一种富含酚羟基碳点直接定量检测牛奶中葡萄糖的方法

摘要

本发明公开了一种富含酚羟基碳点直接定量检测牛奶中葡萄糖的方法，属于分析检测领域。本发明所述的方法，包括如下步骤：(1)根据葡萄糖浓度和含有葡萄糖的牛奶溶液中碳点淬灭程度构建标准曲线；(2)将富含酚羟基的碳点配置为碳点溶液；之后在待测牛奶样品中加入碳点溶液，混合均匀进行反应，得到反应液；将反应液进行荧光光谱检测，得到碳点的淬灭程度；其中，富含酚羟基的碳点是以间苯三酚为碳源，乙醇为溶剂，浓盐酸为催化剂，利用水热法制备得到；(3)根据步骤(1)的标准曲线，得到待测牛奶样品中葡萄糖的浓度。本发明首次利用以间苯三酚为前驱体合成的碳点实现直接对牛奶中的葡萄糖进行定量检测，且操作简单、快速、安全。

说明书

技术领域

本发明涉及一种富含酚羟基碳点直接定量检测牛奶中葡萄糖的方法，属于分析检测领域。

背景技术

葡萄糖是自然界分布最广且最为重要的一种单糖，它是一种多羟基醛，是活细胞的能量来源和新陈代谢中间产物，即生物的主要供能物质，在生命活动过程中起着重要的作用，是一切生命体维持生命活动所需能量的主要来源。大量医学研究表明，摄入过多的糖分会削弱人体的免疫力，引起肥胖、动脉硬化、高血压、糖尿病以及龋齿等疾病，使孕妇机体抗病力降低、不利优生，以及危害糖尿病患者等特殊人群的生命安全。葡萄糖常作为食品工业的主要原料和辅助材料，也是大多数食品的主要成分之一。

近年来，一些商家为减小成本，谋取暴利，在食品中掺假糖类物质。一方面是为了增加食品的甜度，糖类甜味剂的成本远远低于其它甜味剂，且不易被识别区分。另一方面是为了掩盖在食品中掺假其他添加物后食品内容物的密度变化。例如在乳制品品质检测中，通常新鲜牛奶常见的掺假方法是添加含氮化合物以提高凯氏定氮法测定中蛋白质含量，添加防腐剂以延长其保质期，在牛奶被掺假后，用水稀释，创造额外的体积，再添加葡萄糖掩饰加水之后乳糖的密度变化。因此对食品中的葡萄糖进行定量检测，对于保护普通人的身体健康和特殊人群的生命安全具有重要意义。同时应用荧光光谱检测葡萄糖，对于丰富发展荧光光谱检测技术以及拓展和补充检测方法也具备一定的意义。

发明内容

[技术问题]

目前检测葡萄糖的方法主要包括气相色谱法、高效液相色谱法、毛细管电泳法和酶法等。但是这些方法都各自存在一定的缺陷，如耗时长，操作成本高，需要熟练的操作人员，不具备特异性选择性，检测精度低等；且复杂的检测环境会对检测结果造成极大干扰，比如：大多数方法都需要对牛奶进行预处理以优化检测环境，过程较为繁琐。

[技术方案]

为了解决上述至少一个问题，本发明利用一种富含酚羟基的碳点作为荧光探针结合酶法可以实现直接、快速、便捷和灵敏地检测牛奶中的葡萄糖。

本发明的第一个目的是提供一种制备富含酚羟基官能团的碳点的方法，包括如下步骤：

以间苯三酚为碳源，乙醇为溶剂，浓盐酸为催化剂，利用水热法制备碳点悬浊液，将其纯化后得到富含酚羟基官能团碳点；其中所述的乙醇和间苯三酚的比例以mg/mL计为4-6：1。

在本发明的一种实施方式中，所述的乙醇和间苯三酚的比例以mg/mL计为5：1。

在本发明的一种实施方式中，所述的乙醇为无水乙醇。

在本发明的一种实施方式中，所述的浓盐酸的质量分数为36-38％。

在本发明的一种实施方式中，所述的碳源、溶剂和催化剂的用量比例为160-240mg：40mL：2mL，进一步优选为200mg：40mL：2mL。

在本发明的一种实施方式中，所述的水热法制备的反应条件为：在210-230℃下反应2-3h，进一步优选为在220℃下反应2h。

在本发明的一种实施方式中，所述的提纯方法为：将反应之后的碳点悬浊液置入旋转真空蒸发仪蒸发至原体积的1/4，然后将浓缩后的溶液过硅胶柱层析色谱用洗脱剂进行分离，最后采用冷冻干燥机形成粉末，即：碳点。

