一种利用太赫兹光谱快速检测自由基的方法

技术领域

本发明涉及医疗卫生、环境化学、食品检测及公共安全等领域等快速检测领域，尤其涉及一种利用太赫兹光谱快速检测自由基的方法。

背景技术

自由基是指具有不配对电子的原子，原子团，分子或离子，包括氧原子经氧化还原产生的超氧阴离子自由基·O

自由基反应性强，半衰期短，不易直接测定。目前常用的方法包括：电子自旋共振法，高效液相色谱法，荧光光度法，化学发光法，分光光度法等。这些检测方法多通过某些特定反应物对自由基捕捉，再测定捕捉产物生成量，来间接推断自由基含量。自由基捕捉剂的使用限制了自由基检测的普适性，捕捉剂与自由基的反应效率影响了检测效率，此外高浓度的捕捉剂对捕捉产物信号存在一定的掩盖，对检测灵敏度也有一定影响。目前需要开发出快速高效、检测限低，无需提前标记的自由基检测方法。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种快速高效，灵敏度高，无需提前标记的利用太赫兹光谱快速检测自由基的方法。

为了达成上述的目的，本发明提供了一种利用太赫兹光谱快速检测自由基的方法，包括以下步骤：

1)将天然水凝胶材料加入沸水中，充分搅拌溶解，得到无色透明的水凝胶溶液A；

2)待溶液温度降至50-70℃，将该溶液倾入硅胶模具中，静置冷却至室温，得到水凝胶B；上述温度优选为60℃，此时将溶液倒入硅胶模具中，水凝胶溶液还可保持液态，且分散均匀；温度太低将大大降低水凝胶的流动性。

3)脱模取出水凝胶模块C，滴加过氧化氢水溶液和硫酸亚铁溶液，反应产生液体，利用太赫兹光谱检测反应产物。此处水凝胶模块C是检测基质，硫酸亚铁溶液是催化剂，过氧化氢是自由基产生剂。检测环境中的羟基自由基，不用加过氧化氢溶液和硫酸亚铁溶液。

进一步地，其中步骤1)中，所述天然水凝胶材料与沸水的比例为 (0.1-2.0):100，优选为(0.3-0.8):100，在此优选范围内，水凝胶三维网络结构稳定，且能够较灵敏地与低浓度的自由基发生分解反应。

进一步地，其中步骤1)中，所述天然水凝胶材料包括，但不限于，琼脂糖，海藻酸钠，羧甲基纤维素钠以及淀粉。天然水凝胶具有良好的生物兼容性和可降解性，凝胶材料和水分子之间通过链间缠绕、氢键和静电吸引等物理作用将体系分子连接起来。合成水凝胶的性质则相反，体系间分子多是通过共价键、配位键等较强的化学键形成凝胶网络。为提高自由基引发的水凝胶链式分解反应的灵敏度，故选用天然水凝胶作为检测用水凝胶。

进一步地，其中步骤1)中，所述天然水凝胶材料选自琼脂糖，琼脂糖分子在沸水作用下交联成线性大分子，与水溶液互溶，待溶液冷却下来后，线性琼脂分子与水分子相互作用，形成稳定三维网状氢键结构，形成水凝胶固体。该水凝胶接触自由基后，琼脂糖分子间交联键断裂，与环境水之间的氢键体系也破坏，宏观表现为固-液混合状态。琼脂糖水凝胶的制备以及与羟基自由基的反应原理图如图5所示。

水凝胶是一种亲水性很强的三维网络结构凝胶，它在水中迅速溶胀并在此状态下保持大量水分而不溶解。凝胶分子间通过化学键相互交联，并且和水分子通过氢键形成三维网状结构，共同支持水凝胶的立体结构。在此结构中，水分子被包裹在网眼中间，不能自由流动。该水凝胶与自由基等强氧化剂接触后，引发分解反应，导致水凝胶分子的连接键打开，内部氢键网络被破坏，三维结构坍塌。分解反应后的水凝胶的聚集状态由固态变为固液混合状态。

