比率荧光检测四环素用的响应薄膜及制备方法和检测系统与流程

1.本技术涉及食品安全检测技术领域，尤其涉及比率荧光检测四环素用的响应薄膜及制备方法和检测系统。


背景技术：

2.由于四环素(tc)因其抗菌广谱、毒性小、价格适中而被广泛应用于动物养殖业和治疗感染，但是tc的随意滥用会导致其从生态系统循环中积累进入人体，对人体健康产生极大的副作用，如过敏作用、胃肠道损伤和对抗生素的耐药性。而人体的tc直接来源包括食品或饮用水这两大类，目前tc的原位检测方法多种多样，主要包括高效液相色谱、电化学、光电化学和荧光法。与以往的方法相比，开发成本低、操作简单、传感灵敏的tc追踪方法仍然具有重要意义。
3.基于荧光分析方法检出限低、响应快、灵敏度高而受到广泛的欢迎，其中，具有自校正功能的比率荧光能避免来自背景的假信号干扰，提高检测的灵敏度和精度，被广泛用于检测领域，但是目前所报道的比率荧光检测方法中，由于缺乏四环素的响应薄膜，因此大多需要在实验室中使用荧光光谱仪进行检测，无法应用于四环素的的原位快速检测中，因此如何开发一种针对四环素的响应薄膜，以实现采用比率荧光原位快速检测四环素，是目前亟需解决的技术问题。


技术实现要素：

4.本技术提供了比率荧光检测四环素用的响应薄膜及制备方法和检测系统，以解决现有技术中比率荧光对四环素进行原位快速检测中响应薄膜匮乏的技术问题。
5.第一方面，本技术提供了一种比率荧光检测四环素用的响应薄膜，所述响应薄膜的原料包括碳源、氮源、硫源、稀土金属盐和聚合物，所述碳源、所述氮源、所述硫源、所述稀土金属盐和所述聚合物的质量之比为1:100～1:100～1:100～1:100。
6.可选的，所述碳源包括葡萄糖、蔗糖、果糖、乳糖、叶酸、甲醇和乙醇中的至少一种。
7.可选的，所述氮源包括乙二胺、三乙胺、谷氨酰胺、苏氨酸、天冬氨酸、谷氨酸、精氨酸、组氨酸、多巴胺、氨水和尿素中的至少一种。
8.可选的，所述硫源包括三聚硫氰酸、硫酸、半胱氨酸、巯基乙酸、巯基丙酸、巯基吡啶、巯基丁酸和巯基咪唑中的至少一种。
9.可选的，所述稀土金属盐包括硝酸铕、硫酸铕、乙酸铕、硝酸铽、硫酸铽、硝酸镧和硫酸镧中的至少一种。
10.可选的，所述聚合物包括聚赖氨酸、聚乙烯亚胺、聚乙烯醇、聚乙二醇、壳聚糖、聚乙烯吡咯烷酮和羧甲基纤维素中的至少一种。
11.第二方面，本技术还提供一种制备第一方面所述的响应薄膜的方法，所述方法包括：
12.混合所述碳源、所述氮源和所述硫源，并在第一预设条件下进行碳点生成反应，后
进行过滤和干燥，得到碳点粉体；
13.向溶剂中分别加入所述碳点粉体和所述稀土金属盐，并进行混合，后向混合后的混合液中加入聚合物，并在第二预设条件下进行水浴反应，得到薄膜溶液；
14.涂抹所述薄膜溶液于基体上，后进行烘干，得到响应薄膜。
15.可选的，所述第一预设条件包括第一反应温度和第一反应时间，所述第一反应温度为120℃～200℃，所述第一反应时间为4h～48h。
16.可选的，所述第二预设条件包括第二反应温度和第二反应时间，所述第二反应温度为50℃～100℃，所述第二反应时间为5h～24h。
17.第三方面，本技术还提供.一种检测系统，用于采用第一方面的响应薄膜完成对四环素的检测，所述系统包括：
18.第一方面所述的响应薄膜；
19.密封检测箱，所述响应薄膜设于所述密封检测箱内；
20.薄膜样支架，所述薄膜样支架设于所述密封检测箱内，以支撑所述响应薄膜；
21.光源，所述光源架设在所述密封检测箱的一面，所述光源的出口的延长线和所述响应薄膜相交；
22.手机支架，所述手机支架设于所述密封检测箱的一面，所述手机支架和所述密封检测箱的接触面设有拍照孔位，以实现手机对所述响应薄膜的实时拍照；
