一种检测农药的电化学传感器、其制备方法及应用

1.本发明涉及农药残留检测技术领域，具体地说是一种检测农药的电化学传感器、其制备方法及应用。


背景技术：

2.农药在农业生产中用作杀虫剂、杀菌剂、除草剂等，它们主要保护农作物和植物免受病虫害、草害的侵害，提高农作物的产量。但农药在生产、运输、使用过程中的不当操作，都极易导致泄露和急性中毒。特别是随着农药的过量施用，在广大农作物及养殖动物体内都检测出农药残留，给人们的生产生活带来了极大的危害。有机磷农药是一类含有磷元素的有机化合物农药，约占农药使用量的近四成，可以通过抑制乙酰胆碱酯酶的活性，使人体内的乙酰胆碱(ach)因无法水解而过度积累，进而导致胆碱能神经元的过度刺激。临床表现为抽搐、癫痫并迅速发展为持续性惊厥，从而导致深层次的脑结构性损伤，几分钟内即可导致死亡。因此，加强对农药残留检测方法的研究，开发高灵敏、高准确的农药残留分析检测技术，以快速及时地监控环境和农产品中的农药残留，促进农药的科学使用，对于保护生态环境，保障人们的身体健康与生命安全具有重要意义。
3.目前，农药残留的检测方法主要有两类：传统的仪器检测分析技术和快速检测法。传统的仪器检测方法主要集中在色谱技术上，包括气相色谱法、气相/液相色谱-质谱联用法和高效液相色谱法等。它们有较高的灵敏度和稳定性，但是，常规的色谱-质谱检测等分析农药残留的技术成本较高、所需检测时间长，大多存在设备昂贵、溶剂消耗量大、不能满足现场快速检测的缺陷，因此给国家相关的食品安全监管部门对于农产品的监督工作造成了许多不便。为准确、便捷、实时快速地检测农药残留，许多快速检测方法也应运而生，其中之一就是分光光度法，但该方法具有准确度低、检测限高和灵敏度低等缺点，因此，也极大限制了分光光度法在农残检测方面的应用。因此，迫切需要在此领域开展深入的研究工作，建立快速、有效的方法分离和检测食品中的农药。


技术实现要素：

4.本发明的目的就是提供一种检测农药的电化学传感器、其制备方法及应用，该电化学传感器可实现对农药的快速和高灵敏检测，检测成本低。
5.本发明是这样实现的：本发明所提供的检测农药的电化学传感器，是由ptnps/uio-66-nh2/mwcnts纳米复合材料修饰在玻碳电极表面而成。其中，ptnps/uio-66-nh2/mwcnts纳米复合材料由简单的两步法合成：首先由一锅水热法合成uio-66-nh2/mwcnts纳米复合材料，使uio-66-nh2均匀生长在mwcnts表面；然后将ptnps原位还原在uio-66-nh2/mwcnts材料表面。
6.一锅水热法合成uio-66-nh2/mwcnts纳米复合材料的方法具体如下：
7.将zrcl4、mwcnts和nh
2-bdc加入到dmf溶液中，并加入冰乙酸，高压釜120℃反应12小时，自然冷却，离心，dmf和乙醇洗涤，获得uio-66-nh2/mwcnts材料。
8.优选的，合成uio-66-nh2/mwcnts纳米复合材料的过程中，zrcl4、mwcnts和nh
2-bdc的质量比为233:300:181。
9.在制备出uio-66-nh2/mwcnts纳米复合材料后，将uio-66-nh2/mwcnts加入到水中，超声0.5小时，得到1mg/ml的uio-66-nh2/mwcnts混悬液；然后加入1％的h2ptcl6·
6h2o，超声1小时，然后依次加入1％柠檬酸三钠溶液、新鲜配置的0.075％nabh4溶液，持续搅拌12小时，离心，乙醇洗涤，即可获得ptnps/uio-66-nh2/mwcnts纳米复合材料。
10.上述ptnps/uio-66-nh2/mwcnts纳米复合材料的制备方法中，1％h2ptcl6·
6h2o溶液与1mg/ml uio-66-nh2/mwcnts混悬液的体积比为6:100。
