姜 耀，孫宗招，龍大成，段志強,，劉陵瑗，王 雪，王 樺,*

（1.曲阜師范大學化學與化工學院，山東省生命有機分析重點實驗室，山東曲阜273165）

（2.濟寧市功能材料與監(jiān)測器件工程技術中心,山東三生新材料科技有限公司，山東濟寧272000）

明膠銀納米復合材料封裝的毛細管陣列用于甲醛的可視化比色分析

姜 耀1，孫宗招1，龍大成2，段志強1,2，劉陵瑗1，王 雪2，王 樺1,2*

（1.曲阜師范大學化學與化工學院，山東省生命有機分析重點實驗室，山東曲阜273165）

（2.濟寧市功能材料與監(jiān)測器件工程技術中心,山東三生新材料科技有限公司，山東濟寧272000）

以明膠為還原劑和穩(wěn)定劑，借助低溫速凍終止反應技術，一鍋式合成了包含銀納米顆粒與銀離子的明膠銀納米復合材料，進而將之共價修飾于經氨基化的毛細管內壁，制成對甲醛敏感的功能化毛細管陣列。通過毛細現(xiàn)象自動吸取樣品，在堿性環(huán)境下，利用銀納米顆粒催化甲醛還原其中銀離子，引起銀顆粒的增長變色，實現(xiàn)了對水產品中甲醛的靈敏、快速、高通量、可視化的比色檢測。

明膠銀納米材料；毛細管陣列；毛細現(xiàn)象；甲醛；比色檢測

0 引言

甲醛是一種重要的化工原料和有機溶劑，常用于制造樹脂、塑料及橡膠等工業(yè)用品，也可用作防腐劑用于食品以及化妝品等。人體長期接觸這些材料，會使體內甲醛濃度逐漸積累而危害人體健康。例如，甲醛可直接破壞生物體內細胞蛋白質，對人的皮膚、呼吸道及內臟造成損害，麻醉人的中樞神經，引起肺水腫、肝昏迷、腎衰竭等[1]；食品中如魚貝類水產品常加入甲醛溶液（俗稱福爾馬林）防腐，人體長期接觸福爾馬林可導致癌癥。因此，世界衛(wèi)生組織將甲醛列為致畸和引起基因突變或致癌的物質[2-3]。此外，甲醛污染問題主要集中于居室、紡織品和食品（如水產品）中。目前，甲醛的檢測方法包括色譜分析法、電泳法、熒光分析、酶生物檢測法和基于金屬氧化物的氣體傳感分析技術等[4-8]，這些方法主要應用于居室中甲醛的分析與監(jiān)測，而食品（如水產品）中甲醛的速測技術尚剛剛起步。同時，目前這些技術雖選擇性和靈敏度高，但大多存在操作復雜、分析速度慢、難以現(xiàn)場監(jiān)測應用等局限性。因此，開發(fā)一種快速、靈敏、簡便、且能現(xiàn)場應用的便攜式甲醛檢測方法是十分必要的。

眾所周知，比色法是一種簡單快速的檢測方法，也被用于甲醛的分析[9-13]，但一般測定線性范圍較寬，適合于高含量甲醛的檢測[10]，用于水產品中甲醛檢測時，存在操作過程復雜、繁瑣、耗時[11]。Suslick等通過伯胺與甲醛反應設計了一種快速檢測甲醛的方法[12]，該方法能實現(xiàn)可逆檢測，但依賴于一系列pH指示劑并需大量的信息統(tǒng)計；Jingbin Zeng等開發(fā)了一種基于瓊脂焦糖的甲醛比色檢測法[13]，但該方法涉及托倫斯試劑的使用，其分析穩(wěn)定性欠佳。

玻璃毛細管是內徑等于或小于1.0 mm的玻璃細管，具有便攜、成本低、自動吸樣等優(yōu)點，被逐漸應用于取樣和構建各種分析平臺。例如，醫(yī)院常利用毛細管自動吸取血樣[14]；毛細管電泳法以毛細管為分離通道進行分離分析[15]。此外，毛細管也被應用于制作光化學檢測和電化學分析器件，但毛細管大多作為樣品分離通道或活性物質（如酶）的固定化表面，或者用于替代傳統(tǒng)光學或電學測試池[16]。 此外，在這些分析方法中，樣品的吸入尚需使用流動注射或泵等輔件才能完成；同時，檢測信號讀取依賴外來檢測儀器（如熒光儀和電化學儀），不能快速、直觀地獲取樣品的定性和定量分析結果。

