量子点荧光探针可视化快速检测有机磷农药残留的方法

1.本发明涉及一种痕迹量农用化学品的分析检测方法，具体的说是一种纳米复合材料荧光开
‑
关模式可视化快速检测硫代磷酸酯型有机磷农药残留的方法。


背景技术：

2.有机磷农药是指含有磷元素的有机化合物农药，其主要用于防治植物病、虫、草害。有机磷农药(organophosphorus pesticides，ops)具有广谱性、抗药性低、成本低等优点，在我国的使用量占所有杀虫剂的比重高达70％。有机磷农药在农业生产中广泛使用，在中国，喷洒在作物上的有机磷农药只有约10％会作用于作物，约有5％会影响有害的昆虫和杂草，其余的则留在周围的环境中，包括空气、河流或地下水。有机磷农药残留严重影响我们的日常生活，必须加强有机磷农药使用的监管力度，有效改善农药残留造成的环境、农作物产品污染。因此，开发快速检测有机磷农药方法，实现对水果、蔬菜和其他农产品的高效筛查成为前沿研究热点。
3.有机磷农药残留的检测方法主要包括仪器检测法、酶抑制法、免疫法和化学传感器法等。仪器检测主要有色谱法、光谱法、电化学分析法等。仪器检测法测量准确、稳定、灵敏，但是前处理及分析过程复杂、需要专业人员操作大型昂贵仪器，难以进行快速检测。酶抑制法、免疫法等可实现快速灵敏的定性定量分析，但是所需的生物材料敏感、对温度和保存方法要求高。化学传感器法具有简单、灵敏、便携、稳定等优点，适用于快速检测农药残留，可辅助传统技术实现农产品的高效筛查。因此，化学传感器法在有机磷农药残留快速检测领域具有优良的应用前景。
4.量子点(quantum dots，qds)，是一类半径小于或接近激子玻尔半径的半导体纳米粒子，是由ⅱ～
ⅵ
族或ⅲ～
ⅴ
族元素的几百到上千个原子组成的晶体簇，其半径大约在1～10nm之间，能够接受激发光产生荧光。由于量子限域效应，量子点具有荧光量子产率高、发射峰较窄、抗光漂白性等优点。近年来，基于量子点荧光的化学传感器由于具备灵敏度高、简单快捷等优点成为前沿研究热点。目前，镉基、碳基、贵金属基、zns基等量子点材料作为荧光探针应用于有机磷农药残留快速检测领域。
5.基于镉基量子点的检测方法具有较低的检测限(约0.1nm)，因此在开发基于发光的化学传感器中，用于快速检测opps有着良好的应用前景。但是，镉基量子点的毒性较大，不适用于果蔬等实际农产品的检测，可能导致环境和农产品受到二次污染。因此，亟需开发低毒性量子点应用于快速检测opps。


技术实现要素：

6.本发明针对现有技术上的不足，旨在提供一种快速检测硫代磷酸酯型有机磷农药残留量的方法，通过制备包覆型的纳米材料降低量子点的毒性，提高荧光稳定性能和在水溶液中的分散性能，应用于硫代磷酸脂型有机磷农药的快速检测领域。通过添加磁性纳米颗粒，利用磁铁对检测废液进行回收处理，能够有效避免二次污染。
7.本发明利用荧光共振转移原理，制备量子点双硫腙(qd
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dithizone,mqd
‑
dz)系统，快速检测硫代磷酸酯型有机磷农药。量子点荧光关闭到量子点荧光开启的过程明显，紫外光下可实现可视化检测，从而实现定性的检测。量子点荧光强度与农药浓度呈一定线性关系，从而实现定量的检测。
8.本发明的技术方案主要包括荧光纳米复合材料的制备、性能检测及磁性回收以及制备量子点探针快速检测硫代磷酸酯型有机磷农药。
9.优选的，所述的量子点是一种具有荧光性能的纳米复合材料。
10.优选的，所述的碱液是naoh溶液，所述的酸是h2so4。
11.优选的，所述的猝灭剂是双硫腙。
12.优选的，所述的稳定剂是巯基乙酸。
13.本发明的实施例提供一种一种能够检测有机磷农药残留的量子点荧光探针的制备方法，所述方法包括：
14.1)cdte量子点水溶液的制备
15.将cdcl2·
2.5h2o与脱氧超纯水混合，使用n2保护，在剧烈磁力搅拌下逐滴加入巯基乙酸(mercapto acetic acid,maa)，然后使用naoh溶液将混合物的ph调至11，得到maa
‑
cdcl2溶液，以进一步使用；
