抗菌材料中纳米氧化锌的迁移检测分析方法
【专利摘要】抗菌材料中纳米氧化锌的迁移检测分析方法，属于分析方法技术领域，包括以下步骤：步骤（1）.纳米氧化锌食品包装材料作为样品；步骤（2）.前处理：微波消解法制备样品；直接锻烧法制备样品；浸泡法制备样品；步骤（3）.检测分析：微波消解法样品的检测分析；直接锻烧法样品的检测分析；浸泡法样品的检测分析。本方法利用直接锻烧法、微波消解法、浸泡法对样品进行了前处理，利用SEM、EDS对纳米氧化锌的形貌进行分析，采用微波消解与AAS方法相结合对纳米氧化锌含量进行了检测和分析，并且利用马尔文粒径仪对纳米氧化锌的粒径分布进行描述。结果表明本方法对于纳米氧化锌高分子聚合物产品的研究是可行的。
【专利说明】
抗菌材料中纳米氧化锌的迁移检测分析方法
技术领域
[0001] 本发明属于分析方法技术领域，具体涉及为抗菌材料中纳米氧化锌的迀移检测分 析方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，氧化锌因具有强大的抗菌效果而受到各个领域的广泛关注，在包装材料 领域，将纳米氧化锌作为添加剂或涂层添加到包装材料中使其具有抗菌能力已成为越来越 广泛的应用。然而，"纳米氧化锌可能从食品包装材料中迀移出来"产生食品安全隐患这一 问题也越来越被人们所重视。
[0003] 目前，越来越多纳米氧化锌产品被研制出来，使更多的人们在生产生活中都不可 避免的接触纳米氧化锌。由于其粒径微小和独特的理化性质，能更容易迀移并在机体深部 积蓄。纳米氧化锌可通过皮肤、呼吸道或消化道进入生物体并在体内积蓄，产生生物毒性， 因而对其生物安全性的研究也成为许多科学家的关注和研究重点，已有多国和组织开展了 对纳米氧化锌毒理学的研究。2004年，英国皇家学会在报告中提出纳米材料具有毒性，并指 出建立纳米材料毒性检测的必要性;美国伯克利市政府2006年制定相关法律，规定企业有 义务报告纳米粒子的毒性。
[0004] 迀移"表示一个扩散过程，即食品包装材料本身所含有的化学物质通过各种途径 进入到食品中的过程，科学的概括说是"从外源向食品经过亚显微过程的传质"。在食品包 装行业中，迀移检测是一个必经程序;在进行新型包装材料的引入时，EU10/2011号条例规 定，对于塑料及其他与食品接触的材料，不论其是否含有纳米材料，迀移检测都是一个必经 程序用以对特殊物质的迀移检测，检测其是否符合其最低迀移限。包装材料中化学物质迀 移受以下几个因素影响：1)包装材料(或食品接触材料）中所含化学物质的特性和浓度;2) 食品本身所具有的性质;3)包装材料的性质及与食品接触的条件;4)接触温度与时间。扩散 性小的惰性材料，产生的迀移量可能较小，而一种包装材料如果与食品发生强烈化学反应， 则通过溶解会产生较高的迀移量。所以要避免或限制向食品中发生有害迀移应先了解影响 迀移的因素。
[0005] 食品包装材料或食品餐盒等中添加的纳米材料可能会通过扩散或溶解迀移到与 其接触的食物中并且引起食品安全问题。近年来，纳米银粒子从食品包装材料中向食物中 迀移的动机及其对人类健康产生的影响已经得到初步的证实，然而关于纳米氧化锌是否会 从包装材料向食物中迀移及纳米氧化锌迀移的检测方法方面的相关文献都出现很少。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于克服上述提到的缺陷和不足，而提供。
[0007] 本发明实现其目的采用的技术方案如下。
