CN111808313A - 可视化检测纸质文物pH的纸基荧光传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于荧光传感器技术领域，具体为一种可视化检测纸质文物pH的纸基荧光传感器及其制备方法。本发明将纳米荧光探针通过共价交联作用固定于氨基化的细菌纤维素纳米纤维上，不仅能有效提高其荧光性能与稳定性，同时也确保探针在测试过程中无荧光物质残留在纸质文物上，实现纸质文物的原位无损检测。其中，荧光探针为碲化镉（CdTe）量子点，通过简单经济的水相合成法制备得到；pH响应荧光纸基传感器，可以通过在紫外灯下观察荧光强度变化检测整个纸质文物表面酸化的分布情况和程度。本发明实现了原位、无损、快速、高灵敏度的现场即时检测，为纸质文物pH检测提供准确直观的信息。

Description

可视化检测纸质文物pH的纸基荧光传感器及其制备方法

技术领域

本发明属于荧光传感器技术领域，具体涉及光致发光的纸基传感器及其制备方法和在纸质文物pH的可视化检测中的应用。

背景技术

古籍、档案、字画等纸质文物是传播人类文明和见证社会发展的重要文化遗产，具有极其重要的保存和科学价值。然而由于纸自身或储存环境的影响，纸质文物会出现不同程度的泛黄，变脆等老化问题，严重降低其使用和保存价值。酸化是纸质文献受损的重要原因，特别是民国以来的近代纸质档案文献，由于采用近代工业化造纸技术，纸张的酸化现象尤为严重。

世界各地的学者从20世纪初开始大量研究纸张的酸化和老化机制。研究表明，酸性条件下纤维素大分子链极易断裂，发生多相水解过程，纸张的抗张强度，柔韧性和耐折度等机械强度随之恶化。纸张中分子链表面的酸性基团，明矾等填料，二氧化硫，二氧化氮等空气中酸性污染物都会进一步加剧纸张的酸化程度。而纸张内堆积的酸性越强，其老化速度越快，保存寿命越短(M.C. Area, Ceradame H. Bioresources, 2011, 6(4):5307~5337.)。因此，准确测定纸张酸度是延长其保存寿命的重要工作。

目前对于纸质文物酸度（表面pH）的分析方法，主要是有冷水、热水抽提法以及pH平头电极测定法(纸、纸板和纸浆水抽提液酸度或碱度的测定. GB/T1545-2008)。抽提液检测方法用pH计检测萃取液，测试过程繁琐，并对测试纸样有一定程度的损坏，使一些珍贵文物的测试受到限制。而pH平头电极的测定方法很难对样品表面所有区域的pH进行快速的分析。因此开发一种能够快速识别样品表面酸化的无损分析方法对于文物保护和修复有非常重要的意义。

荧光分析法因其具有高选择性，高灵敏度以及可实现无损表征而被广泛应用于文物分析领域。继Renède于1982年首次证明了荧光光谱对文物材料的无损表征的潜力之后，有多项研究探讨了利用荧光法获取文物中化学组分及结构变化等信息的应用(Romani A,Clementi C, Miliani C, et al. Accounts of chemical research, 2010, 43(6):837-846.)(Degano I, Ribechini E, Modugno F, et al. Applied SpectroscopyReviews, 2009, 44(5): 363-410.)。针对于纸质文物保存者和修复者对无创诊断方法的紧迫要求，基于发光的技术是一个理想的表征和分析手段。近来，光学纳米传感器已经被开发并用于测量文物样品中的pH。由于纸质文物中大多数H⁺被定位在固态表面上，荧光纳米传感器可以通过固体表面微环境的变化，更加准确地测试局部酸度。目前荧光纳米传感器主要以溶液状态实现，虽然具有高的灵敏度，但面临着不易携带，不易保存，稳定性较差，易造成潜在损坏等缺点。Qu 等人制备了包埋荧光染料的SiO₂/壳聚糖复合纳米材料，利用壳聚糖的氨基将异硫氰酸荧光素（FITC）固定在复合纳米粒子表面，构建对纸张表面pH 响应的高灵敏度的纳米传感器（Qu Y, Han H, Zheng X, et al. Sensors and Actuators B:Chemical, 2014, 195: 252-258.）。但此方法需要将纳米传感器从纸张表面洗脱，洗脱效率为85%，其荧光物质在文物纸张上有一定物质的残留，留下潜在的隐患。

