基于功能化介孔二氧化硅納米顆粒的石英晶體微天平氣體傳感器快速檢測啤酒中的甲醛

宗潔，孫明玉，劉海泉,2,3*

1(上海海洋大學 食品學院，上海，201306) 2(上海水產品加工及貯藏工程技術研究中心，上海，201306) 3(農業部水產品貯藏保鮮質量安全風險評估實驗室(上海)，上海，201306)

風味物質的穩定性是衡量啤酒質量的重要指標之一，也是決定啤酒貨架期長短的綜合指標[1]。在貯藏過程中，啤酒品質會因發生物理變化和化學變化而逐漸降低，如發生渾濁、沉淀和褐變等[2]。甲醛具有提高風味物質穩定性，減少不良物質形成和澄清的作用[3]。目前，市場上許多啤酒廠商為了提高啤酒的風味穩定性，延長啤酒的保質期，多在糖化工序添加甲醛[4]。然而，甲醛是一種毒性較高的物質，已被世界衛生組織確認具有致癌和致畸的作用，是公認的變態反應源，同樣是潛在的強致突變物[5-6]。長期食用含有甲醛的食品可能會導致中毒反應，輕者出現頭暈、嘔吐、腹瀉等癥狀；重者昏迷、休克，甚至死亡[7-9]。

目前啤酒中甲醛的檢測方法有高效液相色譜法、氣相色譜法、分光光度法、熒光法等[10-16]，但這些方法存在檢測時間長、樣品前處理繁瑣、檢測靈敏度和選擇性低、成本高、適用范圍有限和不能滿足現場的實時監測等不足之處，因此尋找出一種成本低、適用范圍廣、快速實時監測啤酒中甲醛的方法對提高食品安全具有極其重要的意義。石英晶體微天平(quartz crystal microbalance, QCM)氣體傳感器是一種可以對微小質量變化進行檢測的傳感器，因具有靈敏度高、可重復利用、成本低廉、便于攜帶和易于操作等優點而被廣泛用于分析化學、環境監測、食品工業和臨床醫藥等領域[17-21]。QCM傳感器的核心元件是石英晶體，工作原理是利用涂覆在石英晶體上的特異性材料吸附或釋放目標氣體，根據測量石英晶體頻率的變化對待測樣品進行檢測[22]。由于介孔二氧化硅納米顆粒具有易于合成、孔徑可調、表面易修飾化、比表面積較高和孔體積大等優點[22-24]，近年來被廣泛用于吸附、分離、傳感、催化、環境保護和生物醫學等諸多領域[25-26]。為此，本研究以比表面積大的介孔二氧化硅納米顆粒為基底材料，利用甲醛分子中的羰基和氨基之間的親核加成反應原理[27]，對其氨基化修飾，制備出富含氨基基團的功能性納米復合材料，所得氨基功能化材料與原材料相比具有優異的檢測敏感性和特異性。此外，將氨基功能化材料構建的QCM傳感器用于啤酒中甲醛的快速檢測，致力于探索出一種基于QCM傳感器快速檢測食品中甲醛的方法。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

不同品牌的啤酒購買于上海市古棕路農工商超市，啤酒的原麥芽汁濃度和酒精度見表1。正硅酸乙酯、鹽酸、十六烷基三甲基溴化銨、無水乙醇、氨水，國藥集團化學試劑有限公司；鹽酸多巴胺，Sigma公司；甲醛標準品，上海安譜科學儀器；實驗所用試劑均為分析純，實驗用水為超純水。

表1 啤酒樣品的原麥汁濃度和酒精度Table 1 The original gravity and alcohol degree of beer samples

1.2 儀器與設備

FA1104-B電子天平，上海越平科學儀器有限公司；DHG-9055A鼓風干燥箱，上海一恒科技儀器有限公司；SX2-8-10N箱式電阻爐，合肥科晶材料技術有限公司；MYP11-2A恒溫磁力攪拌器，上海梅穎浦儀器儀表制造有限公司；KH250SPV臺式雙頻數控超聲波清洗器，昆山禾創超聲儀器有限公司；5810R高速冷凍離心機，艾本德中國有限公司；Nicolet iS5傅里葉紅外光譜儀，賽默飛世爾科技有限公司；53131A頻率計數器，安捷倫科技有限公司。