[0008] 抗菌材料中纳米氧化锌的迀移检测分析方法，包括以下步骤： 步骤（1).纳米氧化锌食品包装材料作为样品，将其裁成4cm*4cm的样片，用超纯水冲洗 干净，自然晾干后备用； 步骤(2).前处理： (2.1) .微波消解法制备样品； (2.2 ).直接锻烧法制备样品； (2.3).浸泡法制备样品； 步骤(3).检测分析： (3.1) .微波消解法样品的检测分析： 将微波消解样品溶液引入原子吸收光谱仪，按照选定工作条件进行AAS分析;取少量进 行马尔文纳米粒径分析;所述AAS为原子吸收光谱法;所述马尔文纳米粒径分析，选取少量 前处理过的溶液进行粒径分布检测，检测出纳米粒子的粒径分布以及纳米粒径的粒子所占 百分比； (3.2) .直接锻烧法样品的检测分析： 准确称取少量锻烧法样品进行SEM、EDX仪器分析测试，利用扫描电镜和纳米粒径分析 仪对锻烧样品中氧化锌粒子的形态和粒径分布进行了表征，并观察纳米氧化锌的形态； (3.3) .浸泡法样品的检测分析： 取出浸泡法样品进行处理，水浴蒸干后得到固体迀移物后用微波消解使ZnO转化为Zn2 +，然后用AAS测定迀移物中的纳米含量，迀移物较多且不容易溶解时则采用微波消解的方 法进行处理，同时取出少量迀移物经过适当处理后做扫描电镜SEM观察迀出的纳米银的形 态，并进行马尔文纳米粒径分析;所述马尔文纳米粒径分析，选取少量前处理过的溶液进行 粒径分布检测，检测出纳米粒子的粒径分布以及纳米粒径的粒子所占百分比。
[0009] 进一步，步骤(2.1).微波消解法制备样品，包括以下步骤:准确称取0.200g样片置 于用酸加热并洗净的XP型高压消解罐中，加入质量百分数为65%的硝酸10mL、质量百分数为 30%的过氧化氢2mL，加盖，置于夹持装置中，然后放入微波消解仪，按消解程序加热;消解结 束后，将消解液冷却至常温，打开密闭的消解罐，样品液转移至洁净塑料瓶，以少量超纯水 洗涤高压消解罐和盖子3-4次，洗液合并至塑料瓶中，定容至50mL，制得微波消解样品溶液。
[0010] 进一步，步骤(2.2).直接锻烧法制备样品，包括以下步骤:称取一定质量的样片， 置于通风橱中燃烧至浓烟消失，然后转移至马弗炉以500°C灼烧2h左右，直至样品呈灰白色 并冷却，制得直接锻烧样品。
[0011] 进一步，步骤(2.3).浸泡法制备样品，包括以下步骤:按照国家标准对食品包装材 料的浸泡通则，采用的食品模拟物为蒸馏水、4%乙酸溶液、正己烷，分别作为接触水类、酸 类、油类的三种食品模拟液;准确称取18g样片，分别浸泡于150ml三种食品模拟液，用封口 膜将所用的广口瓶密封，至于恒温水浴锅中于选定温度下恒温贮存若干天，作为浸泡法样 品。
[0012]进一步，步骤(3.3).将每种食品模拟液选定30°(：，45°(：，60°(：三个温度，且分别 在每个温度的3天、5天、7天及10天时各取一点，比较三种食品模拟液中纳米银迀移情况。 [0013]本方法首先针对纳米氧化锌高分子聚合物的研究方法进行了探索。利用直接锻烧 法、微波消解法、浸泡法对样品进行了前处理，利用SEM、EDS对纳米氧化锌的形貌进行分析， 采用微波消解与AAS方法相结合对纳米氧化锌含量进行了检测和分析，并且利用马尔文粒 径仪对纳米氧化锌的粒径分布进行描述。结果表明本方法对于纳米氧化锌高分子聚合物产 品的研究是可行的。
【附图说明】