进一步地，其中步骤1)中，所述水凝胶溶液A的浓度为 0.1wt％～2.0wt％，优选为0.3wt％-0.8wt％。在此优选范围内，水凝胶三维网络结构稳定，且能够较灵敏的与低浓度的自由基发生分解反应。

进一步地，其中步骤1)中，所述水凝胶溶液A的浓度为0.3wt％，其具体配制步骤包括：量取100mL的蒸馏水置于250mL烧杯中，加热至沸腾；称量0.3g的琼脂糖，加入沸水中，一边加热一边搅拌；待完全溶解后，得一无色透明的水凝胶溶液A。停止加热，静置降至室温，得一乳白色琼脂糖水凝胶(水凝胶B)。

进一步地，其中在步骤1)之后及步骤2)之前还包括加入导电材料的步骤。这是由于琼脂糖水凝胶不导电，进行微电流辅助反应有一定困难。通过在天然水凝胶中掺杂导电材料，不仅能保持水凝胶形貌，还能增加水凝胶的导电性，以制备导电水凝胶。导电材料包括，但不限于，NaCl(可得到乳白色的具有导电性能的琼脂糖水凝胶)，CaCl

进一步地，其中所述导电材料与步骤1)中的水凝胶溶液A的重量比例为(0.01-0.02)：100，优选为0.015:100，此时的水凝胶中完全均匀的分散着导电材料。有利于最大程度的提高水凝胶体系的导电性。导电材料太多或者太少，会影响水凝胶体系的导电能力。

进一步地，其中在加入导电材料得到导电水凝胶模块C后，还包括：在导电水凝胶模块C中插入电催化装置的一对惰性电极，将一对惰性电极分别接入微型直流电，接通电路，开启催化模式。

进一步地，其中所述微型直流电的电压为1.5V～3.0V，优选为2.0V，此时电压强度能够加快羟基自由基的分解反应，对水凝胶模块B的稳定性影响也较小。电能可以通过恒电位仪提供，也通过蓄电池，干电池来提供。通过微电流协同自由基引发的水凝胶分解反应，放大分解反应，提高自由基的检测极限。

进一步地，其中所述电催化装置包括恒压电位仪、滑动变阻器、电流表、一对惰性电极，所述恒压电位仪的正极与滑动变阻器连接，所述滑动变阻器连接有其中一个惰性电极；所述恒压电位仪的负极与电流表连接，所述电流表与另一个惰性电极连接。

进一步地，其中在用于检测时，一对所述惰性电极分别插入所述导电水凝胶模块。

进一步地，其中一对所述惰性电极包括铂-碳电极或铂-铂-电极，但不限于此；铂电极可以为铂网电极、铂丝电极或铂片电极。

进一步地，其中步骤3)中，所述过氧化氢水溶液的浓度为1×10

进一步地，其中步骤3)中，所述硫酸亚铁溶液的浓度为0.1×10

进一步地，其中步骤3)中，所述滴加速率为0.01ml/s-0.1ml/s，优选为 0.05ml/s，此时滴加的反应速率使溶液充分的混合均匀，滴加速率太慢会导致过氧化氢溶液在空气中被氧化分解一部分，从而影响实验的结果。

进一步地，其中步骤3)中，所述反应时间为10min-5h，优选为2h，此时水凝胶与自由基反应充分。

进一步地，其中步骤3)中，所述硫酸亚铁溶液的添加量为0.5-1ml。

进一步地，其中步骤3)中，所述自由基选自超氧阴离子自由基·O

进一步地，其中步骤3)中，所述太赫兹(THz)波是指频率在0.1—10THz (波长30μm—3mm)之间的电磁波，波段位于微波和红外之间。THz能够有效激发液态水中分子间氢键的共振，引发瞬态双折射信号，揭示水中介电敏感性分子间动力学信息，所以太赫兹对检测体系中的氢键变化有敏锐响应。由于THz光谱对检测体系内部氢键变化响应敏锐，所以水凝胶凝聚状态的轻微变化，THz即可给出强烈信号。基于此原因，通过太赫兹光谱对水凝胶内部氢键的细微变化，能够快速检测到引发水凝胶分解的自由基信号，快速高效，灵敏度高，且无需提前标记。