23.调节部，所述调节部包括旋转齿轮组和开关，所述旋转齿轮组设于所述薄膜样支架的底面，所述旋转齿轮组和所述薄膜样支架之间啮合，以实现所述薄膜样支架的空间转动，所述旋转齿轮组通过电信号连接所述开关。
24.本技术实施例提供的上述技术方案与现有技术相比具有如下优点：
25.本技术实施例提供的一种比率荧光检测四环素用的响应薄膜，通过在碳源中引入氮源和硫源，从而能够形成氮和硫共掺的碳量子点(n，s-cqds)，而生成的该碳量子点由于具备较强的稳定性和较高的荧光量子产率，因此可以有效的反应荧光检测结果，再利用稀有金属盐引入稀有金属离子，而稀有金属离子与生成的碳量子点能够耦合，并通过聚合物的固定作用，形成稀有金属离子和碳量子点的耦合系统，同时由于碳量子点在448nm紫外线处的发射峰通过内滤效应被猝灭，而稀有金属离子在较高波长的紫外线处的发射峰可通过天线效应被激活，并且稀有金属离子和碳量子点都是四环素的识别单元，因此通过耦合稀有金属离子和碳量子点能够产生两种不同的荧光响应，从而随着四环素浓度的增长，在紫外线下通过该耦合系统的不同荧光响应可以观察到四环素溶液会呈现由蓝色到红色的变化，进而利用该颜色变化可以实现四环素的原位快速检测。
附图说明
26.此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本技术的实施例，并与说明书一起用于解释本技术的原理。
27.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
28.图1为本技术实施例提供的方法的流程示意图；
29.图2为本技术实施例提供的检测系统的装置结构示意图；
30.其中，1-响应薄膜，2-密封检测箱，3-薄膜样支架，4-光源，5-手机支架，6-拍照孔位，7-调节部，71-旋转齿轮组，72-开关；
31.图3为本技术实施例1提供的响应薄膜的碳元素的xps特征图；
32.图4为本技术实施例1提供的响应薄膜的氧元素的xps特征图；
33.图5为本技术实施例1提供的响应薄膜的氮元素的xps特征图；
34.图6为本技术实施例1提供的响应薄膜的硫元素的xps特征图；
35.图7为本技术实施例2提供的响应薄膜对四环素选择性结果的直方图；
36.图8为本技术实施例2提供的响应薄膜对四环素选择性结果的示意图；
37.图9为本技术实施例3提供的响应薄膜对四环素响应的颜色变化示意图；
38.图10为本技术实施例3提供的响应薄膜对四环素响应的颜色变化数据和四环素浓度的相关性示意图。
具体实施方式
39.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
40.除非另有特别说明，本技术中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等，均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
41.本技术的创造性思维为：
42.由于比率荧光可引起颜色变化，更易于进行视觉检测，而颜色的变化有助于开发简单、适合现场检测的平台，可利用智能手机作为拍摄装置和分析仪，从而使设备的尺寸最小化，并简化了信息收集的过程，因此为了更好的实现四环素的原位检测，开发比率荧光检测四环素的响应薄膜十分关键。
43.如图1所示，本技术实施例提供一种比率荧光检测四环素用的响应薄膜，所述响应薄膜的原料包括碳源、氮源、硫源、稀土金属盐和聚合物，所述碳源、所述氮源、所述硫源、所述稀土金属盐和所述聚合物的质量之比为1:100～1:100～1:100～1:100。