11.在上述技术方案的基础上，本发明提供了一种电化学传感器的制备方法，具体步骤如下：
12.将ptnps/uio-66-nh2/mwcnts材料加入水中，形成ptnps/uio-66-nh2/mwcnts悬浮液，将悬浮液滴涂到玻碳电极的表面，自然干燥，在电极表面形成一层均匀的修饰层，获得电化学传感器。
13.玻碳电极在ptnps/uio-66-nh2/mwcnts悬浮液滴涂前进行抛光清洗处理，处理方法如下：分别用1.0μm、0.3μm和0.05μm的al2o3抛光粉依次打磨玻碳电极，打磨完毕后，对电极进行水洗，洗耳球快速吹干，备用。优选的，水洗过程采用超纯水。
14.本发明所制备的电化学传感器，可用于检测农药的残留，包括但不限于有机磷农药的检测，其中，本发明所述电化学传感器对有机磷农药的选择性最好，例如甲基对硫磷。
15.本发明提供了一种利用上述方法制备的电化学传感器检测农药的方法，具体步骤如下：
16.(1)构建农药的差分脉冲伏安曲线
17.将农药用pbs缓冲液稀释成不同浓度的标椎溶液，然后将电化学传感器置于上述不同浓度的标准溶液中，恒电压下富集，使农药吸附在工作电极上，然后用差分脉冲伏安法进行检测，获得差分脉冲伏安曲线。
18.(2)构建农药浓度-电流强度标准曲线
19.以农药浓度为横坐标，差分脉冲伏安法中的电流强度为纵坐标，构建农药浓度-电流强度标准曲线。
20.(3)检测样品中的农药残留
21.将电化学传感器置于待测样品溶液中，恒电压下富集，使农药吸附在工作电极上，然后用差分脉冲伏安法进行检测，记录样品溶液的差分脉冲伏安曲线，对照农药浓度-电流强度标准曲线获得待测样品中农药的浓度。
22.上述电化学检测池为三电极体系，其中，电化学传感器为工作电极，ag/agcl(3m kcl溶液)为参比电极，铂丝电极为辅助电极，电解质溶液使用0.1m的pbs缓冲溶液。
23.以甲基对硫磷为例描述本发明所述电化学传感器的检测原理，如下：
24.mwcnts材料提供一个大的比表面积，mwcnts和uio-66-nh2对甲基对硫磷结构上的硫代磷酸酯基团具有一定特异性的亲和力，mwcnts、uio-66-nh2和ptnps的结合可协同放大整个电化学传感器的导电和灵敏性能，借助修饰电极良好的导电性，在电化学检测过程中会有明显的还原峰的出现，实现对甲基对硫磷农药的定性检测。另外，随着甲基对硫磷浓度的增加，电流强度也明显增加，从而对照标准曲线获得待测溶液中甲基对硫磷的浓度。
25.本发明使新型有机金属框架材料uio-66-nh2与碳纳米管结合，使uio-66-nh2在二维碳纳米管材料上均匀分布，增加导电率。铂纳米粒子的进一步结合可协同放大电催化信号，实现对农药的高灵敏度检测，尤其是对甲基对硫磷具有较高的特异性检测效果。本发明所提供的农药的检测方法具有操作简便，无需对待测样本进行复杂的前处理，检测成本低，检测快速，以及对检测仪器的要求低等优点。
附图说明
26.图1是本发明实施例1所制备的uio-66-nh2/mwcnts的透射电镜图。
27.图2是本发明实施例1所制备的uio-66-nh2/mwcnts的扫描电镜图。
28.图3是本发明实施例1中uio-66-nh2/mwcnts的制备方法示意图。
29.图4是本发明实施例2所制备的ptnps/uio-66-nh2/mwcnts的透射电镜图。
30.图5是本发明实施例2所制备的ptnps/uio-66-nh2/mwcnts的扫描电镜图。
31.图6是本发明实施例2中ptnps/uio-66-nh2/mwcnts的制备方法示意图。
32.图7是本发明电化学传感器检测甲基对硫磷的原理示意图。
33.图8是本发明实施例4中不同浓度甲基对硫磷农药的差分脉冲伏安曲线图。
