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基于比色传感阵列的农残检测系统设计研究

基于比色传感阵列的农残检测系统设计研究

作者：宋振国重庆大学

学位级别：硕士

我国是世界上农药使用量最大的国家,由农药残留引起的环境污染问题和食品安全问题日益突出,严重威胁国民健康。现有的农药残留检测方法中,仪器分析法因需要大型分析设备、检测过程繁琐复杂等原因而不适用于现场检测,快速筛选检测法虽可... 详细信息

我国是世界上农药使用量最大的国家,由农药残留引起的环境污染问题和食品安全问题日益突出,严重威胁国民健康。现有的农药残留检测方法中,仪器分析法因需要大型分析设备、检测过程繁琐复杂等原因而不适用于现场检测,快速筛选检测法虽可用于现场检测,但准确度不够。近年来出现的比色传感阵列有望为农残检测提供一种新的检测方法。本文在课题组前期使用比色传感阵列对农药残留进行检测的探索研究基础上,利用比色传感阵列上各敏感点可与不同的待测样品发生不同程度的交叉响应而产生不同颜色变化的原理,研究设计了一套新型的农药残留检测系统,并建立了基于该系统的实验方法体系,为研究开发基于比色传感阵列的新型农药残留检测方法提供了基础。本文的具体研究内容主要包括以下几个方面:(1)分析总结前期使用比色传感阵列所进行的农药残留检测研究,发现其检测流程存在全程手工操作、加样方法粗糙、对检测条件缺乏监测及控制、易引入干扰图谱等不足之处。本文在分析原有检测流程的基础上,建立了一套便于实现自动化的规范检测流程。(2)根据所提出的检测流程对系统的总体结构和功能进行了相应的设计,该系统在整体上可分为上位机和下位机两部分。上位机为计算机,负责向下位机发送控制指令,接收检测温度信息,以及完成对比色传感阵列的图像采集;下位机为PIC微控制器,负责接收指令以辅助上位机完成对检测温度和检测流程的控制,实现自动化检测。下位机部分根据模块化设计思想,完成了对步进电机运动控制、温度监测及控制、串口通信、背景光源和超声雾化器控制等功能模块的设计,并制作了PCB板。(3)根据系统的功能需求,分别在VS2008和MAPLAB开发环境下,完成了对上、下位机程序的编写。上位机程序的功能包括图像采集、串口通信和提供交互界面;下位机程序包括各功能模块控制程序和主控程序,实现了步进电机的运动定位控制、检测温度的监测及控制、串口通信等功能。(4)对系统先后进行了模块级测试和整体测试,证实系统可实现各预设的功能。使用所设计的系统对配制的3种农药溶液进行检测试验,结果表明系统对不同农药溶液的检测区分效果良好。

关键词：农残检测比色传感阵列微控制器自动控制

基于金属纳米酶比色传感阵列检测食品含硫化合物和抗氧化剂的研究

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基于金属纳米酶比色传感阵列检测食品含硫化合物和抗氧化剂的研究

作者：武凤玲吉林大学

学位级别：硕士

天然酶因特异性强和催化性高等优势,被广泛应用于食品、环境、医疗等领域,但天然酶易失活,成本高等固有局限阻碍了其更广泛的应用。纳米酶打破了天然酶的局限性,极大拓展了酶在各领域的应用。其中,金属纳米酶由于具有优异金属特性,类似... 详细信息