[0014] 图1是纳米氧化锌食品包装材料的SEM; 图2是纳米氧化锌食品包装材料的EDS; 图3是30°C时三种食品模拟液中的纳米银迀移情况比较图； 图4是45°C时三种食品模拟液中的纳米银迀移情况比较图； 图5是60°C时三种食品模拟液中的纳米银迀移情况比较图； 图6是不同温度条件时水类食品模拟液中纳米银的迀移情况比较图； 图7是不同温度条件时酸类食品模拟液中纳米银的迀移情况比较图； 图8是不同温度条件时油类食品模拟液中纳米银的迀移情况比较图； 图9是迀移出的纳米氧化锌的形貌图； 图10是迀移出的纳米氧化锌粒径分布图。
【具体实施方式】
[0015] 下面结合附图，对本发明作进一步详细说明。
[0016] 本方法在国内外研究的基础之上，将氧化锌的研究方法和食品接触用材料的安全 性研究方法相结合，对食品接触用纳米氧化锌抗菌材料进行迀移研究，即纳米氧化锌迀移 影响因素的研究和纳米氧化锌检测方法的建立。
[0017] 本方法以纳米氧化锌包装材料为研究对象。氧化锌作为广谱性杀菌材料，随着纳 米技术的开发与应用使得纳米氧化锌粒子具有比普通粒子更优异的抗菌性能，但与此同时 也存在更严重的安全隐患。而目前有关于对纳米氧化锌的系统的科学的研究方法的相关文 献相对较少，因此，纳米氧化锌作为当代应用较广泛的一种纳米抗菌材料来说，其迀移研究 是非常具有代表性。
[0018] 本方法选取了市场上较为常见的添加纳米氧化锌的抗菌材料--纳米氧化锌包 装材料作为研究对象，进行如下研究： 主要研究内容如下： 1、 纳米氧化锌纳米材料中的形态、尺寸和含量分析； 2、 食品接触用纳米材料中纳米颗粒迀移规律和迀移量的影响因素； 3、 迀移出的纳米颗粒的形态、尺寸和含量分析； 4、 建立包装材料中纳米粒子的检测方法;建立纳米添加剂迀移量的检测方法。
[0019] 2.聚丙烯纳米材料中纳米氧化锌的迀移研究。
[0020] 仪器设备： CEMMARS微波消解仪(CEM，美国），配置XP型高压消解罐、温度/压力-时间监控装置； ICE3000Series原子吸收光谱仪(ThermScientific，美国）； 扫描电镜 SEM/EDS(HitachiSU8010FE-SEM，Hitachi，Tokyo, Japan; TEAMApolloXLEDSEDAX，USA); 马尔文Nano_S90纳米粒度分析仪，英国Malvan公司； 样品与试剂： 本实验所用的所有试剂均为优级纯试剂，实验用水均为超纯水； 纳米氧化锌抗菌材料(聚丙稀PP材质，上海，中国）； 超纯水(超纯水机制备）； 乙酸； 无水乙醇； 正己烷； 硝酸； 过氧化氢； 抗菌材料中纳米氧化锌的迀移检测分析方法，包括以下步骤： (1) .纳米氧化锌食品包装材料作为样品，将其裁成4cm*4cm的样片，用超纯水冲洗干 净，自然晾干后备用； (2) .前处理： (2.1) .微波消解法制备样品：准确称取0.200g(精确至O.OOOlg)样片置于用酸加热并 洗净的XP型高压消解罐中，加入质量百分数为65%的硝酸10mL、质量百分数为30%的过氧化 氢2mL，加盖，置于夹持装置中，然后放入微波消解仪，按消解程序加热;消解结束后，将消解 液冷却至常温，打开密闭的消解罐，样品液转移至洁净塑料瓶，以少量超纯水洗涤高压消解 罐和盖子3-4次，洗液合并至塑料瓶中，定容至50mL，制得微波消解样品溶液； (2.2) .直接锻烧法制备样品:称取一定质量的样片，置于通风橱中燃烧至浓烟消失，然 后转移至马弗炉以500°C灼烧2h左右，直至样品呈灰白色并冷却，制得直接锻烧样品； (2.3) .浸泡法制备样品：按照国家标准对食品包装材料的浸泡通则，采用的食品模拟 物为蒸馏水、4%乙酸溶液、正己烷，分别作为接触水类、酸类、油类的三种食品模拟液;准确 称取18g样片，分别浸泡于150ml三种食品模拟液，用封口膜将所用的广口瓶密封，至于恒温 水浴锅中于选定温度下恒温贮存若干天，作为浸泡法样品； (3) .检测分析： (3.1).微波消解法样品的检测分析： 将微波消解样品溶液引入原子吸收光谱仪，按照选定工作条件进行AAS分析;取少量进 行马尔文纳米粒径分析。
