CN102539417A - 甲基对硫磷农药残留量的电致化学发光检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及甲基对硫磷农药残留量的电致化学发光检测装置，属于分析测试领域。甲基对硫磷农药残留量的高灵敏度、快速、高效、易于操作的检测技术的研发，一直是农药残留分析领域的一个重要关注焦点，本案聚焦于该焦点。本案装置是一种三电极电致化学发光检测装置，装置中电解池底液成分为鲁米诺/KCl溶液，工作电极为玻碳电极，在该玻碳电极的工作面上修饰有纳米二氧化锆。本案工作电极对于农药甲基对硫磷有特异敏感性，本案装置达成了针对甲基对硫磷农药残留的高感、快速的检测。
Description
技术领域
本发明涉及甲基对硫磷农药残留量的电致化学发光检测装置，属于分析测试领域。本案基于纳米氧化锆对含磷基团有很强的吸附性能，能够在鲁米诺溶液中增强其电致化学发光信号，通过制备纳米氧化锆修饰电极，构建针对甲基对硫磷的电致化学发光传感器，实现甲基对硫磷农药残留量的快速检测。
背景技术
农药残留(Pesticide residues)是在农业生产中施用农药后一部分农药直接或间接残存于谷物、蔬菜、果品、畜产品、水产品以及土壤和水体中的现象。农药残留随着农药的大量生产和广泛使用而产生，农药进入粮食、蔬菜、水果、鱼、虾、肉、蛋、奶中，造成食物污染，长期食用农药残留超标的农副产品，蓄积在人的体内，可能引起慢性中毒，导致疾病的发生，甚至影响下一代。
农药残留高灵敏度，快速的检测，是保证公共食品安全卫生的有效途径之一。有机磷农药甲基对硫磷被广泛用于小麦、玉米、大豆作物中大部分一年生和多年生阔叶杂草，因此各国政府对其在食品或果蔬中的残留都有严格的限量规定。
目前，甲基对硫磷残留的检测方法有气相色谱法、气相色谱-质谱联用法、免疫分析法、酶法、生物传感器法等。但是上述的一些仪器分析方法操作复杂，样品前处理过程繁琐，时间长，仪器的操作需要专业技术人员。因此，建立一种灵敏，快速，简单且干扰小技术方法，为检测农药残留成为一种迫切的需要。
在应用分析检测手段中，电致化学发光(Electrochemiluminescence)是在化学发光基础上发展起来的一种新的检测技术，通过电极对含有化学发光物质的体系施加一定的电压或者电流，使发光物质受激发并跃迁回基态而发出光子，因此电化学发光具有电化学优良的选择性和化学发光的高灵敏度的优点。电致化学发光技术在在生命分析，环境监测，食品分析检测等方面有着广泛的应用，基于其优良的特点主要表现为：(1)电致化学发光技术其选择性高，电致化学发光是结合电化学和化学发光两部分，因为不同的物质发生的氧化还原反应的电位是不同的，表现在循环伏安曲线上就是不同电位出现氧化还原峰，这样根据峰电位的变化可以针对不同的物质有响应曲线。(2)灵敏度高，化学发光的高灵敏度同样适用于电致化学发光，在暗盒当中产生的氧化还原反应没有外界光源的干扰，通过光电倍增管的检测，实现高灵敏度的检测。(3)实验仪器设备简单，操作该实验技术只需要相应的电化学工作站以及检测光信号的光电倍增管和信号输出系统，操作方便。(4)耗时短，响应效率高，完成一次循环伏安扫描只需要3-5分钟的时间。
鲁米诺(Luminol)化学名称为3-氨基邻苯二甲酰肼，是一种常见的化学发光试剂，近年来开始研究鲁米诺的电致化学发光性能，在一定条件下，通过扫描循环伏安法，在电极表面施加电压，溶液中的鲁米诺就会在电极表面发生氧化还原反应，这样通过一系列的转化成光信号，通过光电倍增管检测到相关信号。当溶液中存在具有电活性的有机磷农药时，由于有机磷农药参与鲁米诺的电致化学发光反应，使其电致化学发光信号增强，通过不同浓度的有机磷农药使其参与的鲁米诺电致化学发光增强信号不同，由此可以对有机磷农药进行定量分析，对样品中目标物质定量检测。
目前，在通过纳米氧化锆修饰电极富集有机磷农药在修饰电极表面，通过传统的电化学方法检测虽有报道，但是其检测灵敏度均不高，且其检测范围也很窄，电致化学发光的分析方法其高的灵敏度，宽的线性范围已经有大量文献报道，该电致化学发光分析方法普遍比传统的电化学分析方法一般高2～3个数量级；然而，针对甲基对硫磷农药残留的电致化学发光检测，尤其是通过增强鲁米诺电致化学发光来检测甲基对硫磷农药残留其技术尚未见报道。