天然酶因特异性强和催化性高等优势,被广泛应用于食品、环境、医疗等领域,但天然酶易失活,成本高等固有局限阻碍了其更广泛的应用。纳米酶打破了天然酶的局限性,极大拓展了酶在各领域的应用。其中,金属纳米酶由于具有优异金属特性,类似天然酶的活性位点,可灵活调节的结构,在纳米酶中脱颖而出。基于纳米酶的比色传感阵列因其操作简便、成本低廉和方便携带等优势在食品质量评价领域也受到了广泛的关注。含硫化合物和抗氧化剂分别作为食品中常见的有害物质和营养物质,与食品质量息息相关。因此,本文合成了两种金属纳米酶,分别是具有类氧化物酶活性的氮掺杂单原子钴纳米酶和具有类过氧化物酶活性的金铂双金属纳米酶,并基于这两种纳米酶开发了三通道比色传感阵列用于食品中含硫化合物和抗氧化剂的区分和定量检测,并结合密度泛函理论(DFT)计算对两种纳米酶的催化机理进行深入研究。最后,基于智能手机和凝胶片分别实现对含硫化合物和抗氧化剂的可视化检测。(1)基于氮掺杂的单原子钴纳米酶构建比色传感阵列用于含硫化合物的检测使用一锅热合成法,将金属Co嵌入N掺杂的石墨烯中,合成了具有氧化酶活性(OXD)的单原子Co纳米酶(CoN-G)。通过DFT计算,对CoN-G的高酶活性进行深入研究和详细解释。在CoN-G的催化作用下,底物氧化的程度受到p H和含硫化合物的显著影响,基于此构建了三通道比色传感阵列,用于同时检测NaS、NaSO、NaSO和NaSO。基于CoN-G纳米酶的三通道比色传感器阵列成功区分浓度为10、20、40、60、80和100μmol/L的四种含硫化合物,不同浓度的含硫化合物以及多元含硫化合物的混合体系。在p H=3.0的HAc-Na Ac缓冲液中,对四种含硫化合物的检测范围为1.6-320μmol/L,检测限为0.0778-0.218μmol/L。此外,该比色传感阵列具有良好的抗干扰能力,能够成功识别矿泉水,红酒,牛奶以及蛋清中的含硫化合物。最后,基于智能手机实现了含硫化合物的可视化检测。(2)基于金铂双金属纳米酶构建比色传感阵列用于抗氧化剂的检测采用典型的共还原法合成了具有过氧化物酶(OPD)活性的双金属AuPt纳米酶。DFT计算的结果表明,由于独特的双金属掺杂结构,AuPt纳米酶具有比单金属纳米酶更加优异的OPD活性。基于比色传感阵列成功实现了对五种抗氧化剂(维生素C(Vc)、谷胱甘肽(GSH)、半胱氨酸(CYS)、没食子酸(GA)和咖啡酸(CA))的区分和定量分析。不仅成功识别4μmol/L和16μmol/L的五种抗氧化剂,还成功识别了不同浓度的抗氧化剂及多元抗氧化剂的混合体系。在最优条件下,对Vc、GSH、CYS、GA和CA检测限分别0.124、0.1581、0.1163、0.259和0.1885μmol/L。该比色传感阵列具有良好的抗干扰能力,能够成功区分含有Vc的三种食品样品(牛奶、绿茶和橙子),还能够成功区分新鲜橙汁和暴露在空气中60 min后的橙汁。最后,我们将AuPt纳米酶固载到琼脂糖凝胶片中,通过与自制的标准比色卡的对比,成功实现了对样品的可视化检测。

关键词：比色传感阵列金属纳米酶含硫化合物抗氧化剂可视化检测

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比色传感阵列在检测爆炸物中的应用

山东化工 2021年第16期50卷 173-174,176页

作者：刘春庆李宏达王岩中国刑事警察学院法化学系辽宁沈阳110035

爆炸物杀伤力大、隐蔽性强,被广泛应用于生活的各方面,也是恐怖分子施暴方式的首选。基于保护人民生命和财产安全的迫切需求,爆炸物检测技术受到世界各国公共安全领域科学家的高度重视。相比于其它分析方法,比色传感阵列因操作简便、结... 详细信息

爆炸物杀伤力大、隐蔽性强,被广泛应用于生活的各方面,也是恐怖分子施暴方式的首选。基于保护人民生命和财产安全的迫切需求,爆炸物检测技术受到世界各国公共安全领域科学家的高度重视。相比于其它分析方法,比色传感阵列因操作简便、结构简单、不依赖大型分析设备等优势,成为适用于爆炸物现场快速检测的方法之一。本文主要综述了比色传感阵列的原理及种类、爆炸物种类及比色传感阵列在爆炸物探测领域的研究进展,并展望了比色传感阵列在公共安全领域中的发展趋势。