16.nahte前驱体的制备，将碲粉、硼氢化钠添加到脱氧超纯水中，并将混合物在n2的保护下加热一段时间，制成紫色nahte前驱体液体；优选的，所述加热一段时间为：60℃加热30min；
17.随后将新制备的nahte前驱体液体转移到maa
‑
cdcl2溶液中，并将得到的混合物在n2的保护下加热并保持一段时间；将制备得到的cdte量子点冷却至室温，沉淀并用无水乙醇洗涤三次，然后再分散到水中，得到cdte量子点水溶液；优选的，所述加热并保持一段时间为：加热到100℃，并保持20min；
18.2)cdte@zns复合纳米材料的制备
19.在n2的保护下，取步骤1制备好的cdte量子点水溶液，往其中滴加znso4和na2s后，剧烈搅拌；通入n2并升温，加热回流，随后得到了cdte@zns量子点复合纳米材料；
20.反应完毕后冷却至室温，用无水乙醇沉淀，离心分离，将沉淀用水重新溶解，再用无水乙醇沉淀，离心分离，重复三次；得到的沉淀干燥，得到cdte@zns量子点，备用；优选的，所述干燥是在真空干燥箱60℃干燥；
21.3)能够检测有机磷农药残留的量子点荧光探针的制备
22.将步骤2得到的cdte@zns量子点用超纯水溶解，制备0.01mol/lcdte@zns量子点溶液；取cdte@zns量子点溶液加入到0.01mol/l naoh溶液中，得到cdte@zns量子点的naoh溶液，然后往上述cdte@zns量子点的naoh溶液中加入双硫腙甲醇溶液来猝灭荧光，从而得到所述能够检测有机磷农药残留的量子点荧光探针。
23.根据本发明的一种实施方式，例如，在所述步骤1)中，cdcl2·
2.5h2o与脱氧超纯水的摩尔比为0.00010
‑
0.00025：1，进一步优选为0.00018：1；
24.优选的，在所述步骤1)中，cdcl2·
2.5h2o与巯基乙酸的摩尔比为0.25
‑
1:1，进一步优选为0.5:1；
25.优选的，在所述步骤1)中，碲粉、硼氢化钠、脱氧超纯水的摩尔比为0.5
‑
1.5:1:
0.5
‑
1；进一步优选为1:1:0.5。
26.根据本发明的一种实施方式，例如，在所述步骤2)中，所述cdte量子点、znso4和na2s的比例为3:1:0.25；
27.优选的，在所述步骤2)中，所述通入n2并升温为：通入n
2 10min并升温至95℃。
28.根据本发明的一种实施方式，例如，在所述步骤3)中，优选的，双硫腙、naoh、cdte@zns量子点的比例为0.01
‑
0.05:30:0.5
‑
1.5，进一步优选为0.03:30:1；
29.优选的，在所述步骤3)中，所述cdte@zns量子点溶液与0.01mol/l naoh溶液的体积比为1：20
‑
50，进一步优选1：30。
30.本发明的实施例提供一种能够检测有机磷农药残留的量子点荧光探针，所述能够检测有机磷农药残留的量子点荧光探针采用如上所述的方法制备得到。
31.本发明的实施例提供一种检测有机磷农药残留的方法，所述方法包括：
32.1)取如上所述的能够检测有机磷农药残留的量子点荧光探针，将待测样品加入到上述能够检测有机磷农药残留的量子点荧光探针中，得到混合物，室温下，用400nm激发光照射所述混合物，若肉眼观察到荧光，则说明待测样品中含有有机磷农药残留。
33.本发明的实施例提供一种检测有机磷农药残留的方法，所述方法包括：
34.1)取如上所述的能够检测有机磷农药残留的量子点荧光探针，将待测样品加入到上述能够检测有机磷农药残留的量子点荧光探针中，得到混合物，室温下，用400nm激发光照射所述混合物，室温下利用稳态荧光光谱数据和标准曲线确定实际样品中有机磷农药的含量。
35.根据本发明的一种实施方式，例如，上述检测有机磷农药残留的方法在步骤1)之后还包括：
