基于CoFe2O4介孔磁性纳米材料的单宁酸比色传感检测.pdf

利用铁酸钴介孔磁性纳米材料催化 产生自由基使得过氧化物酶的底物 联氮二(乙基苯并噻唑磺酸)二铵盐()产生绿色的颜色反应 结合单宁酸会抑制 的催化活性这一性质建立一种可视化、快速、方便、灵敏的单宁酸检测方法 通过对实验条件的优化得出单宁酸摩尔浓度与该体系在 处的吸光度具有良好的线性关系其线性范围为./检测限为./此外考察了一定摩尔浓度单宁酸类似物的干扰情况其结果表明该传感器具有很好的选择性 该研究有望应用于食品中单宁酸的检测关键词:磁性纳米材料铁酸钴比色法单宁酸络合反应过氧化物酶中图分类号:文献标志码:(.):()()()././.:单宁酸又称鞣酸常温下为淡黄色至浅棕色粉末有特殊气味味极涩广泛存在于植物和发酵的饮料中其主要特点是水溶性好且容易与水溶性蛋白质形成沉淀常影响食品的颜色和味道 作为一种典型的葡萄糖棓酰基化合物单宁酸含有多酚羟基的结构也因此具有一系列独特的生理活性和化学特性如能与多种金属离子发生络合和静电作用具有两亲结构和诸多衍生化反应活性具有还原性和消除自由基的活性能与蛋白质、生物碱、多糖结合使其物理化学行为发生变化等因此在医药、食品、制革、冶金、印染、电子、化妆品、国防等行业应用广泛 茶叶中含有单宁酸它是导致浓茶伤身的最主要物质 一旦经常性地大量饮用浓茶容易造成胃液稀释从而不能正常消化阻碍人体对铁的吸收并易产生便秘症 未成熟的香蕉柿子也含有单宁酸单宁酸会在胃酸环境中与膳食纤维和蛋白质融合刺激胃黏膜导致腹痛、胃痛、恶心和呕吐如果将单宁酸用于局部破损处如大面积烧伤或加入硫酸钡灌肠剂灌肠时易发生吸收中毒导致肝脏严第 卷第 期 湖北民族大学学报(自然科学版).年 月 ().重损伤甚至死亡鉴于单宁酸有诸多危害对其进行检测是十分必要的 目前对单宁酸的检测方法主要有光度法、滴定法、高效液相色如谱法、电化学法、蛋白质预沉淀法、化学发光法、荧光分析法等但这些方法都有一定的缺点如前两种方法选择性差、灵敏度低后几种方法需要昂贵的实验仪器且操作复杂 因此寻找一种灵敏度高、选择性好以及设备简单的快速检测单宁酸的方法具有重要意义单宁酸的多个邻位酚羟基结构可以作为一种多基配体与金属离子发生络合反应 个相邻的酚羟基能以氧负离子的形式与金属离子形成稳定的五元环螯合物邻苯三酚结构中的第 个酚羟基虽然没有参与络合但可以促进另外 个酚羟基的离解从而促进络合物的形成及稳定 有鉴于此可以利用其与金属离子的强配位作用建立起新型的检测方法近年来介孔磁性纳米材料因其具有比表面大、性质稳定、可循环利用等许多良好的性能而受到广泛关注 例如四氧化三铁磁性纳米材料()已广泛应用于污染治理、核磁共振、药物分离、生物分离和生物催化等领域 文献曾报道 具有类似辣根过氧化物酶的活性可以催化过氧化氢分解 辣根过氧化物酶属于天然酶具有催化效率高、选择性好等特点但其催化活性受不同程度的条件限制而且价格昂贵不易保存也无法回收使用使得寻找辣根过氧化物酶的替代品成为广大科研工作者迫切的任务 磁性纳米颗粒等模拟酶具有成本低、稳定性高、易于储存、可回收利用等优点 迅 速 成 为 国 内 外 的 研 究 热 点 之 一 类 似 于 利 用 铁 酸 钴 介 孔 磁 性 纳 米 材 料()作为过氧化物模拟酶来催化 与 联氮二(乙基苯并噻唑磺酸)二铵盐()的氧化反应另外单宁酸具有多个邻位酚羟基结构通过与金属离子发生络合反应可显著抑制 的催化活性 根据颜色变化可以探寻出一种可视化检测单宁酸的方法 实验部分.原料与试剂试剂有 联氮二(乙基苯并噻唑磺酸)二铵盐()(公司分析纯)、单宁酸()(阿拉丁试剂公司分析纯)其他化学试剂均为分析纯以上级别实验用水为二次蒸馏水.仪器仪器有微量台式离心机(德国 公司 )、紫外可见分光光度计()、场发射透射电子显微镜()(美国 公司 )、射线粉末衍射仪()(日本 )、物理吸附仪(麦克默瑞提克仪器有限公司).的合成在磁力搅拌器的搅拌下将.()和.()以及.