关键词：比色传感阵列爆炸物快速检测公共安全分析

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比色传感阵列在气味表征中的应用

汽车工艺与材料 2024年第5期 68-72页

作者：洪丽许明春姚其海李丽凤朱振宇张良安徽江淮汽车集团股份有限公司合肥230000 中汽数据有限公司天津300000

汽车内饰材料种类繁多、成分复杂,单车型气味物质多达上百种,极易造成车内异味污染,为提高车内空气质量,参考国内外现有的比色技术应用研究,提出了基于比色传感阵列技术的车内气味检测方法,并对整车中应用较多的内饰材料进行比色分析,... 详细信息

汽车内饰材料种类繁多、成分复杂,单车型气味物质多达上百种,极易造成车内异味污染,为提高车内空气质量,参考国内外现有的比色技术应用研究,提出了基于比色传感阵列技术的车内气味检测方法,并对整车中应用较多的内饰材料进行比色分析,准确识别了内饰材料样品的气味强度、气味类型和气味愉悦度。首次将比色传感阵列应用于车内气味客观表征中,可为汽车气味管控提供数据支持。

关键词：比色传感阵列车内空气质量气味表征

基于银纳米三角片蚀刻机制区分不同产地浓香型白酒

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食品工业科技 2024年第10期45卷 254-262页

作者：贾俊杰张宿义许涛马龙黄张君王松涛佘远斌泸州品创科技有限公司/国家固态酿造工程技术研究中心四川泸州646000 泸州老窖股份有限公司四川泸州646000 浙江工业大学化学工程学院浙江杭州310014

区分不同产地白酒对于产品质量控制和原产地保护具有重要意义。本研究以四种不同形貌大小的银纳米三角片(Ag nanoprism,AgNPRs)作为传感材料,两种金属离子和一种氧化阴离子作为氧化蚀刻剂,基于AgNPRs蚀刻机制构建了一种4×3传感阵列,将... 详细信息

区分不同产地白酒对于产品质量控制和原产地保护具有重要意义。本研究以四种不同形貌大小的银纳米三角片(Ag nanoprism,AgNPRs)作为传感材料,两种金属离子和一种氧化阴离子作为氧化蚀刻剂,基于AgNPRs蚀刻机制构建了一种4×3传感阵列,将该阵列对四川、江淮和北方三大产地共41款代表性浓香型白酒样品进行比色响应,所获得的比色信号值通过线性判别分析(linear discriminant analysis,LDA)进行判别分析,并进一步选取了部分未知样品对判别模型进行了外部验证。比色响应机制研究结果表明,白酒样品对AgNPRs的蚀刻效应起促进作用,这可能与白酒中含有不同的有机酸有关。对不同产地样品的区分结果显示,单一阵列对不同产地样品的区分效果相对较低,三种阵列组合后的区分效果明显提高,对41个样品的产地判别率可达99%,对15个未知浓香型酒样的产地判别率可达98%。采用组合阵列对四川产地5种品牌21个样品和江淮产地3种品牌13个样品判别率分别可达99%和100%,采用单一阵列对四川各厂家不同等级产品的判别率均可达100%。本研究采用的纳米比色传感方法简便快速,不仅可用于产品鉴别和防伪,也可辅助用于生产过程质量监控,为白酒质量智能化监控奠定研究基础。

关键词：浓香型白酒银纳米三角片蚀刻机制比色传感阵列模式识别

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嗅觉可视化技术在食品品质分析中的应用

分析化学 2022年第12期50卷 1796-1803页

作者：李水梅李洪艳余静徐清宇郭珍玲陈铭学胡贤巧中国水稻研究所

嗅觉可视化技术是通过模仿哺乳动物嗅觉系统而建立的一种新型传感技术，包括比色传感阵列、反应室及图像采集和数据处理等系统，通过多个传感单元的气敏比色染料与待测物的挥发性气体反应，从而实现对多种化学物质的检测和区分，具备较... 详细信息

嗅觉可视化技术是通过模仿哺乳动物嗅觉系统而建立的一种新型传感技术，包括比色传感阵列、反应室及图像采集和数据处理等系统，通过多个传感单元的气敏比色染料与待测物的挥发性气体反应，从而实现对多种化学物质的检测和区分，具备较高的灵敏度，可准确识别和区分真实的复杂样品，在食品品质分析中表现出较大的应用潜力。本文对嗅觉可视化技术在食品品质分析中的应用进展进行了总结和评述，讨论了该技术目前存在的问题，对其在食品品质分析中的应用前景进行了展望。