44.本技术实施例中，控制碳源、氮源、硫源、稀土金属盐和聚合物的质量之比为1:100～1:100～1:100～1:100的积极效果是在该质量之比的范围内，能使得碳源、氮源和硫源所合成的碳量子点(n，s-cqds)的光学性质符合预期的要求，使得引入稀土金属盐和聚合物之后能够形成耦合系统，从而保证四环素在耦合系统中的能够随着浓度增大而产生不同的颜色变化，进而实现四环素的原位快速检测。
45.碳源是指纳米合成阶段的所有含c元素的物质，包括无机含c物(例如焦煤、煤炭)和有机物(例如葡萄糖、乙醇)。
46.氮源是指能提供n元素的物质，包括各类氨基酸、氨和胺盐之类常见的含n物质。
47.硫源是指能提供s元素的物质，包括含有s的巯基、硫酸基团和硫氰根离子。
48.稀土金属盐是指是元素周期表ⅲb族中钪、钇、镧系17种元素所形成的的盐的统称，由于其含有稀土金属离子，可以耦合由碳源、氮源和硫源之间所形成的碳量子点，形成
耦合系统。
49.聚合物是指能够形成薄膜的聚合物成分，包括各种烯基聚合物、烷基聚合物和环烷基聚合物。
50.在一些可选的实施方式中，所述碳源包括葡萄糖、蔗糖、果糖、乳糖、叶酸、甲醇和乙醇中的至少一种。
51.本技术实施例中，控制碳源的具体种类，从而保证碳源的来源广泛，使得薄膜的制备更加简便，同时保证碳源能够更加方便的形成碳量子点。
52.在一些可选的实施方式，所述氮源包括乙二胺、三乙胺、谷氨酰胺、苏氨酸、天冬氨酸、谷氨酸、精氨酸、组氨酸、多巴胺、氨水和尿素中的至少一种。
53.本技术实施例中，控制氮源的具体种类，从而保证氮源的来源广泛，使得薄膜的制备更加简便，同时保证氮源能够方便的掺杂进碳量子点中，保证后续碳量子点和稀土金属盐形成的耦合系统的功能正常。
54.在一些可选的实施方式，所述硫源包括三聚硫氰酸、硫酸、半胱氨酸、巯基乙酸、巯基丙酸、巯基吡啶、巯基丁酸和巯基咪唑中的至少一种。
55.本技术实施例中，控制硫源的具体种类，从而保证硫源的来源广泛，使得薄膜的制备更加简便，同时保证硫源能够方便的掺杂进碳量子点中，保证后续碳量子点和稀土金属盐形成的耦合系统的功能正常。
56.在一些可选的实施方式，所述稀土金属盐包括硝酸铕、硫酸铕、乙酸铕、硝酸铽、硫酸铽、硝酸镧和硫酸镧中的至少一种。
57.本技术实施例中，控制稀土金属盐的具体种类，从而保证稀土金属盐的来源广泛，使得薄膜的制备更加简便，同时能够保证稀土金属盐能快速同碳量子点形成耦合系统。
58.在一些可选的实施方式，所述聚合物包括聚赖氨酸、聚乙烯亚胺、聚乙烯醇、聚乙二醇、壳聚糖、聚乙烯吡咯烷酮和羧甲基纤维素中的至少一种。
59.本技术实施例中，控制聚合物的具体种类，能保证聚合物快速形成薄膜，从而保证对耦合系统的固定作用。
60.如图1所示，基于一个总的发明构思，本技术实施例还提供一种比率荧光检测四环素用的响应薄膜的制备方法，所述方法包括：
61.s1.混合所述碳源、所述氮源和所述硫源，并在第一预设条件下进行碳点生成反应，后进行过滤和干燥，得到碳点粉体；
62.s2.向溶剂中分别加入所述碳点粉体和所述稀土金属盐，并进行混合，后向混合后的混合液中加入聚合物，并在第二预设条件下进行水浴反应，得到薄膜溶液；
63.s3.涂抹所述薄膜溶液于基体上，后进行烘干，得到响应薄膜。
64.该制备方法是针对制备上述响应薄膜的方法，该制备方法的具体原理可参照上述实施例，由于该制备方法采用了上述实施例的部分或全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述
65.本技术实施中，先通过碳源、氮源和硫源之间先进行碳点生成反应，生成碳量子点，再通过水浴反应，使得碳量子点和稀有金属盐中的稀有金属离子之间形成耦合系统，从而能够构建出针对四环素的响应薄膜，进而保证四环素在耦合系统上的颜色变化符合预期。