因此，将荧光纳米传感器固定于基质上可广泛应用于不同的环境和苛刻的条件，并且可以大大提高荧光探针的光学稳定性和回收率。细菌纤维素是一种作为微生物生产分泌而得到的天然高分子，具有优异的纳米尺寸和机械强度，其丰富的反应活性位点可以有效的调控荧光纳米探针的分布，保留单个纳米探针的荧光特性，提高测试的灵敏性和准确性。同时，细菌纤维素作为荧光纳米探针的载体，不仅能够保护荧光粒子在检测过程不受潜在干扰，而且具有优异的湿态力学强度，可以直接作为试纸在普通紫外光灯下观察到被测试纸质文物的酸化情况。

发明内容

针对上述的问题，本发明提供一种检测速度快、稳定性好的可视化检测纸质文物pH的纸基荧光传感器及其制备方法。

使用本发明所提供的pH响应荧光纸基传感器，可以通过可视化的荧光强度变化无损检测整个纸质文物表面酸化情况，为书籍纸张的修复和预防保护准确快速地提供信息。

本发明提供的可视化检测纸质文物pH的纸基荧光传感器，为负载量子点荧光探针的氨基化细菌纤维素膜；所述细菌纤维素膜具有三维纳米纤维网络，有丰富反应活性位点，可以指导量子点分布，防止其聚集，保证量子点的光学性能和光学敏感性的最大输出；量子点表面的羧基通过与细菌纤维素表面的氨基共联交联而稳定地固定在纳米纤维上，从而确保在检测过程中无荧光物质残留在纸质文物上，避免纸质文物的潜在损害。

本发明提供的可视化检测纸质文物pH的纸基荧光传感器，可以通过在紫外灯下观察荧光强度变化，检测整个纸质文物表面酸化的具体部位和程度，可实现无损、快速、高灵敏度地现场即时检测，无需其它仪器配合。

本发明提供的可视化检测纸质文物pH的纸基荧光传感器的制备方法，具体步骤如下：

（1）氨基化细菌纤维素的制备

将湿态细菌纤维素膜用滤纸将多余水分压出，于浸泡于浓度为0.005~0.02 mol/L的3-氨丙基三乙氧基硅烷（APTES）的无水甲苯溶液中，浸泡温度为50-70℃，浸泡时间为3-6 h；然后将处理过的细菌纤维素膜依次用30-50mL无水甲苯和无水丙酮冲洗2-3次，除去残留的化学物质，得到氨基化的细菌纤维素膜，其反应式为下式1所示：

（式1）；

（2）负载荧光探针的细菌纤维素膜的制备

将乙酸镉（Cd(CH₃COO)₂）与巯基乙酸（TGA）混合，并用1wt% NaOH将溶液pH值调至10.5~11.5，得到前驱体溶液；将该前驱体溶液转移三口烧瓶中，随后向三口烧瓶中加入Na₂TeO₃，搅拌均匀，并将NaBH₄溶解后倒入三口烧瓶中，搅拌均匀；将三口烧瓶连接到冷凝器上在油浴中加热回流，加热温度为100~130℃，反应时间为0.5~12 h，制得CdTe荧光探针溶液；将1-（3-二甲氨基丙基）-3-乙基碳二亚胺盐酸盐与N-羟基琥珀酰亚胺（EDC-NHS）、CdTe荧光探针以及氨基化的细菌纤维素膜混合，反应温度为35~40℃，时间为2~8 h；反应结束后取出荧光细菌纤维素膜，用去离子水反复冲洗，即获得负载荧光探针的细菌纤维素膜；其反应过程如式2所示：

（式2）。

本发明步骤（1）中，压出多余水分的细菌纤维素膜为半透明湿态薄膜，厚度为20~100 um。

本发明步骤（2）中，所述Cd(CH₃COO)₂浓度为0.5~1 mmol/L，TGA浓度为0.5~1 mmol/L，Na₂TeO₃浓度为0.1~0.5 mmol/L，Cd²⁺、 TGA和Te三者摩尔比例为1:1:0.2~1:1:0.5（1:1:（0.2~0.5），NaBH₄浓度为0.1~0.5 mmol/L。