34.图9是本发明实施例4中甲基对硫磷浓度与响应峰电流之间的标准曲线图。
35.图10是本发明实施例5中利用不同修饰材料的电化学传感器检测甲基对硫磷的差分脉冲伏安曲线图。
具体实施方式
36.首先对本发明中所出现的缩写字母的指示含义进行解释说明，如下：
[0037]“mwcnts”指的是一种多壁碳纳米管二维材料。“uio-66-nh
2”指的是一种锆基金属-有机框架材料。“ptnps”指的是铂纳米粒子，也可表示为“铂纳米颗粒”、“铂纳米材料”等。“uio-66-nh2/mwcnts”指的是一种mwcnts表面修饰有uio-66-nh2的纳米复合材料。“ptnps/uio-66-nh2/mwcnts”指的是一种uio-66-nh2/mwcnts纳米复合材料上修饰有ptnps的纳米复合材料。“ptnps/uio-66-nh2/mwcnts/玻碳电极”指的是玻碳电极上修饰有ptnps/uio-66-nh2/mwcnts纳米复合材料的电化学传感器。
[0038]
下面结合具体实施例，并参照数据进一步详细的描述本发明。以下实施例只是为了举例说明本发明，而非以任何方式限制本发明的范围。
[0039]
实施例1uio-66-nh2/mwcnts纳米复合材料的制备
[0040]
将58mg zrcl4加入到50ml dmf(n,n-二甲基甲酰胺)溶液中，超声溶解；然后加入75mg mwcnts，超声5小时；再将45mg nh
2-bdc(2-氨基对苯二甲酸)加入，并加入4.5ml冰乙酸，继续超声1小时。将以上混悬液加入高压釜120℃反应12小时，自然冷却，离心，dmf和乙醇洗涤，获得uio-66-nh2/mwcnts纳米复合材料。
[0041]
所得uio-66-nh2/mwcnts纳米复合材料的透射电镜图如图1所示，扫描电镜图如图2所示。uio-66-nh2/mwcnts纳米复合材料的制备过程如图3所示。
[0042]
实施例2ptnps/uio-66-nh2/mwcnts纳米复合材料的制备
[0043]
将10mg uio-66-nh2/mwcnts纳米复合材料加入10ml水中，超声0.5h，加入0.6ml1％h2ptcl6·
6h2o溶液，继续超声1h。然后在搅拌下依次加入1.5ml 1％柠檬酸三钠溶
液、1.5ml无水乙醇以及0.3ml新鲜配置的0.075％nabh4溶液。将以上混合溶液持续搅拌12h。离心，乙醇洗涤，获得ptnps/uio-66-nh2/mwcnts纳米复合材料。
[0044]
所得ptnps/uio-66-nh2/mwcnts纳米复合材料的透射电镜图如图4所示，扫描电镜图如图5所示。ptnps/uio-66-nh2/mwcnts纳米复合材料的制备过程如图6所示。
[0045]
实施例3电化学传感器(ptnps/uio-66-nh2/mwcnts/玻碳电极)的制备
[0046]
(1)对玻碳电极进行抛光清洗处理工作，用1.0μm、0.3μm和0.05μm的al2o3抛光粉分别打磨玻碳电极表面，打磨完毕后，用超纯水对电极进行清洗，得到如镜面的电极表面，洗耳球快速吹干以备使用。
[0047]
(2)将ptnps/uio-66-nh2/mwcnts加入水中，得到ptnps/uio-66-nh2/mwcnts悬浮液，浓度为2mg/ml；用微量移液枪移取5μl ptnps/uio-66-nh2/mwcnts悬浮液滴涂到玻碳电极的表面，最好滴在中间部位，在室温下倒置烧杯盖住电极使其自然干燥，在电极表面形成一层均匀的修饰层；在4℃冰箱内存放以便备用。
[0048]
实施例4利用电化学传感器检测甲基对硫磷的方法
[0049]