在本发明的一种实施方式中，所述提纯中采用的洗脱剂为甲醇与二氯甲烷，两者的体积比为1:15-1:4。

本发明的第二个目的是本发明所述的方法制备得到富含酚羟基官能团的碳点。

本发明的第三个目的是提供一种基于本发明所述的富含酚羟基官能团的碳点定量检测牛奶中葡萄糖的方法，包括如下步骤：

(1)根据葡萄糖浓度和含有葡萄糖的牛奶溶液中富含酚羟基官能团的碳点淬灭程度构建标准曲线；

(2)待测牛奶样品的荧光光谱检测：

将本发明得到的富含酚羟基官能团的碳点配置为富含酚羟基官能团的碳点溶液；之后在待测牛奶样品中加入富含酚羟基官能团的碳点溶液，混合均匀进行反应，得到反应液；将反应液进行荧光光谱检测，得到富含酚羟基官能团的碳点的淬灭程度；

(3)根据步骤(1)的标准曲线，得到待测牛奶样品中葡萄糖的浓度。

在本发明的一种实施方式中，步骤(1)中所述的标准曲线的制备方法为：

在2mL不含有葡萄糖的牛奶样品中加入1mL不同浓度的葡萄糖溶液，使得葡萄糖在体系中的浓度分别为0(对照组)、1μM、5μM、10μM、20μM、40μM、60μM、80μM、100μM、200μM、400μM、600μM、800μM、1mM、2mM、4mM、6mM、10mM、15mM、20mM，然后加入1mL浓度为180U/mg的葡萄糖氧化酶溶液，再利用磷酸盐缓冲液调整体系pH为5.5，并在30℃条件下孵化40min，使葡萄糖被完全氧化分解生成过氧化氢，得到不同葡萄糖浓度的牛奶溶液；

将1mL浓度为1mg/mL的富含酚羟基官能团的碳点溶液分别加入4mL不同葡萄糖浓度的牛奶溶液中，混合均匀进行反应(室温反应10min)，得到不同葡萄糖浓度的加标牛奶溶液；

之后将不同葡萄糖浓度的加标牛奶溶液进行荧光光谱检测，得到在510nm处荧光强度峰值F；将浓度为0的牛奶溶液进行荧光光谱检测，得到在510nm处荧光强度峰值F

C＝(F

之后通过不同的葡萄糖浓度和不同葡萄糖浓度的加标牛奶溶液中碳点淬灭程度构建标准曲线。

在本发明的一种实施方式中，步骤(1)中所述的标准曲线为：

I＝8.64021×10

在本发明的一种实施方式中，步骤(1)所述的标准曲线的构建中，荧光光谱的测试条件为：扫描条件：激发波长为460nm，发射波长扫描范围为475-700nm，每隔1nm扫描一次，狭缝宽度设为3/3nm(激发狭缝/发射狭缝)。

在本发明的一种实施方式中，步骤(1)所述的标准曲线的构建中，所述的磷酸盐缓冲液的配制方法为配置0.1M的Na

在本发明的一种实施方式中，步骤(2)中碳点溶液的浓度为0.5-1.5mg/mL，进一步优选为1mg/mL，溶剂为水。

在本发明的一种实施方式中，步骤(2)中待测样品和碳点溶液的体积比为3-5：1，进一步优选为4：1。

在本发明的一种实施方式中，步骤(2)中反应的条件为：温度为20-30℃(室温)；时间为10-90min。

在本发明的一种实施方式中，步骤(2)中进行荧光光谱检测的条件为：利用荧光光谱仪测得荧光光谱，荧光光谱仪的激发狭缝与发射狭缝宽度为3nm、3nm，积分时间为0.1s；荧光光谱仪的激发波长为460nm，发射波长范围为475nm-700nm，步长1nm。

在本发明的一种实施方式中，步骤(2)所述的淬灭程度的计算公式为：

C＝(F

本发明的第四个目的是本发明所述的方法在食品检测领域中的应用。

[有益效果]