[0021 ]所述AAS为原子吸收光谱法。
[0022] 所述马尔文纳米粒径分析，选取少量前处理过的溶液进行粒径分布检测，检测出 纳米粒子的粒径分布以及纳米粒径的粒子所占百分比。
[0023] 检测结果与分析:随同样品进行空白试验，制备微波消解空白溶液和微波消解标 准系列溶液。根据AAS对微波消解后的样品进行检测，可以得出样品中氧化锌含量为90ug/g 塑料，即90ppm，与生产厂家给出的含有200ug/g含量相差较大。
[0024]马尔文Nano_S90纳米粒度分析仪使用动态光散射技术(DLS)测量样品中粒子的布 朗运动，通过已建立的理论拟合实验原始数据，得到粒子的粒径和分布。马尔文Nan〇-S90纳 米粒度分析仪通过数量、体积、光强三个尺度来表征纳米材料的粒径。三种尺度的放大级数 不一样，数量〈体积〈光强。本方法中采用的数据均为在光强尺度下，纳米材料的粒径分析结 果。
[0025]通过本小节的分析，可以断定，实验所用的市售纳米氧化锌抗菌材料中含有纳米 氧化锌颗粒，将样品通过微波消解法进行处理后，测得其中所含的纳米氧化锌的质量含量 为90ppm/g塑料。
[0026] (3.2).直接锻烧法样品的检测分析： 准确称取少量锻烧法样品进行SEM、EDX仪器分析测试，利用扫描电镜和纳米粒径分析 仪对锻烧样品中氧化锌粒子的形态和粒径分布进行了表征，并观察纳米氧化锌的形态。
[0027] 检测结果与分析：图1是纳米氧化锌食品包装材料的SEM;图2是纳米氧化锌食品包 装材料的H)S。从图1和图2中可以发现，灰分中的纳米氧化锌呈柱状形态，但大小不等，容易 聚团，颗粒大小50nm到400nm不等。柱状纳米氧化锌表面具有更多的光催化活性点、更有效 的杀灭细菌，具有更好的抗菌性能，因此商家更倾向选择柱状形态的纳米氧化锌粒子添加 到包装材料中。
[0028] 利用扫描电镜和纳米粒径分析仪对灰分中氧化锌粒子的形态和粒径分布进行了 表征。图3为纳米氧化锌粒径分布图；表1为纳米氧化锌粒径分布表。
[0029] 表1纳米氧化锌粒径分布
结果表明，氧化锌粒子的形态为柱状，尽管纳米氧化锌粒子的粒径并不完全相同，但不 同粒径大小的粒子数量呈正态分布，平均粒径别为199.05nm。
[0030] (3.3).浸泡法样品的检测分析： 取出浸泡法样品进行处理，水浴蒸干后得到固体迀移物后用微波消解使ZnO转化为Zn2 +，然后用AAS测定迀移物中的纳米含量，迀移物较多且不容易溶解时则采用微波消解的方 法进行处理，同时取出少量迀移物经过适当处理后做扫描电镜SEM观察迀出的纳米银的形 态，并进行马尔文纳米粒径分析。
[0031] 所述马尔文纳米粒径分析，选取少量前处理过的溶液进行粒径分布检测，检测出 纳米粒子的粒径分布以及纳米粒径的粒子所占百分比。
[0032] 将每种食品模拟液选定30°C，45°C，60°C三个温度，且分别在每个温度的3天、5 天、7天及10天时各取一点，比较三种食品模拟液中纳米银迀移情况。
[0033]检测结果与分析： 利用原子吸收光谱仪和实验条件对浸泡法样品进行测定。纳米氧化锌食品包装材料中 纳米氧化锌的迀移量的影响因素很多，主要包括食品模拟液种类、浸泡温度、浸泡时间等， 本方法就选取这三个主要因素来进行研究。