1.3 方法

1.3.1 材料的合成

介孔二氧化硅納米顆粒(mesoporous silica nanoparticles, MSNs)的制備方法參照文獻[28]。將0.2 g十六烷基三甲基溴化銨溶于140 mL去離子水中，用磁力攪拌器攪拌均勻。然后加入2.2 mL的正硅酸乙酯，攪拌5 min，再加入0.5 mL的氨水，在室溫下繼續攪拌5 h。用乙醇和去離子水反復清洗、離心、收集得到白色透明的凝膠狀物質，將產物在70～80 ℃下烘干，得到白色粉狀物質，然后于550 ℃下煅燒5 h得到介孔二氧化硅納米顆粒。

氨基功能化的介孔二氧化硅納米顆粒(amine-functionalized mesoporous silica nanoparticles, NH2-MSNs)制備如下[29]：首先，將多巴胺溶解于10 mmol/L Tris-HCl緩沖溶液中(pH=8.5)，形成質量濃度為0.1 g/L的緩沖溶液。其次，加入50 mg上述制備好的介孔二氧化硅納米顆粒，在超聲波清洗器中超聲5 min,室溫下避光攪拌24 h，后離心收集多巴胺負載的介孔二氧化硅納米顆粒，并用去離子水反復清洗未負載的多巴胺。最后，置于70 ℃的烘箱中干燥，得到氨基功能化的介孔二氧化硅納米顆粒。

1.3.2 傳感器的制備

(1)石英晶體的預處理：QCM氣體傳感器的基底為AT切型的10 MHz晶振片，在涂覆敏感材料之前，石英晶體要經過嚴格的清洗。首先將石英晶體浸泡在丙酮溶液中超聲15 min，然后用去離子水清洗干凈，再浸泡在無水乙醇溶液中超聲15 min，用去離子水清洗干凈，最后用氮氣風吹干石英晶體微天平表面。并放置于傳感器的檢測箱體內，記錄此時石英晶振微天平的頻率作為實驗的基準頻率。

(2)敏感膜的制備：將上述制備好的MSNs或NH2-MSNs分散于1 mL的去離子水中，配置成質量濃度為4 mg/mL的溶液，接著在超聲波清洗器中超聲15 min，得到前驅溶液。然后用移液器取3 μL的前驅液均勻滴涂到石英晶體銀電極表面，并置于在50 ℃的烘箱中烘干，最終在石英晶體的電極上形成一層敏感膜，即分別命名為MSNs或NH2-MSNs。最后放置于傳感器的檢測箱體中，測量此時石英晶體微天平的振動頻率，根據Sauerbrey公式估算出吸附氣體質量的變化。

(1)

式中：ΔF，石英晶體諧振頻率的變化量，Hz；Fo，石英晶體的基準頻率，Hz；ΔM，石英晶體表面質量的變化量，μg；A，吸附物質覆蓋面積，0.2 cm2；負號表示質量的增加引起石英晶體的頻率下降。

1.3.3 傳感器氣敏性能的測試

將制備好的QCM傳感器放置于測試腔內，測試腔溫度保持在25 ℃左右，濕度控制在45%左右。分別進行以下測試：

(1)甲醛氣體靈敏度和重復性測試：取低質量濃度到高質量濃度(0.5～50 mg/L)的甲醛氣體于測試腔內進行重復測試，以此記錄QCM傳感器的響應靈敏度及重復性。

(2)甲醛氣體的選擇性測試：為了確保制備傳感器的選擇性，在相同的條件下對易干擾氣體進行檢測，分別是二氧化碳、硫化氫、水、氨氣、乙醇、丙酮、甲醇、氫氣(質量濃度皆為2 mg/L)，判斷傳感器對甲醛氣體響應的選擇性。

(3)甲醛氣體的長期穩定性測試：為研究制備傳感器的使用壽命，測試了傳感器在30 d內對同一質量濃度甲醛氣體(2 mg/L)的響應。將傳感器放置于干燥的密閉容器中進行保存，每隔5 d檢測1次，每次重復3次，以此判斷傳感器的穩定性能。