本发明步骤（2）中，所述EDC-NHS浓度为0.01~0.1 mmol/L，EDC / NHS =1:9~1:11（1:（9~11））。合适的交联剂浓度，反应浓度和时间不仅有利于保持CdTe荧光探针的荧光强度，也利于细菌纤维素上的氨基与CdTe上的羧基共价结合，使荧光探针固定于细菌纤维素膜上，避免检测过程中的潜在污染。

本发明制备的负载荧光探针的细菌纤维素膜可用于可视化检测纸质文物pH值，具体步骤如下：

（1）制作标准荧光比色卡

配置一系列不同的pH缓冲液，将负载荧光探针的细菌纤维素复合膜浸泡其中，浸泡时间为30~120 s，pH范围为4~7；随后取出在紫外暗箱中观察，不同pH缓冲液使荧光细菌纤维素膜产生不同程度的淬灭，对每种颜色的荧光细菌纤维素膜进行荧光强度测试得到标准曲线，并进行数码拍照，整理得到标准荧光比色卡；

（2）纸质文物的pH检测

将湿态负载荧光探针的细菌纤维素复合膜覆盖于待测的纸质文物表面，5~10min后在紫外箱中观察膜的变化，测试荧光强度并进行数码拍照，与标准曲线和荧光比色卡对比，得出酸化的具体部位和pH数值。

上述步骤（1）中，所述pH缓冲液为磷酸盐缓冲溶液，浓度为0.04~0.06mmol/L。

上述步骤（2）中，所述荧光强度测试使用350~390 nm 的激发波长，激发和发射的狭缝宽度为5~10 nm。

本发明的有益效果：

（1）本发明纸基荧光传感器，可直接利用可视化的荧光强度变化无损检测整个纸质文物表面酸化的具体部位和pH，为书籍纸张的修复和预防保护提供准确，直观，快速的测试信息；

（2）本发明纸基荧光传感器，使用细菌纤维素作为基底，在湿态下仍保持很高的力学性能和平整度，确保传感器在测试中的精确性以及在测试前后的易操作性；

（3）本发明纸基荧光传感器的制备方法，其中通过简单经济的水相合成法制备CdTe量子点，并将其作为纳米荧光探针通过共价交联相互作用固定于氨基化的细菌纤维素纳米纤维上，有效提高其荧光性能与稳定性。同时也确保荧光探针在测试过程中无荧光物质残留在纸质文物上，避免了纸质文物的潜在损害。

附图说明

图1为本发明可视化检测纸质文物pH的纸基荧光传感器的制备方法及检测原理示意图。

图2为细菌纤维素纳米纤维（a）及负载CdTe荧光探针的细菌纤维素纳米纤维（b）SEM图。

图3为不同pH测试滤纸样品相对应的荧光细菌纤维素膜的荧光光谱。

图4为本发明制备的一例负载荧光探针的细菌纤维素膜的发射峰值随被测试滤纸样品pH的变化。

图5为本发明制备的一例标准荧光比色卡（pH=4~7）。

图中标号：1为细菌纤维素纳米纤维，2为CdTe量子点，3为纸基荧光传感器荧光淬灭的部位。

具体实施方式

下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例1

（1）氨基化细菌纤维素的制备

将湿态细菌纤维素膜用滤纸将多余水分压出，厚度为50um。浸泡于60℃的APTES的无水甲苯溶液中3h，然后将处理过的细菌纤维素膜依次用40 mL无水甲苯和无水丙酮冲洗3次，除去残留的化学物质，得到氨基化的细菌纤维素膜。