36.2)取氯化亚铁溶液和氯化铁溶液，混合均匀，充分搅拌获得混合的橙色透明溶液，亚铁离子与铁离子的摩尔比为1:2；使用氢氧化钠溶液作为共沉淀剂，在快速搅拌下，将氢氧化钠溶液滴入混合溶液中，调节混合溶液的ph为6；继续滴加氢氧化钠溶液，在逐滴添加过程中，初始阶段，部分与氢氧化钠接触的溶液立即产生黑色沉淀，但随着搅拌，黑色沉淀逐渐消失，当ph为11时，溶液已完全变成黑色浑浊液体；加热至50℃，反应1h后获得磁性fe3o4纳米粒子；将获得的磁性fe3o4纳米粒子分别用超纯水和乙醇洗涤，重复洗涤后，将磁性纳米颗粒置于真空干燥箱中50℃下烘干2h，最后将获得的黑色磁性fe3o4纳米粒子重新分散到超纯水中，得到磁性fe3o4纳米粒子水溶液；优选的，黑色磁性fe3o4纳米粒子与超纯水的比例为1:200；
37.向上面制备得到的黑色磁性fe3o4纳米粒子水溶液中滴加1,6
–
已二胺溶液，用稀硫酸调节溶液ph为5，即得到溶液a；向步骤1得到的含有cdte@zns的检测废液中加入溶液a后，用稀硫酸调节溶液的ph为6，随后将溶液加热至30℃，反应1h后，用磁铁吸附分离；优选的，所述黑色磁性fe3o4纳米粒子与所述1,6
–
已二胺的比例为1:5。
附图说明
38.图1是cdte量子点和cdte@zns量子点复合纳米材料荧光光谱图。
39.图2是cdte@zns量子点复合纳米材料的透射电镜照片。
40.图3是添加不同浓度的双硫腙猝灭剂，cdte@zns量子点复合纳米材料的荧光性能。
41.图4是添加不同含量的毒死蜱，cdte@zns量子点复合纳米材料的荧光性能。
42.图5是在检测废液中加入fe3o4磁性纳米材料后荧光强度变化。
具体实施方式
43.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。但本领域技术人员知晓，本发明并不局限于附图和以下实施例。
44.本发明实施例提供一种量子点荧光探针可视化快速检测有机磷农药残留的方法，所述方法包括以下操作步骤：
45.1、cdte@zns纳米复合材料的制备
46.(1)cdte量子点的制备
47.向100ml三颈烧瓶中加入0.114g cdcl2·
2.5h2o(0.5mmol)和50ml脱氧超纯水，使用n2保护，在剧烈磁力搅拌下逐滴加入66μl巯基乙酸(mercapto acetic acid,maa)。然后使用1mol/l naoh溶液将混合物的ph调至11以进一步使用。
48.nahte前驱体的制备，将0.024g碲粉，0.038g硼氢化钠添加到2ml脱氧超纯水中，并将混合物在n2的保护下60℃加热30min，制成紫色nahte前驱体液体。
49.随后将新制备的nahte前驱体液体转移到maa
‑
cdcl2溶液中，并将混合物在n2的保护下加热到100℃，并在此保持20min，以形成所需的cdte量子点。将所制备的cdte量子点冷却至室温，沉淀并用无水乙醇洗涤三次，然后再分散到50ml水中。
50.(2)cdte@zns复合纳米材料的制备
51.在n2的保护下，取上述制备好的cdte量子点水溶液30ml于100ml三颈烧瓶中，滴加10ml 0.01mol/l的znso4和10ml 0.0025mol/l na2s后，剧烈搅拌。通入n
2 10min，升温至95℃，加热回流，随后得到了cdte@zns量子点复合纳米材料。
52.反应完毕后，待冷却至室温，用无水乙醇沉淀，用离心机10000rpm离心10min，将沉淀用水重新溶解，再用无水乙醇沉淀，离心分离，重复三次。得到的沉淀在真空干燥箱60℃干燥，备用。将cdte和cdte@zns量子点溶液转移到比色皿中，在400nm的激发波长下记录稳态荧光光谱，所有测量均在室温下进行，测试结果如图1所示。由图1可知，cdte量子点的最大荧光强度(相对强度，无单位)是1.77
×
107，cdte@zns量子点的最大荧光强度是3.04
×
107。无包覆的cdte量子点的量子产率低并且荧光性质不够稳定，包覆后获得的核壳型cdte@zns量子点表面缺陷减少，其荧光强度明显高于cdte量子点。
53.图2是cdte@zns量子点复合纳米材料的透射电镜照片。从图2可以看出水相合成的cdte@zns量子点复合纳米材料分布均匀、粒径大小均一。使用nano measurer软件，对cdte@zns量子点复合纳米材料的粒径大小进行了粒径分析。从图2的粒径分布图可以看到，cdte@zns量子点复合纳米材料的大小在1nm～3nm之间，粒子大小均一，分布较均匀。制备出的cdte@zns量子点复合纳米材料粒径均一、分散性较好，没有出现明显的团聚现象。未包覆的cdte量子点在水相中的分散性较差，容易发生团聚现象。