1.3.4 啤酒中甲醛含量的測試

為評價本方法應用在實際樣品中檢測的可行性，取不同品牌的啤酒樣品20 mL置于帶蓋錐形瓶中，每個樣品分別加入0.5、1、3 mg/L的甲醛標準溶液。在50 ℃水浴、20 r/min的速度下磁力攪拌30 min進行頂空氣體收集，用一次性注射器抽取瓶中頂空氣體，快速注入氣體測試箱中，進行甲醛檢測，每次實驗重復3次。

2 結果與分析

2.1 材料的表征

采用掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope, SEM)和透射電子顯微鏡(transmission electron microscope, TEM)對MSNs的結構和形貌進行表征，如圖1所示。制備的MSNs顆粒形貌規則，為球形粒子，大小基本一致，平均大小100 nm，MSNs具有規則的孔道排列，孔道均勻。

圖1 MSNs的(a)SEM圖和(b)TEM圖Fig.1 SEM和TEM image of the as-prepared MSNs

圖2是樣品MSNs和NH2-MSNs的N2吸附-脫附曲線圖和孔徑分布圖。從圖2-a可以明顯看出，氨基修飾前后樣品的吸附-脫附等溫線的形狀具有介孔材料所特有的Ⅳ型等溫線，并且2種樣品的等溫線形狀基本一致，都具有明顯的滯后環，滯后環出現在相對壓力范圍p/p0=0.4～1.0，表明氨基修飾后的樣品與未修飾的樣品一樣保持著高度有序的介孔結構。但是氨基修飾后的樣品發生毛細孔凝聚的相對壓力小于未修飾的樣品，滯后環也明顯地提前出現。BET測試的MSNs和NH2-MSNs比表面積大小分別為896 cm2/g和652 cm2/g ，孔體積分別為1.698和0.588 cm3/g，對應的BJH孔徑分布曲線顯示的孔徑大小分別為3.5和3.3 nm，這些特點為氣體的傳輸提供有利的條件。

2.2 甲醛標準氣體的氣敏性能

圖3分別是以MSNs和NH2-MSNs為敏感材料制備的QCM傳感器對不同濃度甲醛氣體的測試響應圖。

圖2 MSNs和NH2-MSNs的氮氣吸附-脫附曲線(a)和孔徑分布圖(b)Fig.2 N2 adsorption-desorption isotherms and (B) the corresponding BJH pore size distribution plots of MSNs and NH2-MSNs

圖3 (a)基于MSNs和NH2-MSNs敏感材料的QCM傳感器對不同質量濃度甲醛的響應曲線；(b)響應靈敏度和甲醛質量濃度之間的線性關系Fig.3 (a)The response carves of MSNs and NH2-MSNs sensors to formaldehyde vapors with various concentrations from 0.5 to 50 mg/L; the inset shows the magnified response curves to 0.5 mg/L formaldehyde vapor. (b) Linear relation-ships between formaldehyde concentration and the correspond-ing sensing responses

結果表明,以NH2-MSNs為敏感材料制備的QCM傳感器對甲醛氣體的響應優于以MSNs為敏感材料制備的QCM傳感器。從低濃度到高濃度的甲醛測試過程中，響應頻率值隨著甲醛濃度的升高呈階梯狀升高。從高濃度到低濃度的重復測定時，相同濃度下前后頻率響應強度基本保持一致，說明傳感器有著良好的重復性。另外，在0.5 mg/L甲醛質量濃度下，以NH2-MSNs為敏感材料制備的QCM傳感器仍有35～40 Hz的響應，同時檢測的響應時間為7 s，恢復時間為12 s，說明以NH2-MSNs為敏感材料制備的QCM傳感器具有較高的靈敏度、較低的檢測限(0.5 mg/L)、快速的響應-恢復特性。