[0034] (3.3.1).食品模拟液种类对纳米氧化锌迀移量的影响： 图3、4和5 即为在选定食品模拟液:水类、酸类、油类食品模拟液(水、4%乙酸、正己烷） 中，不同温度条件(30 °C、45 °C、60 °C )时纳米氧化锌的迀移量随时间变化的关系曲线。容易 得出如下结论:一定的时间范围内，在相同的食品模拟液中和相同时间条件下，温度越高， 纳米氧化锌的迀移量越大。在相同的温度条件和时间条件下，三种食品模拟液中纳米氧化 锌的迀移量的大小关系为:正己烷>4%乙酸〉水，即油类食品〉酸类食品〉水类食品。
[0035]这个结论与食品接触用高分子材料中其他有毒有害物质的迀移情况是相同的。正 己烷所模拟的油类食品属于有机类食品，根据相似相溶原理，有机物对高分子聚丙烯肯定 存在溶胀作用(实验现象中也发现这一点，在正己烷中浸泡一段时间后，包装材料发生了轻 微的变形，聚丙烯被溶胀后容易将包覆其中的纳米氧化锌颗粒释放出来）。4%乙酸所模拟的 是酸类食品，酸性环境本身对锌离子具有溶解反应作用，因此容易理解为什么酸类食品中 纳米氧化锌的迀出量也比较大。
[0036]研究表明，高分子材料表层的纳米氧化锌颗粒首先释放，而随后释放的是样本内 部的氧化锌粒子，内部粒子的释放需要跨越许多晶体层结构的阻挡。在塑料中，层间区域中 的水和有机分子可以改变整体的结晶状态。
[0037] (3.3.2).浸泡温度对纳米氧化锌迀移量的影响。
[0038] 选定30°C、45°C、60°C三种温度条件来进行比较研究。图6、7、8即为在选定食品模 拟液:水类、酸类、油类食品模拟液中，不同温度条件时纳米氧化锌的迀移量随时间变化的 关系曲线。容易得出如下结论:一定的时间范围内，在相同的食品模拟液中和相同时间条件 下，温度越高，纳米氧化锌的迀移量越大。
[0039] (3.3.3).浸泡时间对纳米氧化锌迀移量的影响。
[0040]本方法选择在10天之内每组实验各取4个点来进行比较研究。由图3-8,容易得出 如下结论:在同种食品模拟液中，同种温度条件下，浸泡时间越长，纳米氧化锌的迀移量越 大。
[0041 ] (3.3.4).迀出纳米氧化锌形貌与粒径分布。
[0042]各种实验条件下的纳米氧化锌的迀移量都已经在图3-8中表现出来。根据以上三 个小节的分析，在本实验中，选取特定食品模拟液4%乙酸、特定温度条件下，浸泡15天时的 样品中迀移出的纳米氧化锌为代表，进行迀移出纳米氧化锌的形貌和粒径分析，结果如图 9、图10、表2，由图可知，迀移出的纳米氧化锌以柱状形态存在，颗粒大小不等，在50nm- 300nm之间，平均粒径为214. lnm，迀移出的纳米粒子容易团聚在一起，因此在进行纳米氧化 锌毒理学及其他研究时，应要考虑到纳米粒子团聚的因素。
[0043] 表2迀移出的纳米氧化锌粒径分布
本发明首先针对纳米氧化锌高分子聚合物的研究方法进行了探索。利用直接锻烧法、 微波消解法、浸泡法对样品进行了前处理，利用SEM、EDS对纳米氧化锌的形貌进行分析，采 用微波消解与AAS方法相结合对纳米氧化锌含量进行了检测和分析，并且利用马尔文粒径 仪对纳米氧化锌的粒径分布进行描述。结果表明本方法对于纳米氧化锌高分子聚合物产品 的研究是可行的。
[0044]本发明按照实施例进行了说明，在不脱离本原理的前提下，本装置还可以作出若 干变形和改进。应当指出，凡采用等同替换或等效变换等方式所获得的技术方案，均落在本 发明的保护范围内。
【主权项】