54.2、量子点荧光探针的制备
55.为了制备用于检测硫代磷酸酯型有机磷农药的量子点探针，制备1mmol/l的双硫腙甲醇溶液，然后用3ml 10mmol/l naoh溶液稀释100μl cdte@zns水溶液，然后加入30ml双
硫腙甲醇溶液来猝灭荧光。由此得到的量子点双硫腙(qd
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dithizone,mqd
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dz)系统是用于检测opps的发光探针。
56.在cdte@zns量子点溶液中添加不同含量的双硫腙，转移到比色皿中，在400nm的激发波长下记录稳态荧光光谱，所有测量均在室温下进行。如图3所示。加入双硫腙后，cdte@zns量子点体系的荧光强度逐渐降低。随着双硫腙浓度的逐渐增加，cdte@zns量子点体系的荧光猝灭程度越高，荧光强度越低。
57.量子点检测有机磷农药的实验原理是基于荧光共振能量转移(fret)。量子点首先与猝灭剂双硫腙形成络合物，由于量子点的发射光谱与络合物的吸收光谱重叠，因此发生荧光共振能量转移，导致量子点荧光猝灭。随后将毒死蜱添加到体系中，毒死蜱在强碱性条件下迅速水解，含有p＝s键的水解产物具有更强的配位能力，因此可以代替量子点表面上的双硫腙，从而关闭了fret过程，并恢复了量子点的荧光。基于表面配体诱导的荧光共振能量转移原理，不仅可以快速检测毒死蜱，而且可以快速检测硫代磷酸酯型的有机磷农药。
58.3、快速检测硫代磷酸酯型有机磷农药
59.为了检测有机磷农药(opps)，将待测的有机磷农药加入到上述量子点双硫腙系统，然后在室温下在400nm激发波长下进行荧光检测。随着加入硫代磷酸酯型有机磷农药的浓度的增加，其荧光渐渐恢复，在紫外灯下可以看到cdte@zns纳米复合材料重新发射荧光，据此可以确立硫代磷酸酯型有机磷农药cdte@zns纳米复合材料荧光恢复强度之间的线性关系。量子点荧光关闭到量子点荧光开启的过程明显，紫外光下可实现可视化检测。将5μl已知浓度的毒死蜱农药与qds
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dz探针混合，转移到比色皿中，在400nm的激发波长下记录稳态荧光光谱，所有测量均在室温下进行，如图4所示。随着毒死蜱的浓度增加，量子点的荧光强度不断增强。根据量子点荧光是否恢复，可以定性检测是否存在农药毒死蜱。在紫外灯下，肉眼可以观察到量子点由暗到亮的变化，农药的检测限可达到20ppb即20μg/l。
60.4、实际样品中的有机磷农药检测
61.实际样品中所用的毒死蜱、辛硫磷均为硫代磷酸酯型有机磷农药。这两种有机磷农药均可在苹果中应用。分别制备含有毒死蜱、辛硫磷的苹果汁乙腈溶液。首先使用喷雾器在苹果上喷洒不同浓度有机磷农药的甲醇溶液，将其在室温下放置两天。取苹果的可食用部分并将其压碎。将20g碎苹果放入100ml锥形瓶中，并向其中加入50ml乙腈，超声分散30min，然后将其抽滤以获得含有有机磷农药的苹果汁乙腈溶液，用该溶液进行检测。空白对照样品也根据上述步骤进行处理。
62.实际样品检测，取100μl量子点溶液注入到3ml 0.01mol/l naoh溶液中，充分溶解，取30μl 1mmol/l双硫腙甲醇溶液加入到上述溶液中，充分混匀，得到量子点—双硫腙探针(qds
‑
dz探针)。将30μl含有有机磷农药的苹果汁添加到制备的qds
‑
dz探针中，室温下利用稳态荧光光谱数据和标准曲线确定实际样品中有机磷农药的含量。
63.表1.实际样品中的毒死蜱残留量检测结果
[0064][0065]
从表1中可以看出，cdte@zns量子点荧光传感体系快速检测有机磷农药毒死蜱残留的检测结果非常接近高效液相色谱法的检测结果，从而证实了本发明实施例设计的cdte@zns量子点荧光传感体系在复杂样品中的检测结果准确度高。