66.在一些可选的实施方式中，所述第一预设条件包括第一反应温度和第一反应时间，所述第一反应温度为120℃～200℃，所述第一反应时间为4h～48h。
67.本技术实施例中，控制第一反应温度为120℃～200℃的积极效果是在该温度范围内，能保证碳源、氮源和硫源能够形成碳量子点(n，s-cqds)，方便后续和稀土金属盐中的稀土金属离子耦合形成耦合系统。
68.控制第一反应时间为4h～48h的积极效果是在该时间范围内，能保证碳源、氮源和硫源能够形成碳量子点，从而方便后续的耦合系统的形成。
69.在一些可选的实施方式中，所述第二预设条件包括第二反应温度和第二反应时间，所述第二反应温度为50℃～100℃，所述第二反应时间为5h～24h。
70.本技术实施例中，控制第二反应温度为50℃～100℃的积极效果是在该温度范围内，能保证碳量子点和稀土金属盐中的稀土金属离子进行反应形成耦合系统，同时还能保证聚合物将形成的耦合系统固定，方便后续响应薄膜的生成。
71.控制第二反应的时间为5h～24h的积极效果是在该时间范围内，能保证碳量子点和稀土金属盐中的稀土金属离子进行充分的反应并形成耦合系统，同时还能保证聚合物将形成的耦合系统固定。
72.如图1所示，基于一个总的发明构思，本技术实施例还提供一种检测系统，用于采用所述响应薄膜完成对四环素的检测，所述系统包括：
73.所述响应薄膜1；
74.密封检测箱2，所述响应薄膜1设于所述密封检测箱2内；
75.薄膜样支架3，所述薄膜样支架3设于所述密封检测箱2内，以支撑所述响应薄膜1；
76.光源4，所述光源4架设在所述密封检测箱2的一面，所述光源4的出口的延长线和所述响应薄膜1相交，所述光源4的射出口和所述密封检测箱2的内壁之间的角度为20
°
～60
°
；
77.手机支架5，所述手机支架5设于所述密封检测箱2的一面，所述手机支架5和所述密封检测箱2的接触面设有拍照孔位6，以实现手机对所述响应薄膜1的实时拍照；
78.调节部7，所述调节部7包括旋转齿轮组71和开关72，所述旋转齿轮组71设于所述薄膜样支架3的底面，所述旋转齿轮组71和所述薄膜样支架3之间啮合，以实现所述薄膜样支架3的空间转动，所述旋转齿轮组71通过电信号连接所述开关72。
79.该检测系统是基于上述响应薄膜1来实现，该检测系统的具体检测原理可参照上述实施例，由于该检测系统采用了上述实施例的部分或全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。
80.本技术实施例中，通过开关72调整旋转齿轮组71工作，使得薄膜样支架3在旋转齿轮组71的带动下运动，使得薄膜样支架3上的薄膜能够对准手机支架5和密封检测箱2之间的拍照孔位6，再通过开启光源4，使得特定角度的光源4能够照射在滴加了待测样品的响应薄膜1表面，当不同四环素浓度的待测样品在薄膜上时，薄膜会产生连续变化，通过手机直接收集这些颜色变化的显色图片，再针对显色图片进行颜色识别，得到显色图片的rgb数据，最后通过这些数据可以构建出四环素的标准检测方法。
81.为了更好的保证检测效果，该检测系统的样品放置入口设于密封检测箱2的顶部，并正对薄膜样支架3设置。
82.下面结合具体的实施例，进一步阐述本技术。应理解，这些实施例仅用于说明本技术而不用于限制本技术的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照国家标准测定。若没有相应的国家标准，则按照通用的国际标准、常规条件、或按照制造厂商所建议的条件进行。
83.实施例1
84.以0.2g果糖为碳源、0.4g苏氨酸为氮源、0.8g三聚硫氰酸为硫源，将三者溶于20ml的纯净水中，并在120℃的条件下在反应釜中进行碳点生成反应8h，反应后的上清液用220nm的微孔膜过滤，得到碳点溶液，再经过冷冻干燥10h后得到对应的碳点粉体。