(1)本发明使用间苯三酚作为碳点原材料，生成的碳点富含酚羟基，具备一定还原性，能与过氧化氢发生氧化还原反应，从而实现检测功能。

(2)本发明中的碳点原材料间苯三酚自身为共轭结构，合成得到的碳点具有良好的抗离子干扰能力，光稳定性以及不受激发影响的稳定的峰值波长，起到提高检测精度的作用。

(3)本发明使用富含酚羟基的绿色荧光碳点作为荧光探针结合葡萄糖氧化酶检测牛奶中葡萄糖，不需要对牛奶进行预处理和复杂的反应过程，通过光谱仪测得其荧光光谱，提取特征参数，利用作图软件得到其荧光猝灭程度(F0-F)/F0与葡萄糖浓度的关系方程，实现对牛奶中葡萄糖的定量检测。

(4)本发明方法首次利用以间苯三酚为前驱体合成的碳点作为荧光探针实现对牛奶这类复杂体系中葡萄糖的定量检测，且此方法操作简单、快速、安全，适合常规分析。本发明方法中碳点因与葡萄糖氧化酶氧化分解葡萄糖所产生的过氧化氢发生反应而发生荧光猝灭，对过氧化氢具有较高选择性，同时结合葡萄糖氧化酶可以实现对同一体系中的过氧化氢和葡萄糖进行先后检测。

(5)本发明构建的标准曲线为I＝8.64021×10

附图说明

图1为基于富含酚羟基碳点直接定量检测牛奶中葡萄糖的流程图。

图2为实施例1、对照例1、对照例2中三种不同碳点在365nm光激发下的归一化发射谱图。

图3为实施例2中反应体系中葡萄糖浓度0-20mM的荧光光谱。

图4为实施例2中反应体系中葡萄糖浓度与碳点在510nm处荧光强度的关系曲线。

图5为实施例2中葡萄糖浓度为10-100μM范围，碳点荧光猝灭程度(F

图6为实施例3中反应时间的影响趋势图。

图7为实施例4葡萄糖氧化酶在体系中参与反应的pH活性测试图。

图8为实施例4葡萄糖氧化酶在体系中参与反应的温度活性测试图。

图9为实施例5中碳点在牛奶复杂体系中进行检测的抗干扰能力结果图。

具体实施方式

以下对本发明的优选实施例进行说明，应当理解实施例是为了更好地解释本发明，不用于限制本发明。

实施例1

一种制备富含酚羟基的碳点的方法，包括如下步骤：

(1)将200mg间苯三酚、40mL无水乙醇混合，再加入2mL浓盐酸(质量分数为37％)作为催化剂，搅拌后置入四氟乙烯内衬的加热釜中；

(2)将加热釜置入马弗炉中220℃加热2h，冷却至室温得棕色产物；

(3)将产物置入真空蒸发仪中，蒸发至原体积的1/4；将浓缩后的溶液过硅胶柱层析色谱用洗脱剂进行分离，洗脱剂选择甲醇与二氯甲烷，体积比为1:15-1:4，最后采用冷冻干燥机冷冻得到粉末，即富含酚羟基的碳点。

对照例1

一种荧光碳点的制备方法，包括如下步骤：

(1)将200mg间苯三酚、40mL无水乙醇、1.2mL乙二胺混合，再加入2mL浓盐酸作为催化剂，搅拌后置入四氟乙烯内衬的加热釜中；

(2)将加热釜置入马弗炉中220℃加热2h，冷却至室温得棕色产物；

(3)将将产物置入真空蒸发仪中，蒸发至原体积的1/4；将浓缩后的溶液过硅胶柱层析色谱用洗脱剂进行分离，洗脱剂选择甲醇与二氯甲烷，体积比为1:4，最后采用冷冻干燥机冷冻得到粉末，即得到荧光碳点。

对照例2

一种荧光碳点的制备方法，包括如下步骤：

(1)将500mg间苯三酚、10mL无水乙醇，再加入2mL浓硫酸(质量分数为37％)作为催化剂，搅拌后置入四氟乙烯内衬的加热釜中；

(2)将加热釜置入马弗炉中200℃加热2h，冷却至室温得棕色产物；

(3)将将产物置入真空蒸发仪中，蒸发至原体积的1/4；将浓缩后的溶液过硅胶柱层析色谱用洗脱剂进行分离，洗脱剂选择甲醇与二氯甲烷，体积比为1:17-1:4，最后采用冷冻干燥机冷冻得到粉末，即荧光碳点。