該文以明膠為還原劑和穩(wěn)定劑，并借助低溫速凍終止反應技術，一鍋式合成了包含銀納米顆粒與銀離子的明膠銀納米復合材料[17]；進而將該復合材料通過共價鍵合作用修飾于氨基化的毛細管內壁，制成對甲醛敏感的功能化毛細管陣列，利用毛細現(xiàn)象自動吸取樣品，直接實現(xiàn)了對水產品中甲醛的靈敏、快速、高通量、可視化的比色檢測，獲得了滿意的結果。

1 實驗部分

1.1 實驗儀器和試劑

明膠，硝酸銀（AgNO3），甲醛（HCHO），氫氧化鈉，十六烷基三甲基硅烷（APTES），1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亞胺鹽酸鹽（EDC），N-羥基琥珀酰亞胺（NHS）購買于國藥集團。

CascadaTM超純水儀(PALL)，UV-3600紫外可見近紅外光譜儀 （日本島津），酶標儀Infinite M200 Pro（TECAN），DF101集熱式恒溫磁力攪拌器（鞏義科瑞有限公司），KQ-100B型超聲波清洗器（昆山超聲儀器有限公司），梅特勒-托利多pH計（梅特勒-托利多有限公司）。

1.2 甲醛敏感的比色毛細管陣列的制備

首先，將一定量的AgNO3溶液與4%明膠水溶液混合，于37℃水浴中攪拌并避光反應不同時間（0.5 h，1 h，2 h，4 h，6 h，8 h），借助低溫速凍手段適時終止反應，進而采用透析對產物進行分離純化，制得明膠銀納米材料；然后，加入一定比例的100 mmol/L EDC和80 mmol/L NHS活化其中的明膠。其次，將毛細管的內外管壁采用Piranha試劑清洗，再用超純水和乙醇清洗，于40℃烘干，進而浸泡于w=6.0%的十六烷基三甲基硅烷（APTES）乙醇溶液中反應6 h，取出，用無水乙醇清洗，干燥。再次，將處理后的氨基功能化的毛細管插入一定濃度經活化的明膠銀納米溶液中，反應12 h，取出，用去離子水沖洗兩次后，置于4℃冰箱中冷凍保存，制得甲醛敏感的功能化毛細管。

1.3 水產品中甲醛的速測分析

將比色毛細管陣列插入到添加了不同濃度甲醛的魚類水產品溶液，利用毛細現(xiàn)象吸入樣液，經反應一段時間后，待毛細管顏色不再變化，直接測定其吸光度變化值；或將管中液體吹出于96孔板中，采用酶標儀測定其吸光度值；根據(jù)不同甲醛濃度與吸光度值關系，繪制吸光度-甲醛濃度標準曲線，由此得出樣品中甲醛的含量。

2 結果與討論

2.1 功能化毛細管陣列檢測甲醛的流程與機理

實驗將明膠銀納米復合材料共價封裝于氨基功能化毛細管陣列內壁，制得比色毛細管陣列，利用毛細現(xiàn)象自動吸取樣品，實現(xiàn)對添加不同濃度甲醛的魚類水產品的比色分析，檢測流程如圖1A所示。根據(jù)銀鏡反應的機理，在堿性環(huán)境下，明膠包裹的銀離子在銀納米顆粒催化下，被甲醛還原為銀單質并沉積附著于銀納米顆粒表面，導致銀納米顆粒的增長變色，用以實現(xiàn)對甲醛的可視化比色分析。有關化學反應式為：

該文利用銀納米顆粒的自催化反應實現(xiàn)明膠中銀顆粒的自我長大，借以達到對甲醛目標物的直接比色分析。實驗對加入甲醛前后的顯色反應溶液進行紫外表征（圖1B），發(fā)現(xiàn)引入甲醛后，銀離子被還原并覆蓋于小尺寸的銀納米顆粒并增長成較大的銀納米顆粒，銀產物的吸收峰（425 nm）升高，顯示了加入的甲醛與銀顆粒增長之間的關系。

圖1 （A）比色毛細管陣列檢測甲醛的流程;（B）明膠銀納米復合材料及其反應產物的紫外表征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 比色毛細管陣列的制備條件優(yōu)化

