明胶银纳米复合材料封装的毛细管阵列用于甲醛的可视化比色分析

姜 耀，孙宗招，龙大成，段志强,，刘陵瑗，王 雪，王 桦,*

（1.曲阜师范大学化学与化工学院，山东省生命有机分析重点实验室，山东曲阜273165）

（2.济宁市功能材料与监测器件工程技术中心,山东三生新材料科技有限公司，山东济宁272000）

明胶银纳米复合材料封装的毛细管阵列用于甲醛的可视化比色分析

姜 耀1，孙宗招1，龙大成2，段志强1,2，刘陵瑗1，王 雪2，王 桦1,2*

（1.曲阜师范大学化学与化工学院，山东省生命有机分析重点实验室，山东曲阜273165）

（2.济宁市功能材料与监测器件工程技术中心,山东三生新材料科技有限公司，山东济宁272000）

以明胶为还原剂和稳定剂，借助低温速冻终止反应技术，一锅式合成了包含银纳米颗粒与银离子的明胶银纳米复合材料，进而将之共价修饰于经氨基化的毛细管内壁，制成对甲醛敏感的功能化毛细管阵列。通过毛细现象自动吸取样品，在碱性环境下，利用银纳米颗粒催化甲醛还原其中银离子，引起银颗粒的增长变色，实现了对水产品中甲醛的灵敏、快速、高通量、可视化的比色检测。

明胶银纳米材料；毛细管阵列；毛细现象；甲醛；比色检测

0 引言

甲醛是一种重要的化工原料和有机溶剂，常用于制造树脂、塑料及橡胶等工业用品，也可用作防腐剂用于食品以及化妆品等。人体长期接触这些材料，会使体内甲醛浓度逐渐积累而危害人体健康。例如，甲醛可直接破坏生物体内细胞蛋白质，对人的皮肤、呼吸道及内脏造成损害，麻醉人的中枢神经，引起肺水肿、肝昏迷、肾衰竭等[1]；食品中如鱼贝类水产品常加入甲醛溶液（俗称福尔马林）防腐，人体长期接触福尔马林可导致癌症。因此，世界卫生组织将甲醛列为致畸和引起基因突变或致癌的物质[2-3]。此外，甲醛污染问题主要集中于居室、纺织品和食品（如水产品）中。目前，甲醛的检测方法包括色谱分析法、电泳法、荧光分析、酶生物检测法和基于金属氧化物的气体传感分析技术等[4-8]，这些方法主要应用于居室中甲醛的分析与监测，而食品（如水产品）中甲醛的速测技术尚刚刚起步。同时，目前这些技术虽选择性和灵敏度高，但大多存在操作复杂、分析速度慢、难以现场监测应用等局限性。因此，开发一种快速、灵敏、简便、且能现场应用的便携式甲醛检测方法是十分必要的。

众所周知，比色法是一种简单快速的检测方法，也被用于甲醛的分析[9-13]，但一般测定线性范围较宽，适合于高含量甲醛的检测[10]，用于水产品中甲醛检测时，存在操作过程复杂、繁琐、耗时[11]。Suslick等通过伯胺与甲醛反应设计了一种快速检测甲醛的方法[12]，该方法能实现可逆检测，但依赖于一系列pH指示剂并需大量的信息统计；Jingbin Zeng等开发了一种基于琼脂焦糖的甲醛比色检测法[13]，但该方法涉及托伦斯试剂的使用，其分析稳定性欠佳。

玻璃毛细管是内径等于或小于1.0 mm的玻璃细管，具有便携、成本低、自动吸样等优点，被逐渐应用于取样和构建各种分析平台。例如，医院常利用毛细管自动吸取血样[14]；毛细管电泳法以毛细管为分离通道进行分离分析[15]。此外，毛细管也被应用于制作光化学检测和电化学分析器件，但毛细管大多作为样品分离通道或活性物质（如酶）的固定化表面，或者用于替代传统光学或电学测试池[16]。 此外，在这些分析方法中，样品的吸入尚需使用流动注射或泵等辅件才能完成；同时，检测信号读取依赖外来检测仪器（如荧光仪和电化学仪），不能快速、直观地获取样品的定性和定量分析结果。