將兩種樣品制備的傳感器對不同質量濃度甲醛產生的響應頻率值與甲醛濃度進行線性擬合，如圖3-b所示，圖中每個點表示傳感器對應甲醛濃度下的最大頻率值。通過線性擬合，得到關系式分別為y1=16.78x1+91.2和y0=9.82x0+26.2，兩者的擬合相關系數R2=0.99，這說明制備的傳感器輸出的頻率響應值與甲醛濃度呈現良好的線性關系。

選擇性是傳感器在實際應用中的一個重要性能指標，圖4-a以NH2-MSNs為敏感材料制備的傳感器對甲醛、二氧化碳、硫化氫、水、氨氣、乙醇、丙酮、甲醇、氫氣的響應曲線圖，可以明顯地看出該傳感器對甲醛的響應頻率值最高，是其他氣體的2.5～11倍。由此可知，該傳感器在對甲醛氣體的檢測上具有優良的選擇性。為了評價傳感器的長期穩定性，檢測結果如圖4-b所示。從圖中可以看出在1個月內傳感器的響應基本穩定，無明顯變化，說明該傳感器在30 d內保持著很好的穩定性。

圖4 (a)基于NH2-MSNs敏感材料的QCM傳感器對2 mg/L不同氣體的響應；(b)基于NH2-MSNs敏感材料的QCM傳感器的長期穩定性Fig.4 (a)Selectivity of the NH2-MSNs based sensor to 2 mg/L of various gases. (b) Long-term stability of the NH2-MSNs sensor to 2 mg/L formaldehyde vapor

根據上述測試結果顯示，以NH2-MSNs為敏感材料制備的傳感器對甲醛氣體具有較好的靈敏度、較低的檢測限、良好的線性關系、選擇性和長期穩定性，說明制備的傳感器是可靠的，可將其應用于啤酒中甲醛的檢測。

2.3 啤酒中甲醛的檢測

利用制備的傳感器對不同啤酒樣品進行檢測，圖5是該傳感器檢測的典型響應曲線圖，對應的分析結果見表2，隨著添加甲醛濃度的增加，傳感器響應的靈敏度隨之增大，且呈良好的線性關系。由圖5可以看出，該傳感器對不同品牌啤酒的響應強度不同，說明啤酒中甲醛的含量各不相同。這與啤酒中麥汁的濃度有關，甲醛通過與麥汁中的多酚物質結合，降低麥汁的色度，促進蛋白質的絮凝沉淀，最終提高啤酒的非生物穩定性[4]。而檢測的4種不同品牌的啤酒麥汁濃度不同(見表1)，檢測的啤酒中甲醛含量各不相同，進而在傳感器上表現出不同的響應強度。此外，該傳感器有著較高的準確度和較短的檢測時間。從響應曲線上可以觀察對每個樣品的檢測時間可以在30 s內完成，說明所制備的傳感器檢測速度快、用時短、效率高，對啤酒中的甲醛具有很好的檢測效果。

表2 啤酒樣品中甲醛含量的測定(n=3)Table 2 Determination of formaldehyde in beers(n=3)

圖5 傳感器對樣品1(a)；樣品2(b)；樣品3(c)和樣品4(d)的氣敏響應圖Fig.5 Response profiles for formaldehyde in: (a) sample 1, (b) sample 2, (c) sample 3, and (d) sample 4

3 結論

(1)本研究制備了比表面積較大的介孔二氧化硅納米顆粒，并進行氨基基團的功能化修飾，將其作為QCM傳感器的敏感材料，構建一種快速檢測啤酒中甲醛的傳感器。該傳感器對甲醛氣體具有優異的選擇性和穩定性、較高的靈敏度、較低的檢測限(0.5 mg/L)、快速的響應恢復，響應時間為7 s，恢復時間為12 s。

(2)使用制備的傳感器對4種不同品牌的啤酒進行檢測。檢測結果顯示該傳感器的響應強度隨著添加甲醛含量的增加而隨之增大，且呈現良好的線性關系。由于該傳感器對不同品牌啤酒響應強度不同，檢測的甲醛含量各不相同，并且有著較高的準確度和較短的檢測時間，對每個樣品可以在30 s內完成檢測。本方法快速靈敏、操作簡便，檢測和分析效率高，適用于啤酒中甲醛的檢測。