关键词：嗅觉可视化比色传感阵列食品品质评述

石墨相氮化碳基纳米酶的制备及其多维传感应用

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石墨相氮化碳基纳米酶的制备及其多维传感应用

作者：杜蕃重庆大学

学位级别：硕士

与天然酶相比,纳米酶因具有低成本的制备和纯化过程、易于调控的酶活性以及更高的催化稳定性等优点,受到国内外科研工作者的广泛关注。石墨相氮化碳基纳米酶作为天然酶的优秀替代品之一,由于其优异的物理化学性能、可调谐的催化活性和... 详细信息

与天然酶相比,纳米酶因具有低成本的制备和纯化过程、易于调控的酶活性以及更高的催化稳定性等优点,受到国内外科研工作者的广泛关注。石墨相氮化碳基纳米酶作为天然酶的优秀替代品之一,由于其优异的物理化学性能、可调谐的催化活性和良好生物相容性,在电化学、光催化和生物医学领域成为研究探索的一个热点。然而,热聚合的块状石墨相氮化碳(g-CN)催化活性仍然受限于较大的粒径、较高的载流子复合效率和有限的可见光吸收能力,因此提高氮化碳基纳米酶活性是迫切需要解决的问题。为此我们通过对氮化碳(CN)进行功能化(如金属掺杂或形成金属复合物)来提高纳米酶的活性,并将其应用于识别抗氧化剂和酚类污染物。本论文主要研究内容如下:1.我们通过KCl熔融盐模板辅助和表面改性策略构建了四种金属(Mn,Co,Ce和Eu)修饰的CN纳米酶(Mn-CN,Co-CN,Ce-CN和Eu-CN)。这种方法不仅使用氯化钾作为生长模板来调节CN纳米结构,还通过金属掺杂或形成金属复合物来调节其电子传输的能力。同时对金属修饰的氮化碳(M-CN)形貌、结构、光电性能进行了表征,结果表明,对于Mn-CN和Ce-CN,在CN中成功引入了金属氧化物,分别形成了CN/Mn O和CN/Ce O异质结。对于Co-CN和Eu-CN,Co原子和Eu原子分别配位到CN的共轭骨架中。这四种修饰的CN材料均表现出可见光吸收增强、光生载流子分离效率高的特点,从而提高了光催化活性。该方法提供了一种通过同时结合结构调控和电子调制的策略来修饰纳米材料。2.通过开发Mn-CN,Ce-CN和Eu-CN光诱导氧化物模拟酶的特性,构建了一种比色传感阵列用于抗氧化剂的识别。与g-CN相比,M-CN材料光催化活性提高了5倍以上。动力学分析结果表明,这三种光诱导氧化酶具有较低的Michaelis-Menten常数(K)和较高的最大反应速率(V),显示出对底物更高的亲和力。因此,我们构建出基于这三种光诱导氧化酶的三通道比色传感阵列,用于区分多巴胺(DA)、尿酸(UA)、谷胱甘肽(GSH)、L-半胱氨酸(Cys)、单宁酸(TCA)、抗坏血酸(AA)和褪黑激素(MT)这七种生物抗氧化剂。根据不同抗氧化剂的基团和还原能力不同,以及抗氧化剂与催化剂之间亲和力的不同,能够产生独特的交叉反应响应模式,从而实现对1μM和3μM七种抗氧化剂100%准确识别,进一步研究了不同比例抗氧化剂的识别以及人体血清样品中抗氧化剂的准确鉴定,验证了其实用性。Mn-CN,Ce-CN和Eu-CN三通道比色传感阵列成功实现了对抗氧化剂的定性和定量分析,该研究为构建纳米酶比色传感阵列提供了新的途径。3.另一方面,我们研究了Co-CN的模拟漆酶活性,成功实现了酚类污染物的识别。由于昂贵、繁琐的合成路线严重限制了漆酶模拟物的广泛应用,因此,研究漆酶纳米酶具有重要的意义。研究发现所制备的Co-CN表现出优异的漆酶模拟酶活性,与天然漆酶相比,Co-CN纳米酶具有较低的K,表现出对底物更高的亲和力,并且在能使天然酶变性的极端p H、较高温度和高盐度条件下仍具有稳定性。基于Co-CN的光学行为(即荧光和光氧化纳米酶显色)开发了双通道光学传感阵列,实现了对包含苯酚(Phe)、2,4-二氯苯酚(2,4-DP)、对氯苯酚(4-CP)、双酚A(BPA)、邻硝基苯酚(O-np)、邻苯二酚(CC)、间苯二酚(RC)和对苯二酚(HQ)在内的8种酚类化合物的准确识别。此外,还通过准确识别二元和三元酚类混合物进一步验证了性能。所构建的双信号比色传感阵列对于真实水样(自来水、湖水和河水)中酚类污染物的检测同样适用。该研究不仅为酚类污染物识别提供了有效的方法,而且为探索多样化的金属中心来模拟漆酶开拓了新的思路。