该文以明胶为还原剂和稳定剂，并借助低温速冻终止反应技术，一锅式合成了包含银纳米颗粒与银离子的明胶银纳米复合材料[17]；进而将该复合材料通过共价键合作用修饰于氨基化的毛细管内壁，制成对甲醛敏感的功能化毛细管阵列，利用毛细现象自动吸取样品，直接实现了对水产品中甲醛的灵敏、快速、高通量、可视化的比色检测，获得了满意的结果。

1 实验部分

1.1 实验仪器和试剂

明胶，硝酸银（AgNO3），甲醛（HCHO），氢氧化钠，十六烷基三甲基硅烷（APTES），1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐（EDC），N-羟基琥珀酰亚胺（NHS）购买于国药集团。

CascadaTM超纯水仪(PALL)，UV-3600紫外可见近红外光谱仪 （日本岛津），酶标仪Infinite M200 Pro（TECAN），DF101集热式恒温磁力搅拌器（巩义科瑞有限公司），KQ-100B型超声波清洗器（昆山超声仪器有限公司），梅特勒-托利多pH计（梅特勒-托利多有限公司）。

1.2 甲醛敏感的比色毛细管阵列的制备

首先，将一定量的AgNO3溶液与4%明胶水溶液混合，于37℃水浴中搅拌并避光反应不同时间（0.5 h，1 h，2 h，4 h，6 h，8 h），借助低温速冻手段适时终止反应，进而采用透析对产物进行分离纯化，制得明胶银纳米材料；然后，加入一定比例的100 mmol/L EDC和80 mmol/L NHS活化其中的明胶。其次，将毛细管的内外管壁采用Piranha试剂清洗，再用超纯水和乙醇清洗，于40℃烘干，进而浸泡于w=6.0%的十六烷基三甲基硅烷（APTES）乙醇溶液中反应6 h，取出，用无水乙醇清洗，干燥。再次，将处理后的氨基功能化的毛细管插入一定浓度经活化的明胶银纳米溶液中，反应12 h，取出，用去离子水冲洗两次后，置于4℃冰箱中冷冻保存，制得甲醛敏感的功能化毛细管。

1.3 水产品中甲醛的速测分析

将比色毛细管阵列插入到添加了不同浓度甲醛的鱼类水产品溶液，利用毛细现象吸入样液，经反应一段时间后，待毛细管颜色不再变化，直接测定其吸光度变化值；或将管中液体吹出于96孔板中，采用酶标仪测定其吸光度值；根据不同甲醛浓度与吸光度值关系，绘制吸光度-甲醛浓度标准曲线，由此得出样品中甲醛的含量。

2 结果与讨论

2.1 功能化毛细管阵列检测甲醛的流程与机理

实验将明胶银纳米复合材料共价封装于氨基功能化毛细管阵列内壁，制得比色毛细管阵列，利用毛细现象自动吸取样品，实现对添加不同浓度甲醛的鱼类水产品的比色分析，检测流程如图1A所示。根据银镜反应的机理，在碱性环境下，明胶包裹的银离子在银纳米颗粒催化下，被甲醛还原为银单质并沉积附着于银纳米颗粒表面，导致银纳米颗粒的增长变色，用以实现对甲醛的可视化比色分析。有关化学反应式为：

该文利用银纳米颗粒的自催化反应实现明胶中银颗粒的自我长大，借以达到对甲醛目标物的直接比色分析。实验对加入甲醛前后的显色反应溶液进行紫外表征（图1B），发现引入甲醛后，银离子被还原并覆盖于小尺寸的银纳米颗粒并增长成较大的银纳米颗粒，银产物的吸收峰（425 nm）升高，显示了加入的甲醛与银颗粒增长之间的关系。

图1 （A）比色毛细管阵列检测甲醛的流程;（B）明胶银纳米复合材料及其反应产物的紫外表征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 比色毛细管阵列的制备条件优化

2.2.1 明胶银纳米材料的合成反应时间对显色反应的影响

实验考察了不同合成反应时间对银纳米复合材料显色反应的影响，结果如图2A所示。发现合成反应2 h制得的银纳米复合材料对甲醛的显色响应最高，表明合成反应时间2 h制得的复合材料，其中形成的银纳米颗粒和银离子可达到对甲醛的最佳显色反应效果。

图2 （A）合成反应时间对明胶银材料显色反应的影响；（B）明胶银材料浓度对显色反应的影响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 明胶银纳米材料的用量对显色反应的影响