将实施例1与对照例1、2得到的碳点在365nm波长激发光下的发射光谱进行测试，测试结果如图2：

从图2可以看出：三种碳点的荧光发射峰位不同，三种碳点发射的荧光颜色不同。相对于实施例1，对照例1中的碳点发射光谱带宽较宽，表明该碳点含有的官能团更加丰富，与掺杂乙二胺引入氨基官能团相对应；对照例2中的碳点合成的原材料与实施例1中一致，因此光谱谱形相近，但由于合成条件不同，导致制备的碳点结构不同和荧光发射峰位置不同。

对照例3

调整实施例1中步骤(2)的加热温度为180℃，其他和实施例1保持一致，得到碳点。

测试结果发现：整个反应不充分，碳点的量子产率特别低。

对照例4

调整实施例1中步骤(2)的加热温度为250℃，其他和实施例1保持一致，得到碳点。

测试结果发现：产物部分被碳化，形成非碳点的黑色固体粉末，说明该条件温度过高，不适用于碳点的制备合成。

实施例2标准曲线的构建

一种基于实施例1所述的富含酚羟基的绿色荧光碳点定量检测牛奶中葡萄糖的方法中标准曲线的构建包括如下步骤：

(1)在2mL不含有葡萄糖的牛奶样品中加入1mL不同浓度的葡萄糖溶液，使得葡萄糖在体系中的浓度分别为0(对照组)、1μM、5μM、10μM、20μM、40μM、60μM、80μM、100μM、200μM、400μM、600μM、800μM、1mM、2mM、4mM、6mM、10mM、15mM、20mM，然后加入1mL浓度为180U/mg的葡萄糖氧化酶溶液，再利用磷酸盐缓冲液调整体系pH为5.5，并使用油浴在30℃条件下孵化40min，使葡萄糖被完全氧化分解生成过氧化氢，得到不同葡萄糖浓度的牛奶溶液；

(2)将实施例1中的碳点以水为溶剂配制得到浓度为1mg/mL的碳点溶液，之后将1mL碳点溶液分别加入4mL不同葡萄糖浓度的牛奶溶液中，混合均匀进行反应(反应温度为20℃，反应时间为10min)，得到不同葡萄糖浓度的加标牛奶溶液；

(3)将不同葡萄糖浓度的加标牛奶溶液进行荧光光谱检测，扫描条件：激发波长为460nm，发射波长扫描范围为475-700nm，每隔1nm扫描一次，狭缝宽度设为3/3nm(激发狭缝/发射狭缝)，得到在510nm处荧光强度峰值F(图3)；将浓度为0的牛奶溶液进行荧光光谱检测，得到在510nm处荧光强度峰值F

C＝(F

(4)通过不同的葡萄糖浓度和不同葡萄糖浓度的加标牛奶溶液中碳点淬灭程度的关系曲线如图4，淬灭程度C和葡萄糖浓度I的拟合曲线如图5，从图4、图5可以看出：当葡萄糖浓度为10-100μM范围内，碳点的猝灭程度C与葡萄糖浓度I成线性关系，线性回归方程为I＝8.64021×10

实施例3不同的反应时间对标准曲线构建的影响

在3mL不含葡萄糖的牛奶溶液中直接加入1mL浓度为10mM的过氧化氢，再加入1mL浓度为1mg/mL的碳点(实施例1)溶液混合后，在室温(20℃)放置，反应20min，测其荧光光谱(扫描条件：激发波长为460nm，发射波长扫描范围为475-700nm，每隔1nm扫描一次，狭缝宽度设为3/3nm(激发狭缝/发射狭缝)。

测试结果如图6，从图6可以看出：反应时间为0-10min，荧光强度变化较大，反应时间在10-90min内荧光强度基本不变，故选择反应时间为10-90min内测定。

实施例4葡萄糖氧化酶分解葡萄糖生成过氧化氢的活性条件对于标准曲线构建的影响

已知从阿拉丁购得的葡萄糖氧化酶pH活性范围为5-7，温度活性范围为30℃-50℃。

(1)pH

配置0.1M的Na

在五份相同2mL不含葡萄糖的牛奶中加标1mL浓度为10mM的葡萄糖和1mL浓度为180U/mg的葡萄糖氧化酶作为待测组，另设置五份2mL牛奶加标1mL超纯水和1mL浓度为180U/mg的葡萄糖氧化酶作为空白对照，利用磷酸盐缓冲液分别调整五份待测组和空白对照组的pH为5-7，然后利用油浴固定温度在40℃条件下对体系进行孵化40min。