2.2.1 明膠銀納米材料的合成反應時間對顯色反應的影響

實驗考察了不同合成反應時間對銀納米復合材料顯色反應的影響，結果如圖2A所示。發(fā)現(xiàn)合成反應2 h制得的銀納米復合材料對甲醛的顯色響應最高，表明合成反應時間2 h制得的復合材料，其中形成的銀納米顆粒和銀離子可達到對甲醛的最佳顯色反應效果。

圖2 （A）合成反應時間對明膠銀材料顯色反應的影響；（B）明膠銀材料濃度對顯色反應的影響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 明膠銀納米材料的用量對顯色反應的影響

實驗考察了明膠銀納米復合材料的用量對顯色反應的影響，結果如圖2B所示。在相同的反應時間內，隨著復合材料的稀釋倍數(shù)增加，銀催化顯色反應的吸光度值降低。從明膠銀納米復合材料的溶解度和反應時間等因素綜合考慮，該研究選取了稀釋5倍的明膠銀納米復合材料，借以保證其中明膠的溶膠-凝膠轉換特性，并提高了比色檢測法的分析靈敏度。

2.3 甲醛的主要比色檢測條件優(yōu)化

2.3.1 檢測溫度的影響

實驗考察了不同溫度對甲醛的比色檢測反應的影響，結果如圖3A所示。發(fā)現(xiàn)其顯色產物的吸光度值隨反應溫度升高而升高，達到25℃以后吸光度值變化不大，但過高的溫度會影響明膠材料的穩(wěn)定性。基于此實驗結果，檢測反應選取在室溫下進行，不僅可以獲得較好的檢測靈敏度，而且有利于現(xiàn)場的甲醛試驗。

圖3 不同檢測（A）溫度；（B）pH；（C）反應時間；（D）干擾離子和樣品基質對甲醛比色分析的影響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 檢測溶液pH值的影響

甲醛還原Ag+反應需在合適的pH條件才能進行。實驗采用在一系列pH值下研究了檢測溶液pH值對甲醛比色分析的影響，結果如圖3B所示。發(fā)現(xiàn)當溶液pH值大于10時，反應能很好地進行，反之進行比較慢，表明該反應條件與銀鏡反應的條件相似，即偏堿性環(huán)境有利于銀離子的還原和銀顆粒的催化長大。

2.3.3 檢測反應時間的影響

考察了明膠銀納米復合材料對甲醛的比色檢測反應時間，結果如圖3C所示。結果表明，反應進行10 min后，產物溶液的吸光度值趨于穩(wěn)定。由此可知，該復合材料對甲醛敏感，其檢測響應快速，將有利于甲醛的速測。

2.4 比色檢測法的檢測選擇性考察

為考察方法對甲醛的檢測選擇性，實驗采用比色檢測法測試了其它常見離子，如Cl-，S2-，NO3-，HPO42-，Br-，I-，SO32-，SO42-，以及帶醛基的化合物，如C7H6O2，C6H12O6，HCOOH和ph-COOH等，結果如圖3D所示。發(fā)現(xiàn)除甲醛以外，這些常見離子和化合物對明膠銀納米復合材料響應甲醛的影響極小，顯示該方法對甲醛具有較高的檢測選擇性。

2.5 甲醛的檢測標準曲線

在上述優(yōu)化的檢測條件下，采用明膠銀納米復合材料對添加了不同濃度甲醛的魚類水產品進行了速測分析，結果如圖4所示。發(fā)現(xiàn)樣品中甲醛在5.0×10-3～10.0 μmol/L的濃度范圍內，與顯色反應產物的吸光度值呈現(xiàn)良好的線性關系，得到的線性方程為：y=8.2330×10-5x+0.2262，相關系數(shù)為0.9945，對甲醛的檢測限為1.0 nmol/L。結果表明，該方法對水產品中甲醛具有良好的檢測靈敏度。

圖4 基于明膠銀納米復合材料的毛細管陣列檢測樣品中甲醛的標準曲線Fig.4 Calibration curve of the gelatin-silver nanocomposites-based colorimetric capillary arrays for HCHO solutions in samples spiked with different concentrations