（2）负载荧光探针的细菌纤维素复合膜的制备

1mmol/L Cd(CH₃COO)₂与1mmol/L TGA混合，并用1wt% NaOH将溶液pH值调至11.5, 将上述得到的前驱体溶液转移三口烧瓶中。随后向三口烧瓶中加入0.2 mmol/L Na₂TeO₃搅拌均匀，并将0.2 mmol/L NaBH₄溶解后倒入三口烧瓶中搅拌均匀。将三口烧瓶连接到冷凝器上在油浴中加热回流，反应温度为100℃，反应时间为0.5 h, 制得CdTe荧光探针溶液。将EDC-NHS，CdTe荧光探针以及氨基化的细菌纤维素膜混合反应2 h，EDC-NHS浓度为0.05mmol/L，EDC / NHS = 1:10。反应结束后取出绿色荧光细菌纤维素膜，用去离子水反复冲洗。制备的负载荧光探针的细菌纤维素膜在紫外箱中层显绿色荧光。从SEM 中可以观察到量子点固定在细菌纤维素纳米纤维上，平均粒径为4 nm。

（3）制作标准荧光比色卡

配置一系列不同的pH缓冲液（pH=4~7），将负载荧光探针的细菌纤维素膜浸泡其中，1min后取出在紫外暗箱中观察，不同pH缓冲液使得荧光细菌纤维素膜产生不同程度的淬灭。对每种颜色的荧光细菌纤维素膜进行荧光强度测试得到标准曲线（激发波长为370 nm，激发和发射的狭缝宽度为 10 nm），并进行数码拍照，整理得到标准荧光比色卡。

（4）纸质文物的pH检测

将湿态负载荧光探针的细菌纤维素膜覆盖于待测的纸质文物1号表面，5 min后在紫外暗中箱中观察膜的变化，通过测试荧光强度计算得1号样品的pH为6.4。进行数码拍照，和荧光比色卡对比，得出pH为6。

实施例2

（1）氨基化细菌纤维素的制备

将湿态细菌纤维素膜用滤纸将多余水分压出，厚度为50um。浸泡于70℃的APTES的无水甲苯溶液中5h，然后将处理过的细菌纤维素膜依次用40mL无水甲苯和无水丙酮冲洗3次，除去残留的化学物质，得到氨基化的细菌纤维素膜。

（2）负载荧光探针的细菌纤维素复合膜的制备

0.5mmol/L Cd(CH₃COO)₂与0.5mmol/L TGA混合，并用1wt% NaOH将溶液pH值调至11.5,将上述得到的前驱体溶液转移三口烧瓶中。随后向三口烧瓶中加入0.25 mmol/L Na₂TeO₃搅拌均匀，并将0.1 mmol/L NaBH₄溶解后倒入三口烧瓶中搅拌均匀。将三口烧瓶连接到冷凝器上在油浴中加热回流，反应温度为110℃，反应时间为2 h, 制得CdTe荧光探针溶液。将EDC-NHS，CdTe荧光探针以及氨基化的细菌纤维素膜混合反应4 h，EDC-NHS浓度为0.1mmol/L，EDC / NHS = 1:10。反应结束后取出黄色荧光细菌纤维素膜，用去离子水反复冲洗。制备的负载荧光探针的细菌纤维素膜在紫外箱中层显黄色荧光。量子点固定在细菌纤维素纳米纤维上，平均粒径为4.5nm。

（3）制作标准荧光比色卡

配置一系列不同的pH缓冲液（pH=4~7），将负载荧光探针的细菌纤维素膜浸泡其中，1min后取出在紫外暗箱中观察，不同pH缓冲液使得荧光细菌纤维素膜产生不同程度的淬灭。对每种颜色的荧光细菌纤维素膜进行荧光强度测试得到标准曲线（激发波长为365 nm，激发和发射的狭缝宽度为 10 nm），并进行数码拍照，整理得到标准荧光比色卡。

（4）纸质文物的pH检测

将湿态负载黄色荧光探针的细菌纤维素膜覆盖于待测的纸质文物2号表面，5 min后在紫外暗中箱中观察膜的变化，通过测试荧光强度计算得2号样品的pH为7.3。进行数码拍照，和荧光比色卡对比，得出pH为7。

实施例3

（1）氨基化细菌纤维素的制备

将湿态细菌纤维素膜用滤纸将多余水分压出，厚度为50um。浸泡于70℃的APTES的无水甲苯溶液中5h，然后将处理过的细菌纤维素膜依次用40mL无水甲苯和无水丙酮冲洗3次，除去残留的化学物质，得到氨基化的细菌纤维素膜。

