基于染料与纳米材料比色传感阵列的构建及对白酒的可视化识别研究

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中国白酒是深受国人喜爱的酒类饮品,具有几千年的酿造历史。随着白酒工业的发展,白酒市场逐年壮大,这对白酒的质量控制提出了更高的要求。然而,无论在白酒生产还是销售中,都缺乏对其现场快速识别检测的手段。目前,常用的白酒识别检测方法主要有感官品评法和仪器分析法。感官品评法受个体主观差异影响较大,且无法同时处理大量样本;昂贵的设备及复杂的操作步骤使得仪器分析法也难以实时便捷地应用到白酒检测中去。近年来,基于交叉响应的比色传感阵列检测方法通过仿味觉和嗅觉对不同的液体或气体分析物进行可视化检测,因其制备简单、成本低廉、结果裸眼可辨等优点在复杂混合物的识别研究中具有良好的应用价值。本研究利用染料、银纳米颗粒(Ag NPs)和金纳米颗粒(Au NPs)以及其他性能优异的纳米材料,设计了三种基于比色传感阵列芯片快速识别检测白酒的方案,旨在为白酒的现场快速检测提供新方法。通过阵列点材料的筛选、表征(TEM、SEM、UV-vis等)和实验条件的优化等过程完成比色传感阵列芯片的构建,并以代表性品牌酒的识别以及伪劣酒的区分来进一步评估所设计比色传感阵列芯片的性能。具体结论如下:(1)针对白酒酒精度、p H、还原性等理化性质筛选出9种响应较好的染料试剂,构建了3×3的液体比色传感阵列芯片用于对代表性白酒的识别。白酒与比色传感阵列进行交叉响应后产生不同的颜色模式图,通过每个阵列点反应前后的色差值(△RGB)建立白酒特异性指纹图谱和进一步的模式识别分析。结果表明,每种品牌的白酒产生自身独特的指纹图谱,仅凭裸眼即可初步辨别白酒品牌。进一步地,在三维主成分分析图谱中,不同白酒占据各自空间且彼此良好分离;特别地,线性判别分析(LDA)和主成分分析(HCA)分类的准确率均为100%,且具有令人满意的重复性。在基于LDA模型的盲样检测中,对盲样识别正确率为90.6%,表明所制备的比色传感阵列芯片能够通过白酒不同的性质而对其区分识别,为白酒现场快速识别检测提供有效方法。(2)合成了4种对白酒中有机酸敏感的金银纳米颗粒(Cit-Au NPs、TA-Ag NPs、Cys-Ag NPs、TA-Au NPs),且基于有机酸改变金银纳米颗粒表面电荷使其发生不同程度聚集的原理构建了4×1的液体比色传感阵列芯片,并将其应用于有机酸和白酒的分析识别。结果表明,由于酒中代表性有机酸的p Ka或分子结构的不同,通过指纹图谱和LDA分析便能将他们识别区分。除此之外,该阵列芯片对不同浓度的有机酸或者混合物也具有较好的识别效果。在对富含有机酸的白酒进行识别检测时,不同白酒所产生的指纹图谱肉眼可辩。另外,在模式识别分析中,该阵列芯片够对不同白酒进行准确的识别,且稳定性良好。在盲样测试中,基于LDA模型对盲样识别的准确率为93.75%。值得一提的是,即使对酒样进行1%的稀释,也能通过该阵列芯片将其与原正品酒区分开来,说明该阵列具有优异的白酒检测性能,可用于白酒生产过程中的质量控制。(3)制备了金纳米颗粒(Au NPs)、二硫化钼(Mo S2)纳米花、2-甲基咪唑锌盐(ZIF-8)三种纳米材料,将其与筛选的染料结合使后者功能化,以此构建5×5的纸基比色传感阵列芯片,并通过交叉响应对白酒中单一挥发性气体和白酒进行识别检测。结果表明,该纸基芯片能够成功识别8种白酒代表性气体挥发物质,且通过LDA分析也证实了其对气体混合物识别区分的能力。此外,在进一步对白酒检测中,通过白酒指纹图谱与模式识别分析对16种代表性白酒准确区分,且在识别检测过程中表现出较好的重复性和稳定性。进一步地,在后续的盲样测试中,该阵列芯片对盲样的正确识别率为90.6%。最后,食用酒精勾兑的假酒也能通过指纹图谱和HCA与真酒区分开,表明所构建的纸基比色传感阵列芯片能够实现对白酒的现场快速识别检测,具有较强的实际应用价值。
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