1. 抗菌材料中纳米氧化锌的迀移检测分析方法，其特征在于，包括以下步骤： 步骤（1).纳米氧化锌食品包装材料作为样品，将其裁成4cm*4cm的样片，用超纯水冲洗 干净，自然晾干后备用； 步骤(2).前处理： (2.1) .微波消解法制备样品； (2.2 ).直接锻烧法制备样品； (2.3).浸泡法制备样品； 步骤(3).检测分析： (3.1) .微波消解法样品的检测分析： 将微波消解样品溶液引入原子吸收光谱仪，按照选定工作条件进行AAS分析;取少量进 行马尔文纳米粒径分析;所述AAS为原子吸收光谱法;所述马尔文纳米粒径分析，选取少量 前处理过的溶液进行粒径分布检测，检测出纳米粒子的粒径分布以及纳米粒径的粒子所占 百分比； (3.2) .直接锻烧法样品的检测分析： 准确称取少量锻烧法样品进行SEM、EDX仪器分析测试，利用扫描电镜和纳米粒径分析 仪对锻烧样品中氧化锌粒子的形态和粒径分布进行了表征，并观察纳米氧化锌的形态； (3.3 ).浸泡法样品的检测分析： 取出浸泡法样品进行处理，水浴蒸干后得到固体迀移物后用微波消解使ZnO转化为Zn2 +，然后用AAS测定迀移物中的纳米含量，迀移物较多且不容易溶解时则采用微波消解的方 法进行处理，同时取出少量迀移物经过适当处理后做扫描电镜SEM观察迀出的纳米银的形 态，并进行马尔文纳米粒径分析;所述马尔文纳米粒径分析，选取少量前处理过的溶液进行 粒径分布检测，检测出纳米粒子的粒径分布以及纳米粒径的粒子所占百分比。2. 如权利要求1所述的抗菌材料中纳米氧化锌的迀移检测分析方法，其特征在于，步骤 (2.1) .微波消解法制备样品，包括以下步骤:准确称取0.200g样片置于用酸加热并洗净的 XP型高压消解罐中，加入质量百分数为65%的硝酸10mL、质量百分数为30%的过氧化氢2mL， 加盖，置于夹持装置中，然后放入微波消解仪，按消解程序加热;消解结束后，将消解液冷却 至常温，打开密闭的消解罐，样品液转移至洁净塑料瓶，以少量超纯水洗涤高压消解罐和盖 子3-4次，洗液合并至塑料瓶中，定容至50mL，制得微波消解样品溶液。3. 如权利要求1所述的抗菌材料中纳米氧化锌的迀移检测分析方法，其特征在于，步骤 (2.2) .直接锻烧法制备样品，包括以下步骤:称取一定质量的样片，置于通风橱中燃烧至浓 烟消失，然后转移至马弗炉以500°C灼烧2h左右，直至样品呈灰白色并冷却，制得直接锻烧 样品。4. 如权利要求1所述的抗菌材料中纳米氧化锌的迀移检测分析方法，其特征在于，步骤 (2.3) .浸泡法制备样品，包括以下步骤:按照国家标准对食品包装材料的浸泡通则，采用的 食品模拟物为蒸馏水、4%乙酸溶液、正己烷，分别作为接触水类、酸类、油类的三种食品模拟 液;准确称取18g样片，分别浸泡于150ml三种食品模拟液，用封口膜将所用的广口瓶密封， 至于恒温水浴锅中于选定温度下恒温贮存若干天，作为浸泡法样品。5. 如权利要求4所述的抗菌材料中纳米氧化锌的迀移检测分析方法，其特征在于，步骤 (3.3) .将每种食品模拟液选定30 °C，45 °C，60 °C三个温度，且分别在每个温度的3天、5天、 7天及10天时各取一点，比较三种食品模拟液中纳米银迀移情况。
【文档编号】G01N15/02GK105973767SQ201610477636
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年6月27日
【发明人】关荣发, 刘佳, 吴知盼, 王彦波, 刘明启, 曹国洲
【申请人】中国计量大学