（2）负载荧光探针的细菌纤维素复合膜的制备

1mmol/L Cd(CH₃COO)₂与1mmol/L TGA混合，并用1wt% NaOH将溶液pH值调至11.5, 将上述得到的前驱体溶液转移三口烧瓶中。随后向三口烧瓶中加入0. 5 mmol/L Na₂TeO₃搅拌均匀，并将0.1 mmol/L NaBH₄溶解后倒入三口烧瓶中搅拌均匀。将三口烧瓶连接到冷凝器上在油浴中加热回流，反应温度为120℃，反应时间为4 h, 制得CdTe荧光探针溶液。将EDC-NHS，CdTe荧光探针以及氨基化的细菌纤维素膜混合反应6 h，EDC-NHS浓度为0.05 mmol/L，EDC / NHS = 1:10。反应结束后取出橙红色荧光细菌纤维素膜，用去离子水反复冲洗。制备的负载荧光探针的细菌纤维素膜在紫外箱中层显橙红色荧光。量子点固定在细菌纤维素纳米纤维上，平均粒径为6nm。

（3）制作标准荧光比色卡

配置一系列不同的pH缓冲液（pH=4~7），将负载荧光探针的细菌纤维素膜浸泡其中，1min后取出在紫外暗箱中观察，不同pH缓冲液使得荧光细菌纤维素膜产生不同程度的淬灭。对每种颜色的荧光细菌纤维素膜进行荧光强度测试得到标准曲线（激发波长为370 nm，激发和发射的狭缝宽度为 10 nm），并进行数码拍照，整理得到标准荧光比色卡。

（4）纸质文物的pH检测

将湿态负载黄色荧光探针的细菌纤维素膜覆盖于待测的纸质文物3号表面，5 min后在紫外暗中箱中观察膜的变化，通过测试荧光强度计算得3号样品的pH为5.2。进行数码拍照，和荧光比色卡对比，得出pH为5。

实施例4

（1）氨基化细菌纤维素的制备

将湿态细菌纤维素膜用滤纸将多余水分压出，厚度为50um。浸泡于70℃的APTES的无水甲苯溶液中4h，然后将处理过的细菌纤维素膜依次用40mL无水甲苯和无水丙酮冲洗3次，除去残留的化学物质，得到氨基化的细菌纤维素膜。

（2）负载荧光探针的细菌纤维素复合膜的制备

0.8mmol/L Cd(CH₃COO)₂与0.8mmol/L TGA混合，并用1wt% NaOH将溶液pH值调至11.5,将上述得到的前驱体溶液转移三口烧瓶中。随后向三口烧瓶中加入0.4mmol/L Na₂TeO₃搅拌均匀，并将0.1 mmol/L NaBH₄溶解后倒入三口烧瓶中搅拌均匀。将三口烧瓶连接到冷凝器上在油浴中加热回流，反应温度为120℃，反应时间为10 h, 制得CdTe荧光探针溶液。将EDC-NHS，CdTe荧光探针以及氨基化的细菌纤维素膜混合反应8 h，EDC-NHS浓度为0.08mmol/L，EDC / NHS = 1:10。反应结束后取出橙红色荧光细菌纤维素膜，用去离子水反复冲洗。制备的负载荧光探针的细菌纤维素膜在紫外箱中层显橙红色荧光。量子点固定在细菌纤维素纳米纤维上，平均粒径为10 nm。

（3）制作标准荧光比色卡

配置一系列不同的pH缓冲液（pH=4~7），将负载荧光探针的细菌纤维素膜浸泡其中，1min后取出在紫外暗箱中观察，不同pH缓冲液使得荧光细菌纤维素膜产生不同程度的淬灭。对每种颜色的荧光细菌纤维素膜进行荧光强度测试得到标准曲线（激发波长为360 nm，激发和发射的狭缝宽度为 10 nm），并进行数码拍照，整理得到标准荧光比色卡。