本发明中通过Fenton实验产生羟基自由基。比如将不同浓度的1mL H

本发明通过水凝胶的制备与筛选，自由基对水凝胶三维网络结构的破坏(自由基引发水凝胶的链式分解反应从而破坏水凝胶的三维网络结构，太赫兹对水凝胶内部氢键变化的敏锐响应，以及微电流协同催化提高自由基的检测极限)与太赫兹的灵敏响应及微电流协同催化提高自由基检测极限。本发明通过低浓度自由基引发水凝胶等聚合物发生分解反应，破坏水凝胶分子原有的三维网状氢键体系，宏观表现为水凝胶凝聚态由固态变为固液混合状态。

相比于现有技术，本发明具有以下有益效果：

1、本发明不使用自由基捕捉剂，无需标记，是一种高灵敏度、简便快速的自由基检测方法。

2、本发明利用太赫兹对氢键变化的敏锐响应，实现了低浓度自由基的检测10

3、本发明通过微电流协同检测，放大了水凝胶分解反应，加速了氢键变化，提高了自由基的检测极限，可达10

附图说明

图1是本发明实施例1中制备水凝胶模块的模具示意图；

图2是本发明实施例1中1×10

图2A为图2中的信号强度随羟基浓度变化的标准曲线；

图3是本发明实施例2中，微电流协同羟基自由基对水凝胶分解反应的太赫兹光谱，其中羟基自由基的浓度为1×10

图3A为图3中的信号强度随羟基浓度变化的标准曲线；

图4是本发明实施例2中的电催化装置图；

图5是本发明中琼脂糖水凝胶的制备以及与羟基自由基的反应原理图。

具体实施方式

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。

以下材料或试剂，如非特别说明，均为购买。

以下结合附图及实施方式进一步说明本发明，应理解为，下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。

实施例1：称取0.3g琼脂糖，加入到100ml沸水中，充分搅拌溶解，得一无色透明的水凝胶溶液A。待溶液温度降至60℃，得到乳白色半透明水凝胶B，趁热将溶液倾入标准容量(2g)的硅胶模具(图1，所述硅胶模具包括硅胶基底10以及开设于所述硅胶基底10上的多个模块，所述模块为圆形凹槽20(深度为1cm))中，每块模块中的硅胶质量约为2g，静置冷却至室温，脱模取出水凝胶模块C，置于反应容器中，滴加不同浓度的过氧化氢水溶液和1mL的1×10

实施例2：称取0.3g琼脂糖，加入到100ml沸水中，搅拌溶解。一边加热一边搅拌。待完全溶解后，加入NaCl 0.02g，待溶液温度降至60℃，趁热将溶液倾入硅胶模具(图1，所述硅胶模具包括硅胶基底10以及开设于所述硅胶基底10上的多个模块，所述模块为圆形凹槽20(深度为1cm)) 中，每块模块中的硅胶质量约为2g，静置冷却至室温，得到乳白色半透明水凝胶B。脱模取出水凝胶模块C，置于反应容器中，插入图4所示的电催化装置的一对惰性电极4，5，接通电路。配制一系列不同浓度的H

如图4所示，所述电催化装置包括恒压电位仪1、滑动变阻器2、电流表3、第一惰性电极4、第二惰性电极5，所述恒压电位仪1的正极与滑动变阻器2连接，所述滑动变阻器2连接有第一惰性电极4；所述恒压电位仪 1的负极与电流表3连接，所述电流表3与第二惰性电极5连接。在用于检测时，所述第一惰性电极4及第二惰性电极5分别插入导电水凝胶模块6。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。