实验考察了明胶银纳米复合材料的用量对显色反应的影响，结果如图2B所示。在相同的反应时间内，随着复合材料的稀释倍数增加，银催化显色反应的吸光度值降低。从明胶银纳米复合材料的溶解度和反应时间等因素综合考虑，该研究选取了稀释5倍的明胶银纳米复合材料，借以保证其中明胶的溶胶-凝胶转换特性，并提高了比色检测法的分析灵敏度。

2.3 甲醛的主要比色检测条件优化

2.3.1 检测温度的影响

实验考察了不同温度对甲醛的比色检测反应的影响，结果如图3A所示。发现其显色产物的吸光度值随反应温度升高而升高，达到25℃以后吸光度值变化不大，但过高的温度会影响明胶材料的稳定性。基于此实验结果，检测反应选取在室温下进行，不仅可以获得较好的检测灵敏度，而且有利于现场的甲醛试验。

图3 不同检测（A）温度；（B）pH；（C）反应时间；（D）干扰离子和样品基质对甲醛比色分析的影响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 检测溶液pH值的影响

甲醛还原Ag+反应需在合适的pH条件才能进行。实验采用在一系列pH值下研究了检测溶液pH值对甲醛比色分析的影响，结果如图3B所示。发现当溶液pH值大于10时，反应能很好地进行，反之进行比较慢，表明该反应条件与银镜反应的条件相似，即偏碱性环境有利于银离子的还原和银颗粒的催化长大。

2.3.3 检测反应时间的影响

考察了明胶银纳米复合材料对甲醛的比色检测反应时间，结果如图3C所示。结果表明，反应进行10 min后，产物溶液的吸光度值趋于稳定。由此可知，该复合材料对甲醛敏感，其检测响应快速，将有利于甲醛的速测。

2.4 比色检测法的检测选择性考察

为考察方法对甲醛的检测选择性，实验采用比色检测法测试了其它常见离子，如Cl-，S2-，NO3-，HPO42-，Br-，I-，SO32-，SO42-，以及带醛基的化合物，如C7H6O2，C6H12O6，HCOOH和ph-COOH等，结果如图3D所示。发现除甲醛以外，这些常见离子和化合物对明胶银纳米复合材料响应甲醛的影响极小，显示该方法对甲醛具有较高的检测选择性。

2.5 甲醛的检测标准曲线

在上述优化的检测条件下，采用明胶银纳米复合材料对添加了不同浓度甲醛的鱼类水产品进行了速测分析，结果如图4所示。发现样品中甲醛在5.0×10-3～10.0 μmol/L的浓度范围内，与显色反应产物的吸光度值呈现良好的线性关系，得到的线性方程为：y=8.2330×10-5x+0.2262，相关系数为0.9945，对甲醛的检测限为1.0 nmol/L。结果表明，该方法对水产品中甲醛具有良好的检测灵敏度。

图4 基于明胶银纳米复合材料的毛细管阵列检测样品中甲醛的标准曲线Fig.4 Calibration curve of the gelatin-silver nanocomposites-based colorimetric capillary arrays for HCHO solutions in samples spiked with different concentrations

3 结论

该文利用低温速冻技术在合适的时间终止明胶还原银反应，制备了包含银纳米颗粒与银离子的明胶银纳米复合材料，进而将之修饰到氨基化的毛细管壁，制备成对甲醛敏感的功能化毛细管阵列。利用毛细现象自动吸取样品，在碱性显色反应环境中，该纳米复合材料对甲醛具有特异性的识别能力，同时，包含的银离子在银纳米颗粒催化下被甲醛还原生成的银，并附着在银纳米颗粒表面导致其增长和变色，用以实现了对鱼类水产品中甲醛的直接、快速的比色检测。研究结果表明，该比色毛细管阵列利用明胶体系包裹银纳米颗粒与银离子材料以及银自催化的显色反应途径，具有对甲醛响应灵敏、快速、操作简单、携带方便等优点，可望在食品领域如水产品中甲醛的检测中得到广泛应用。

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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

国家自然科学基金（21675099）、国家科技部“星火计划”（2015GA105005）和山东省西部经济隆起带基层科技人才计划（XB2016CX014）资助

*通信联系人,E-mail:huawangqfnu@126.com