3 結論

該文利用低溫速凍技術在合適的時間終止明膠還原銀反應，制備了包含銀納米顆粒與銀離子的明膠銀納米復合材料，進而將之修飾到氨基化的毛細管壁，制備成對甲醛敏感的功能化毛細管陣列。利用毛細現(xiàn)象自動吸取樣品，在堿性顯色反應環(huán)境中，該納米復合材料對甲醛具有特異性的識別能力，同時，包含的銀離子在銀納米顆粒催化下被甲醛還原生成的銀，并附著在銀納米顆粒表面導致其增長和變色，用以實現(xiàn)了對魚類水產品中甲醛的直接、快速的比色檢測。研究結果表明，該比色毛細管陣列利用明膠體系包裹銀納米顆粒與銀離子材料以及銀自催化的顯色反應途徑，具有對甲醛響應靈敏、快速、操作簡單、攜帶方便等優(yōu)點，可望在食品領域如水產品中甲醛的檢測中得到廣泛應用。

[1]Suzuki Y,Nakano N,Suzuki K.Portable sick house syndrome gas monitoring system based on novel colorimetric reagents for the highly selective and sensitive detection of formaldehyde[J].Environmental Science&Technology，2004,37:5695-5700.

[2]張曉鳳,項錦欣,付鈺潔.甲醛檢測方法研究進展[J].重慶理工大學學報自然科學版,2007,21:140-143.

[3]周德慶,馬敬軍,曾名勇.乙酰丙酮法測定水產品中甲醛含量結果不確定度研究[J].漁業(yè)科學進展,2003, 24:55-59.

[4]Gu Z Y,Wang G,Yan X P.MOF-5 Metal-Organic Framework as sorbent for in-field sampling and preconcentration in combination with thermal desorption GC/MS for determination of atmospheric formaldehyde[J].Anal. Chem.,2010,82(4):1365-1370.

[5]Gillett R W,Kreibich H,Ayers G P.Measurement of indoor formaldehyde concentrations with a passive sampler [J].Environmental Science&Technology,2000,34: 2051-2056.

[6]Dossi N,Susmel S,Toniolo R,et al.Application of microchip electrophoresis with electrochemical detection to environmental aldehyde monitoring[J].Electrophoresis, 2009,30:3465-3471.

[7]Ma Q,Ha E,Yang F,et al.Synchronous determination of mercury(II)and copper(II)based on quantum dots-multilayer film[J].Analytica Chimica Acta,2011,701:60-65.

[8]Chung F C,Wu R J,Cheng F C.Fabrication of a Au@SnO2core-shell structure for gaseous formaldehyde sensing at room temperature[J].Sensors&Actuators B Chemical,2014,190:1-7.

[9]牛鳳蘭,宋德鋒,陳林,等.環(huán)境中甲醛污染來源及檢測方法新進展[J].上海預防醫(yī)學,2009,21:453-455.

[10]張淑霞,王曉文,高亞輝,等.甲醛檢測方法研究進展[J].農業(yè)機械,2011,18:141-145.

[11]Zhang Q.Silver nanocubes formed on ATP-mediated nafion film and a visual method for formaldehyde[J]. Journal of Physical Chemistry B,2013,112:16990-16994.

[12]Feng L,Musto C J,Suslick K S.A simple and highly sensitive colorimetric detection method for gaseous formaldehyde[J].Journal of the American Chemical So-ciety,2010,132:4046.

[13]Zeng J B,Fan S G,Zhao C Y,et al.A colorimetric agarose gel for formaldehyde measurement based on nanotechnology involving Tollens reaction[J].Chemical Communications,2014,50:8121-8123.

[14]Jiang Y,Sun Z,Zhang L,et al.Encapsulating chromogenic reaction substrates with porous hydrogel scaffolds onto arrayed capillary tubes toward a visual and high-throughput colorimetric strategy for rapid occult blood tests[J].J Mater Chem B,2017,5:1159-1165.

[15]Recio I,Ramos M,López‐Fandi?o R.Capillary electrophoresis for the analysis of food proteins of animal origin[J].Electrophoresis,2015,22:1489-1502.

[16]Zhao Y Y,Gao X F,Li Y S,et al.Determination of pyruvic acid by using enzymic fluorescence capillary analysis [J].Talanta,2008,76:265-270.

[17]孫宗招,李帥,張寧,等.明膠納米銀的一鍋式合成及其高效催化性能的研究[J].化學傳感器,2014,34: 17-22.

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

國家自然科學基金（21675099）、國家科技部“星火計劃”（2015GA105005）和山東省西部經濟隆起帶基層科技人才計劃（XB2016CX014）資助

*通信聯(lián)系人,E-mail:huawangqfnu@126.com