甘氨酸加入到 去离子水中室温搅拌 后过滤得到红色溶液 将上述溶液加热蒸干至黑色疏松粉末的状态放置于马弗炉中 烘烤 最后将得到黑色固体溶于水取悬浮液通过离心干燥得到.的表征采用场发射透射电子显微镜分析样品的微观结构制样过程如下:将样品研磨后溶于乙醇中超声分散均匀用滴管吸取分散溶液滴在包覆碳膜的铜网上自然条件下干燥后便可用于观测 粉末 射线衍射实验使用 靶作为辐射源.工作电压和工作电流分别为 和扫描范围在之间 采用物理吸附仪对样品的孔径和比表面积进行测定测试条件如下:每次测试的样品质量为 样品在 温度下脱气预处理 吸附介质为氮气测试温度为 孔径分布数据按照()方法计算.催化 反应在.的离心管中加入/、./、/、值为.的醋酸缓冲液于 恒温槽反应 第 期 骆奋强:基于 介孔磁性纳米材料的单宁酸比色传感检测 .紫外可见吸收光谱的测定取 上述溶液用二次水稀释 倍配成 溶液在 处用紫外可见分光光度计测定其吸光度.实验条件的优化.溶液 值的影响 在.的离心管中分别加入 /、./、/和 值为.、.、.、.、.的醋酸缓冲液于 恒温槽反应.温度的影响 在.的离心管中加入 /、./、/、值为.的醋酸缓冲液分别于、恒温槽反应.响应时间的影响在.的离心管中加入 /、/、/、值为 的醋酸缓冲液于 恒温槽分别恒温、.摩尔浓度的影响 在 的离心管中加入 /、(、/)、/、值为 的醋酸缓冲液于恒温槽反应.质量浓度的影响在.的离心管中分别加入 (.、.、.、.、./)和 ./的、/、值为.的醋酸缓冲液于恒温槽反应.摩尔浓度的影响 在.的离心管中加入 /、./的、(、/)、值为.的醋酸缓冲液于恒温槽反应.干扰实验在.的离心管中加入 /、./、/、值为.的醋酸缓冲液和 一定摩尔浓度的单宁酸、乙醇、蔗糖、葡萄糖、酒石酸、维生素、苯甲酸溶液于 恒温槽反应 结果与讨论.的表征对 采用高分辨率的 分析其形状、尺度及分散度 如图 所示该纳米材料呈圆球状存在一定的聚合现象但分散较为均匀具有有序介孔结构颗粒的孔径在 范围内该形状和尺寸均非常适合作为催化剂使用 图()是该介孔材料的孔径分布图图中出现双峰一个是孔径的大小另一个是由于复制不完全产生的孔分布说明该材料的有序性不高 利用 吸脱附实验考察介孔材料的比表面积结果如图()所示 根据物理吸附仪自带的软件和图()的数据可以测得 的比表面积为./()比例尺为 ()比例尺为 图 的 图.湖北民族大学学报(自然科学版)第 卷 ()孔径分布 ()吸附脱附曲线图 孔径分布和 吸脱附曲线.对该物质进行 表征结果如图 所示 图()与标准图库中的 .相吻合说明该材料是纯相 由图中的半峰宽可以看出该 是由许多小颗粒组成 的半峰宽越大说明该样品颗粒越小 图()可以证明该材料是有立方相 对称的有序介孔结构但同时它的衍射峰强度不高说明该材料的有序性不高与孔径分布图()的结果相符 ()广角 射线衍射谱 ()小角 射线衍射谱图 广角和小角 射线衍射谱图.()反应实物 ()紫外可见吸收光谱图 催化 反应实物及对应的紫外可见吸收光谱.催化 反应 催化 反应实物及对应的紫外可见吸收光谱如图 所示 由图()可知在没有 存在下 的加入不会使 产生颜色变化在没有 的存在下能氧化 使得溶液颜色呈浅绿色当加入 后 反应体系颜色加深说明 对 反应具有良好的催化作用 图 ()更能清晰地反映出催化剂 的催化效果不加 时的反应体系(红色曲线)在 处基本不存在紫外可见吸收对比加入(黑色曲线)和没加入(蓝色曲线)的 反应体系前者在 处的吸光度值(.)比后者在 处的吸光度值(.)增加了 充分说明了催化剂的作用是比较明显的第 期 骆奋强:基于 介孔磁性纳米材料的单宁酸比色传感检测 紫外可见吸收光谱也显示 的加入并没有产生新的紫外可见吸收峰进一步说明 反应信号增强是由 催化作用引起的.测定单宁酸传感器的建立在构建 测定单宁酸的传感器之前需要对传感条件进行优化 重点研究了溶液 值、温度、响应时间、摩尔浓度、质量浓度和 摩尔浓度对传感信号的影响如图 所示 由图()可知溶液的 值是影响检测体系的重要因素之一在 值为.范围内当 值为.