测氨气的纸基传感器的制备方法及其应用。首先制备Zn(PA)(BPE)，利用Zn(PA)(BPE)表面多空的结构吸附氨气从而提升对氨气的反应灵敏度；然后进一步通过Zn(PA)(BPE)与CNQDs包埋形成Zn(PA)@CNQDs比率型荧光物质，最后将其溶于超纯水中获得溶液；滴加在滤纸上，经氮吹使其负载于滤纸上，即得比率型荧光纸基传感器。本发明利用Zn(PA)(BPE)与CNQDs包埋形成比率型荧光纸基传感器，不仅使CNQDs更加稳定，同时提高了检测氨气的背景抗干扰能力，具备较高的选择性和灵敏度，并且在检测肉制品腐败变质过程具有良好的应用前景。制品腐败变质过程具有良好的应用前景。制品腐败变质过程具有良好的应用前景。


技术研发人员：黄晓玮 孙伟 邹小波 李志华 石吉勇 张新爱 张宁 张迪 翟晓东 胡雪桃 申婷婷
受保护的技术使用者：江苏大学
技术研发日：2023.03.13
技术公布日：2023/8/21