[0066]
表2.实际样品中的辛硫磷残留量检测结果
[0067][0068]
*1ppb＝1μg/l，1ppb＝10
‑3mg/kg。
[0069]
从表2中的结果可以看出，cdte@zns量子点荧光传感体系快速检测有机磷农药辛硫磷的残留量与高效液相色谱法检测结果非常接近，从而证实了本发明实施例设计的cdte@zns量子点荧光传感体系在复杂样品中的检测结果准确度高。
[0070]
cdte@zns量子点可应用于检测含有p＝s双键的硫代磷酸酯型农药，具有良好的抗干扰性。当毒死蜱分别与其100倍量的敌敌畏和啶虫脒共存时，cdte@zns量子点荧光增强的程度无明显差异；当在更复杂条件下时，即毒死蜱与其100倍量的敌敌畏和啶虫脒共存时，cdte@zns量子点荧光增强的程度与空白对比没有太大差异，100倍量的敌敌畏和啶虫脒不会干扰毒死蜱的荧光检测。
[0071]
5、利用磁性纳米材料回收检测废液
[0072]
用分析天平分别称量1.491g，7.5mmol fecl2·
4h2o和2.433g，15mmol fecl3，分别配置成0.15mol/l的氯化亚铁溶液和0.3mol/l的氯化铁溶液。两种溶液各取5ml，在50ml三颈烧瓶中混合，充分搅拌获得橙色混合的透明溶液，亚铁离子与铁离子的摩尔比为1:2。使用0.5mol/l的氢氧化钠溶液作为共沉淀剂。在快速搅拌下，将氢氧化钠溶液滴入混合溶液中，调节混合溶液的ph为6。在逐滴添加过程中，可以观察到在初始阶段，部分与氢氧化钠接触的溶液会立即产生黑色沉淀。但随着搅拌，黑色沉淀逐渐消失。当ph为11时，溶液已完全变成黑色浑浊液体。加热至50℃，反应1h后即可获得磁性fe3o4纳米粒子。将获得的磁性纳米粒子分别用超纯水和乙醇洗涤，重复洗涤后，将磁性纳米颗粒置于真空干燥箱中50℃下烘干2h。最后将获得的黑色磁性fe3o4纳米粒子重新分散到100ml超纯水中。
[0073]
向上面制备得到的100ml磁性fe3o4纳米粒子溶液中滴加5ml、0.05mol/l的1,6
–
已二胺溶液，用0.5mol/l稀硫酸调节溶液ph为5，即得到溶液a。向含有cdte@zns的检测废液中加入溶液a后，用0.5mol/l稀硫酸调节溶液的ph为6，随后将溶液加热至30℃，反应1h后，用
磁铁吸附分离。
[0074]
使用1,6
‑
己二胺封装fe3o4磁性纳米粒子，其表面带有正电荷，而使用巯基水相合成的cdte@zns量子点的表面带有大量负电荷。在ph为6时，磁性纳米颗粒和量子点都可以保持稳定的表面电荷，并且量子点吸附磁性纳米颗粒的能力得到增强。1,6
‑
己二胺填充在fe3o4磁性纳米粒子和cdte@zns量子点之间，通过静电作用与量子点表面的羧基紧密结合。
[0075]
如图5所示，实验后的废液仍具有较强的荧光强度，其荧光强度可达到1.25
×
106，这说明废液中含有大量的镉元素，若处理不当将会对生态环境造成污染。为回收有毒的镉元素，将fe3o4纳米材料添加到检测废液中，并用磁铁吸附分离。加入fe3o4磁性纳米粒子后，用磁铁吸附，检测上清液的荧光强度，发现几乎没有荧光，表明废液中的量子点已与fe3o4磁性纳米粒子结合，使用磁铁吸附进行固体回收而被分离除去。
[0076]
本发明的优点及积极效果
[0077]
本发明利用cdte@zns纳米复合材料特有的荧光性能设计量子点探针，利用荧光共振转移原理，快速检测硫代磷酸酯型有机磷农药，以毒死蜱为例，采用仪器检测的检测限达到10μg/l，可达到国家级食品安全检测标准。通过包覆zns降低量子点的毒性，提高荧光稳定性和水相中的分散性能。
[0078]
本发明提供的检测方法在一定程度上避免了大型仪器的使用，使用手持紫外灯即可进行可视化检测。此方法操作简单、灵敏便携、方便快速。本发明提供的检测方法可有效避免其他杂质的干扰，故可省去预处理过程，选择性良好。使用荧光增强的方式可达到对硫代磷酸酯型有机磷农药的高灵敏选择检测。
[0079]
本发明考虑到废弃的量子点可能导致环境和农产品受到二次污染，因此在检测废液中添加磁性纳米颗粒，可使用普通磁铁进行回收处理，避免对环境和农场品造成二次污染。