关键词：氮化碳光诱导氧化物模拟酶比色传感阵列抗氧化剂识别漆酶模拟酶

基于D型氨基酸代谢差异的食源性致病菌多元区分

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基于D型氨基酸代谢差异的食源性致病菌多元区分

作者：历苗苗天津科技大学

学位级别：硕士

细菌无处不在,涉及人类生活的方方面面,与人类健康密切相关。其中,致病菌污染是造成食品安全问题的主要因素,全球每年由此导致的食源性疾病病例高达数百万起。特别地,近年来由于抗生素的大规模使用甚至滥用,导致大量耐药菌出现,其危害... 详细信息

细菌无处不在,涉及人类生活的方方面面,与人类健康密切相关。其中,致病菌污染是造成食品安全问题的主要因素,全球每年由此导致的食源性疾病病例高达数百万起。特别地,近年来由于抗生素的大规模使用甚至滥用,导致大量耐药菌出现,其危害愈发严重,对食品安全领域提出了更大的挑战。基于此,实现食源性致病菌快速、准确的判别和药敏检测对及时明确感染病原菌并遏制细菌耐药的发生发展至关重要。本论文利用“一锅法”制备了D-氨基酸(D-丙氨酸(D-Ala),D-2,3-二氨基丙酸(D-Dap),D-谷氨酸(D-Glu))功能化的纳米金(Au NPs)探针(Au/D-Ala,Au/D-Dap,Au/D-Glu),由此构建了一种比色传感器阵列以用于食源性致病菌的判别、定量分析和药敏检测。D-氨基酸(D-AA)是细菌细胞壁肽聚糖的组成部分,外源性的D-AA可被细菌代谢利用。因此,在细菌存在的情况下,Au/D-AA探针表面的D-氨基酸会被细菌代谢利用至细胞壁,从而使Au NPs失去保护发生聚集,引发探针紫外吸收峰的红移。由于不同的细菌对不同的D-AA展现出不同的代谢能力,导致Au NPs的聚集行为存在差异,由此产生独特的细菌指纹响应模式,通过对数据矩阵进行线性判别分析(LDA),最终实现了8种细菌的区分,包括金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、鼠伤寒沙门氏菌、单核细胞增生李斯特氏菌、阪崎肠杆菌、耐甲氧西林金黄色葡萄球菌、耐卡那霉素大肠杆菌和大肠杆菌DH5α。此外,所构建的传感阵列可实现大肠杆菌和金黄色葡萄球菌在10-10 CFU/m L浓度范围的检测,以及细菌混合物的区分,包括普通致病菌混合样品、致病菌与耐药致病菌混合样品及致病菌与非致病菌混合样品的区分。不仅如此,该传感阵列也能够在复杂体系中,如牛奶和自来水中实现对8种细菌的区分,并且对其中添加不同种细菌的盲样可实现100%识别。同时,基于细菌对D-AA的代谢特性,通过监测细菌在有无抗生素存在时对Au/D-AA探针分散状态的影响,可间接读出抗生素对细菌代谢D-AA活性的影响。基于此原理,本论文开发了一种快速的药敏试验方法,实现了金黄色葡萄球菌和耐甲氧西林金黄色葡萄球菌对环丙沙星、四环素、氨苄青霉素和万古霉素的敏感性判断。

关键词：食源性致病菌比色传感阵列线性判别分析 D-氨基酸药敏检测