（4）纸质文物的pH检测

将湿态负载深红色荧光探针的细菌纤维素膜覆盖于待测的纸质文物4号表面，5 min后在紫外暗中箱中观察膜的变化，通过测试荧光强度计算得4号样品的pH为5.7。进行数码拍照，和荧光比色卡对比，得出pH为6。

Claims (9)

1.一种可视化检测纸质文物pH的纸基荧光传感器，其特征在于，为负载量子点荧光探针的氨基化细菌纤维素膜；所述细菌纤维素膜具有三维纳米纤维网络，有丰富反应活性位点，可以指导量子点分布，防止其聚集，保证量子点的光学性能和光学敏感性的最大输出；量子点表面的羧基通过与细菌纤维素表面的氨基共联交联而稳定地固定在纳米纤维上，从而确保在检测过程中无荧光物质残留在纸质文物上，避免纸质文物的潜在损害。

2.一种如权利要求1所述的可视化检测纸质文物pH的纸基荧光传感器的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：

（1）氨基化细菌纤维素的制备

将湿态细菌纤维素膜用滤纸将多余水分压出，于浸泡于浓度为0.005~0.02 mol/L的3-氨丙基三乙氧基硅烷的无水甲苯溶液中，浸泡温度为50-70℃，浸泡时间为3-6 h；然后将处理过的细菌纤维素膜依次用30-50mL无水甲苯和无水丙酮冲洗2-3次，除去残留的化学物质，得到氨基化的细菌纤维素膜；

（2）负载荧光探针的细菌纤维素膜的制备

将乙酸镉与巯基乙酸混合，并用1wt% NaOH将溶液pH值调至10.5~11.5，得到前驱体溶液；将该前驱体溶液转移三口烧瓶中，随后向三口烧瓶中加入Na₂TeO₃，搅拌均匀，并将NaBH₄溶解后倒入三口烧瓶中，搅拌均匀；将三口烧瓶连接到冷凝器上在油浴中加热回流，加热温度为100~130℃，反应时间为0.5~12 h，制得CdTe荧光探针溶液；将1-（3-二甲氨基丙基）-3-乙基碳二亚胺盐酸盐与N-羟基琥珀酰亚胺、CdTe荧光探针以及氨基化的细菌纤维素膜混合，反应温度为35~40℃，时间为2~8 h；反应结束后取出荧光细菌纤维素膜，用去离子水反复冲洗，即获得负载荧光探针的细菌纤维素膜。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中压出多余水分的细菌纤维素膜为半透明湿态薄膜，厚度为20~100 um。

4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中所述Cd(CH₃COO)₂浓度为0.5~1 mmol/L，TGA浓度为0.5~1 mmol/L，Na₂TeO₃浓度为0.1~0.5 mmol/L，Cd²⁺、 TGA和Te三者摩尔比例1:1:（0.2~0.5），NaBH₄浓度为0.1~0.5 mmol/L。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中所述EDC-NHS浓度为0.01~0.1 mmol/L，EDC / NHS = 1:9~1:11。

6.如权利要求1所述的纸基荧光传感器在可视化检测纸质文物pH中的应用。

7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，具体步骤如下：

（1）制作标准荧光比色卡

配置一系列不同的pH缓冲液，将负载荧光探针的细菌纤维素复合膜浸泡其中，浸泡时间为30~120 s，pH范围为4~7；随后取出在紫外暗箱中观察，不同pH缓冲液使荧光细菌纤维素膜产生不同程度的淬灭，对每种颜色的荧光细菌纤维素膜进行荧光强度测试得到标准曲线，并进行数码拍照，整理得到标准荧光比色卡；

（2）纸质文物的pH检测

将湿态负载荧光探针的细菌纤维素复合膜覆盖于待测的纸质文物表面，5~10min后在紫外箱中观察膜的变化，测试荧光强度并进行数码拍照，与标准曲线和荧光比色卡对比，得出酸化的具体部位和pH数值。

8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，步骤（1）中所述pH缓冲液为磷酸盐缓冲溶液，浓度为0.04~0.06mmol/L。

9.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，步骤（2）中所述荧光强度测试使用350~390nm 的激发波长，激发和发射的狭缝宽度为5~10 nm。

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