85.将0.1g合成的碳点和0.3g的硝酸铕溶于溶剂中，再加入聚赖氨酸，在80℃条件下水浴反应8h，随后将生成的产物进行涂抹和烘干，得到响应薄膜。
86.对应的检测系统，包括：规格为230mm
×
140mm
×
146mm的密封检测箱，光源、样品放置入口、薄膜样支架、拍照孔位、手机支架、转动齿轮组和开关，其中，光源和密封检测箱内壁的夹角为40
°
，光源和拍照孔位的距离为80mm，光源和薄膜样之间的距离为70mm。
87.将待测的不同浓度四环素样品滴加在响应薄膜上，同时将响应薄膜置于薄膜样支架，用手机拍照，得到显色图片，对显色图片进行颜色识别，得到显色图片的rgb数据，根据rgb数据和标准浓度四环素样品的rgb数据进行比对，得到待测的四环素样品的浓度。
88.实施例2
89.将实施例1和实施例2进行对比，实施例1和实施例2的区别在于：
90.以0.3g葡糖糖为碳源、0.7g乙二胺为氮源、1.8g半胱氨酸为硫源，将三者溶于20ml的纯净水中，并在150℃的条件下在反应釜中进行碳点生成反应8h，反应后的上清液用220nm的微孔膜过滤，得到碳点溶液，再经过冷冻干燥8h后得到对应的碳点粉体。
91.将0.2g合成的碳点和0.3g的硫酸铽溶于溶剂中，再加入聚乙二醇，在70℃条件下水浴反应10h，随后将生成的产物进行涂抹和烘干，得到响应薄膜。
92.光源和密封检测箱内壁的夹角为45
°
，光源和拍照孔位的距离为100mm，光源和薄膜样之间的距离为80mm。
93.实施例3
94.将实施例1和实施例3进行对比，实施例1和实施例3的区别在于：
95.以0.1g叶酸为碳源、1.0g天冬氨酸为氮源、0.4g半胱氨为硫源，将三者溶于20ml的纯净水中，并在180℃的条件下在反应釜中进行碳点生成反应12h，反应后的上清液用220nm的微孔膜过滤，得到碳点溶液，再经过冷冻干燥8h后得到对应的碳点粉体。
96.将0.2g合成的碳点和0.3g的硫酸镧溶于溶剂中，再加入壳聚糖，在70℃条件下水浴反应10h，随后将生成的产物进行涂抹和烘干，得到响应薄膜。
97.光源和密封检测箱内壁的夹角为50
°
，光源和拍照孔位的距离为120mm，光源和薄膜样之间之间的距离为120mm。
98.实施例4
99.将实施例1和实施例4进行对比，实施例1和实施例4的区别在于：
100.在190℃的条件下在反应釜中进行碳点生成反应6h；
101.在90℃条件下水浴反应5h。
102.对比例1
103.将对比例1和实施例1进行对比，对比例1和实施例1的区别在于：
104.不采用硫源。
105.对比例2
106.将对比例2和实施例1进行对比，对比例2和实施例1的区别在于：
107.不采用氮源。
108.对比例3
109.将对比例3和实施例1进行对比，对比例3和实施例1的区别在于：
110.不采用聚合物。
111.相关实验及效果数据：
112.检测实施例1所得的响应薄膜的xps特征，其中，碳元素的xps特征如图3所示，氮元素的xps特征如图4所示，氧元素的xps特征如图5所示，硫元素的xps特征如图6所示。
113.检测实施例2所得的响应薄膜对四环素的选择性，结果如图7和图8所示。
114.检测实施例3所得的响应薄膜对四环素的响应程度，结果如图9和图10所示。
115.由图3至图9所示的数据可知，本技术制备得到响应薄膜，通过在碳源中引入氮源和硫源，从而能够形成氮和硫共掺的碳量子点(n，s-cqds)，再利用稀有金属盐引入稀有金属离子，而稀有金属离子与生成的碳量子点能够耦合，并通过聚合物的固定作用，形成稀有金属离子和碳量子点的耦合系统，能够产生两种不同的荧光响应，从而随着四环素浓度的增长，在紫外线下通过该耦合系统可以观察到四环素溶液会呈现由蓝色到红色的变化，进而利用该颜色变化可以实现四环素的原位快速检测。