将甲基对硫磷用pbs缓冲液(0.1m)分别稀释成0.03、0.1、0.3、1.0、3.0、5.0、8.0、10.0、20.0、30.0、40.0、50.0、60.0mg/l的标椎溶液10ml，然后将实施例3制备的电化学传感器置于上述不同浓度的标准溶液中，0.3v下恒压富集6min，使得农药吸附在工作电极上，然后用差分脉冲伏安法进行检测，通过电化学平台仪器(chi750c，上海辰华仪器公司)记录并获得差分脉冲伏安曲线。
[0050]
上述电化学检测池为三电极体系，其中，将玻碳电极(gce)作为工作电极、ag/agcl(3mkcl溶液)作为参比电极、铂丝电极作为辅助电极，pbs磷酸盐缓冲液(0.1m)作为电解质溶液。在玻碳电极上修饰ptnps/uio-66-nh2/mwcnts(即实施例3制备的电化学传感器)，再将三个电极放进电解质溶液，玻碳电极接绿线，ag/agcl电极接白线，铂丝电极接红线，即组装好三电极体系，电压为-0.2～-0.8v。
[0051]
利用电化学传感器检测甲基对硫磷的原理如图7所示，利用电化学传感器检测甲基对硫磷时会产生电信号。绘制的差分脉冲伏安曲线如图8所示，随着甲基对硫磷浓度的增加，电化学差分脉冲伏安曲线的电流强度不断增加。
[0052]
以甲基对硫磷浓度为横坐标，差分脉冲伏安曲线中的电流强度响应为纵坐标，构建甲基对硫磷浓度-电流强度标准曲线，如图9所示：将图8中在电压为-0.2～-0.8v的条件下获得的甲基对硫磷差分脉冲伏安曲线利用origin操作软件绘制关于甲基对硫磷浓度与响应峰电流之间的标准曲线图，从而实现对甲基对硫磷的定量分析，另外可以获得电化学传感器的检测范围在0.03mg/l-60mg/l，该电化学传感器的检测范围0.03mg/l-60mg/l之间，检测下限达到6.8μg/l。
[0053]
在实际的样品检测过程中，将于本地超市采购的黄瓜进行破碎处理，然后进一步静置2h，过滤获得汁液，将电化学传感器置于待测黄瓜汁液(10ml)中，记录样品溶液的差分脉冲伏安曲线，结果显示，对实际样品进行的差分脉冲伏安检测未发现甲基对硫磷，说明本地超市的黄瓜不含有甲基对硫磷农药。
[0054]
实施例5不同修饰材料的电化学传感器对甲基对硫磷的检测效果
[0055]
选取裸玻碳电极、uio-66-nh2/mwcnts/玻碳电极、ptnps/uio-66-nh2/mwcnts/玻碳电极(实施例3所述电化学传感器)，其中，“uio-66-nh2/mwcnts/玻碳电极”指的是玻碳电极
上修饰有uio-66-nh2/mwcnts复合纳米材料的电化学传感器；“ptnps/uio-66-nh2/mwcnts/玻碳电极”指的是玻碳电极上修饰有ptnps/uio-66-nh2/mwcnts复合纳米材料的电化学传感器。
[0056]
将上述修饰了不同材料的电化学传感器各自置于10ml pbs缓冲液(0.1m)稀释的甲基对硫磷(10mg/l)的待检测溶液中，0.3v恒压富集6min，然后用差分脉冲伏安法进行检测，通过电化学平台仪器(chi750c，上海辰华仪器公司)记录溶液的差分脉冲伏安曲线。上述电化学检测池为三电极体系，其中，将玻碳电极(gce)作为工作电极、ag/agcl(3m kcl溶液)作为参比电极、铂丝电极作为辅助电极，pbs磷酸盐缓冲液(0.1m)作为电解质溶液。
[0057]
结果如图10所示，由不同材料修饰的电极，其导电性是不同的；相对于其它电化学传感器，本发明所述电化学传感器对甲基对硫磷的电流响应更强，检测更灵敏，检测效果更好。
[0058]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，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、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。