时 对 的催化作用最为明显 因此确定.为该体系的最佳 值 由图()可知作为过氧化物模拟酶温度可能会影响反应速率及催化剂的活性根据不同温度下磁性材料的催化反应结果可知当温度低于 时 催化活性是上升的但当温度超过 时材料的催化活性有所降低说明该实验的最优反应温度为 由图()可知反应时间在 内时加入 的 反应体系与没有加入 的 反应体系在 处的吸光度均随时间的增大而增加而过了 之后二者的吸光度均无显著变化说明反应已经趋于完全由此可知 是传感体系的最佳响应时间 由图()()()可知在一定范围内随着 摩尔浓度、质量浓度和 摩尔浓度的增加体系的吸光度亦相应增加 从节约材料和提高检测灵敏度的角度考虑最终选用的 摩尔浓度、质量浓度和 摩尔浓度分别为./、/和 /最后构建 测定单宁酸的最优实验条件列于表 中 ()值 ()温度()响应时间 ()摩尔浓度 ()质量浓度 ()摩尔浓度图 催化 实验条件的优化.表 检测单宁酸传感器的最优实验条件.影响因素最佳实验条件影响因素最佳实验条件醋酸缓冲溶液 值.摩尔浓度/(/).温度/质量浓度/(/).时间/摩尔浓度/(/).在上述最佳实验条件下对所构建 测定单宁酸传感器的性能进行评价通过向 体系加入不同摩尔浓度的单宁酸得到一系列有明显颜色变化的溶液结果如图 所示 测定其吸光度可知在./范围内单宁酸摩尔浓度与该体系在 处的吸光度值具有良好的线性关系线性方程为.线性相关系数.相关 湖北民族大学学报(自然科学版)第 卷反应曲线及线性关系如图 所示 在信噪比为 时该体系的检测限为./这个检测限与其他检测方法相比相对较低这主要是由于 体系对单宁酸的检测具有较高的灵敏性()./()/()./()/()./()/图 比色法检测不同摩尔浓度的单宁酸.()反应曲线 ()线性关系图 利用 体系检测单宁酸的反应曲线及线性关系.测定单宁酸传感器的选择性除了灵敏度高的要求外选择性高也是鉴别传感器优劣的 个衡量指标 为了确定该体系检测单宁酸的选择性分析了单宁酸的类似物乙醇、蔗糖、葡萄糖、酒石酸、维生素、苯甲酸对检测体系的影响结果如图 所示 实验中所用单宁酸、酒石酸的摩尔浓度为./乙醇、维生素 的摩尔浓度为./葡萄糖、蔗糖、苯甲酸的摩尔浓度为./由以上实验现象可以得出:倍的葡萄糖、蔗糖、苯甲酸 倍的乙醇、维生素 倍的酒石酸对单宁酸的测定不会产生干扰该检测体系选择性较好图 体系的选择性实物及其柱状图.测定单宁酸传感器的机理探讨 等报道了 磁性纳米材料可以催化 和 的颜色反应并用来检测 和葡萄糖与该机理类似可推测:不含单宁酸时 催化 产生自由基使得过氧化物酶底物 产生绿色的氧化态()当有单宁酸存在时单宁酸具有多个邻位酚羟基结构可第 期 骆奋强:基于 介孔磁性纳米材料的单宁酸比色传感检测 以作为一种多基配体与、等金属离子发生络合反应 而当 的催化活性被单宁酸抑制后 就不能快速有效地被氧化成绿色的 体系检测单宁酸的原理如图 所示图 体系检测单宁酸的原理示意.结论论文利用 催化 与过氧化物酶底物 产生变色反应的活性会被单宁酸所抑制的特点建立了一种方便、灵敏的可视化检测单宁酸的方法 在最佳实验条件下 体系对单宁酸的检测线性范围为./检测限为./而且该检测体系选择性良好 实验方法为研究介孔磁性纳米材料在检测物质方面的应用提供了思路和参考相信介孔磁性纳米材料在化学分析领域将会有越来越广泛的应用前景参考文献:张纵圆李茂华张涛.分光光度法测定新疆无花果叶中的单宁.分析试验室():.马森强向少蓉.络合滴定法测定橡籽中单宁酸的含量.广东化工():.张学玲刘霞蒋媛等.高效液相色谱法测定酿酒葡萄中单宁酸的含量.现代食品():.():.():.():.():.():.马志红陆忠兵石碧.单宁酸的化学性质及应用.天然产物研究与开发():.梁敏敏阎锡蕴.纳米材料模拟酶性质及其应用.东南大学学报(医学版)():.罗维郭茹瑶薛冰纯等.磁性纳米材料在水处理中的应用研究进展.分析科学学报():.():.:.():.责任编辑:高 山 湖北民族大学学报(自然科学版)第 卷