116.本技术实施例中的一个或多个技术方案，至少还具有如下技术效果或优点：
117.(1)本技术实施例提供的响应薄膜，通过在碳源中引入氮源和硫源，从而能够形成氮和硫共掺的碳量子点(n，s-cqds)，再利用稀有金属盐引入稀有金属离子，而稀有金属离子与生成的碳量子点能够耦合，并通过聚合物的固定作用，形成稀有金属离子和碳量子点的耦合系统，能够产生两种不同的荧光响应，从而随着四环素浓度的增长，在紫外线下通过该耦合系统可以观察到四环素溶液会呈现由蓝色到红色的变化，进而利用该颜色变化可以实现四环素的原位快速检测。
118.(2)本技术实施例提供的制备方法，通过在碳源内引入氮源、硫源和稀土金属盐，并且再引入聚合物，仅仅通过碳点生成反应和水浴反应的方式，操作简便，制备量大，适合工业化生产。
119.(3)本技术实施例提供的检测系统，仅需将待测的四环素样品滴加到响应薄膜上，再通过手机拍照记录图片，再通过手机的颜色分析软件(例如：颜色识别器，取色器，色采)，可直接分析出rgb数据，简化了信息收集的过程，并且使得检测设备的尺寸最小化。
120.本技术的各种实施例可以以一个范围的形式存在；应当理解，以一范围形式的描述仅仅是因为方便及简洁，不应理解为对本技术范围的硬性限制；因此，应当认为所述的范围描述已经具体公开所有可能的子范围以及该范围内的单一数值。例如，应当认为从1到6的范围描述已经具体公开子范围，例如从1到3，从1到4，从1到5，从2到4，从2到6，从3到6等，以及所述范围内的单一数字，例如1、2、3、4、5及6，此不管范围为何皆适用。另外，每当在本文中指出数值范围，是指包括所指范围内的任何引用的数字(分数或整数)。
121.在本技术中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上”和“下”具体为附图
中的图面方向。另外，在本技术说明书的描述中，术语“包括”“包含”等是指“包括但不限于”。在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。在本文中，“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b的情况。其中a，b可以是单数或者复数。在本文中，“至少一个”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“至少一种”、“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指的这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，“a,b,或c中的至少一项(个)”，或，“a,b,和c中的至少一项(个)”，均可以表示：a,b,c,a-b(即a和b),a-c,b-c,或a-b-c，其中a,b,c分别可以是单个，也可以是多个。
122.以上所述仅是本技术的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本技术。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本技术的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本技术将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。