在十组样品中加入1mL浓度为1mg/mL的碳点(实施例1)溶液，测试空白对照组体系的荧光峰值强度记为F

测试结果如图7，从图7可以看出：表示葡萄糖氧化酶在牛奶体系中参与反应的最佳pH为5.5。

(2)温度

在五份相同2mL不含葡萄糖的牛奶中加标1mL浓度为10mM的葡萄糖和1mL浓度为180U/mg的葡萄糖氧化酶，作为待测组；另设置五份2mL牛奶加标1mL超纯水和1mL浓度为180U/mg的葡萄糖氧化酶，作为空白对照，利用磷酸盐缓冲液调整十份样品的pH为5.5，然后利用油浴固定五份待测组样品和对照组样品的温度为30℃、35℃、40℃、45℃、50℃，孵化40min。在十组样品中加入1mL浓度为1mg/mL的碳点(实施例1)溶液，测试对照组体系的荧光峰值强度记为F

测试结果如图8，从图8可以看出：葡萄糖氧化酶在牛奶体系中参与反应的最佳温度为30℃。

实施例5实施例1的碳点在牛奶体系中进行检测的抗干扰能力

在1mL浓度为1mg/mL的碳点(实施例1)溶液中加入氯化钠(10mM)、氯化钙(5mM)、氯化镁(1mM)、氯化钾(10mM)、L-丙氨酸(400μM)、布洛芬(200μM)、L-组氨酸(200μM)、缩二脲(400μM)、D-苯丙氨酸(400μM)、L-赖氨酸(400μM)、DL-丝氨酸(400μM)、L-酪氨酸(200μM)、L-苯丙氨酸(200μM)、DL-色氨酸(200μM)、甘氨酸(200μM)、DL-天冬氨酸(200μM)、L-缬氨酸(200μM)、葡萄糖(100μM)、果糖(100μM)、蔗糖(100μM)、麦芽糖(100μM)、葡萄糖氧化酶(50μM)、过氧化氢(100μM)，其中括号内的浓度为终浓度。

将上述碳点和干扰物的混合液利用振荡仪震荡5min后再静置5min，利用荧光光谱仪分别测试混合液的荧光强度，得到的荧光强度的变化情况F/F

测试结果如图9，从图9可以看出：牛奶中常见的离子以及氨基酸分子对碳点荧光探针的发射影响较小，该探针仅与过氧化氢反应较为明显，结合葡萄糖氧化酶的使用，说明该荧光探针对牛奶中的葡萄糖的检测具有良好的应用前景。

实施例6牛奶中葡萄糖浓度定量检测的准确性的测试

一种基于实施例1所述的绿色荧光碳点定量检测牛奶中葡萄糖的方法，包括如下步骤：

做五次同类平行实验，在2mL不含葡萄糖的牛奶溶液中直接加入1mL浓度为10μM、20μM、40μM的葡萄糖溶液，然后加入1mL浓度为180U/mg的葡萄糖氧化酶溶液，再利用磷酸盐缓冲液调整体系pH为5.5，并使用油浴在30℃条件下孵化40min，使葡萄糖被完全氧化分解生成过氧化氢，得到不同葡萄糖浓度的牛奶溶液。再加入1mL浓度为1mg/mL碳点(实施例1)溶液混合后，在室温放置，反应10min，测其荧光光谱(扫描条件：激发波长为460nm，发射波长扫描范围为475-700nm，每隔1nm扫描一次，狭缝宽度设为3/3nm(激发狭缝/发射狭缝))。将五次检测结果与实施例2中构建的标准曲线做对比，得到检测方法的回收率。

测试结果如下表1：

表1实施例6的测试结果

从表1可以看出：回收率在97.30％～101.05％，说明此方法准确、可行。

对照例5

将对照例1中的碳点应用于对牛奶中葡萄糖进行检测时，发现其仅能实现对高浓度的葡萄糖具有响应，对浓度较低的葡萄糖无法区分识别。该结果是由于掺杂乙二胺引入氨基虽然能提高碳点的量子产率，但是氨基基团取代了原有的酚羟基基团，导致碳点的还原性减弱，与过氧化氢反应的能力下降，从而导致检测结果不佳。

对照例6

将对照例2中的碳点应用于对牛奶中葡萄糖进行检测时，发现其荧光发射特征峰与牛奶中的一些固有成分(如核黄素、酪蛋白)的荧光发射峰为重合，因此使用该碳点无法准确实现对牛奶中的葡萄糖进行定量检测。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。