发明内容
本发明所要解决的问题是，提供一种针对甲基对硫磷农药残留的高灵敏度、快速、简单、选择性高的检测装置。
本案通过以下方案解决上述问题，该方案详述如下：
本案的装置是基于纳米氧化锆能够吸附有机磷农药，且能够增强电致化学发光信号的检测装置，具有高灵敏度，快速，简单，选择性高等优点，能够适用于快速在线检测甲基对硫磷农药残留。
本案工作电极是进行了工作面修饰的玻碳电极，在该玻碳电极的工作面即电极表面修饰一层纳米氧化锆，使其能够稳定的固定在电极表面，在溶液中富集不同浓度的甲基对硫磷农药，用于电致化学发光分析方法检测。
仪器装置：一种检测有机磷农药残留的装置包括有电致化学发光系统，化学传感器，电解池，数据采集系统。化学传感器包括：用纳米氧化锆修饰的玻碳电极，Ag/AgCl参比电极，铂丝对电极组成的三电极系统；电解池包括检测底液，固定电极装置；电致化学发光系统包括：电化学工作站，光电倍增管以及计算机采集数据。
实验方案：工作电极是用纳米氧化锆修饰的玻碳电极，以Ag/AgCl参比电极，铂丝对电极组成三电极体系在底液中扫描循环伏安实验，同步记录电化学信号以及电致化学发光信号。
本案装置结构综合描述如下：结构中包括电解池，以及，装设于电解池下方的光电倍增管，以及，所述电解池装设在暗盒之内，以及，工作电极，以及，对电极，以及，参比电极，所述对电极是铂丝电极，所述参比电极是Ag/AgCl电极，所述工作电极是玻碳电极，该玻碳电极的工作面直径为3mm，该玻碳电极是其工作面修饰有纳米二氧化锆的玻碳电极，所述工作电极以及对电极以及参比电极的工作端的装设位置是在电解池内的电解池底液的液面以下的位置。
本案中采用的有机磷农药是甲基对硫磷，干扰物质选有结构相似的物质以及常见的农药和离子。
三电极系统中涉及到的参比电极和对电极均为微型化尺寸的电极，其电极外形是我们常见的圆柱型，以保证能够同工作电极放置于同一液面范围。
涉及到的干扰物质是常见的几种农药：噻吩磺隆，硝基苯，硫酸根离子，硝酸根离子和磷酸根离子。
本案实施方法步骤：
(1)修饰电极的制备：称取20mg的纳米氧化锆超声分散于10mL的N，N-二甲基甲酰胺(DMF)中，然后吸取10uL的该溶液滴于抛光好的电极表面，自然晾干。
(2)电致化学发光检测构件：由修饰电极，参比电极(Ag/AgCl)，对电极(铂丝电极)组成三电极体系；电解池，光电倍增管以及电化学工作站。
(3)修饰电极置于电解池中，电解池底液组成为：0.1mol/L的KCl溶液中含有1.0×10-5mol/L鲁米诺，pH值为7.0。
(4)设置适宜的扫描范围，扫描速率，灵敏度，光电倍增管负高压以及放大倍数，用于检测辅助电极和工作电极之间的电流以及产生的电致化学发光信号。
(5)数据采集系统，包含有电化学输出以及数据采集软件。
(6)数据结果输出与报告。
测定的实际样品是采集于瓜果蔬菜市场所购买的相关蔬菜水果。
本案检测原理：
在Luminol电致化学法光体系中，修饰电极在1.0×10-5mol/L鲁米诺底液中(包含0.1mol/L的KCl)，电致化学发光信号记为背景信号。在修饰电极表面吸附一定浓度的甲基对硫磷以后，将此电极置于上面相同底液中扫描电致化学发光信号。这样根据电致化学发光信号的变化值来检测甲基对硫磷的含量。
本案通过采用扫描循环伏安法(Cyclic voltammetry，CV)在修饰电极表面施加电压，这样使鲁米诺在电极表面产生氧化还原反应，在这个过程中通过光电倍增管记录产生的光强。由于电化学分析灵敏但电流信号很弱，而检测发光信号的光电倍增管很灵敏，这样结合两者优点，使其同时具有电化学分析的灵敏和检测发光信号的高灵敏，能够准确的进行检测低含量的目标物质。
本案优点在于，本案中的工作电极，具有针对甲基对硫磷的特异的敏感性，由此达成了针对甲基对硫磷的高感、快速的检测。
附图说明
图1是本发明装置的修饰电极在不同浓度的溶液中电致化学发光响应曲线；
图2是纳米氧化锆修饰电极在未吸附和吸附甲基对硫磷后电致化学发光行为。
图3是未修饰纳米氧化锆的电极在未吸附和吸附甲基对硫磷后电致化学发光行为。
具体实施方式
本发明检测农药残留甲基对硫磷的装置，由修饰电极，电解池，数据输出、采集和处理系统组成。
整个三电极体系包括工作电极，参比电极，辅助电极，各电极通过一个橡胶板固定在同一个平面上。工作电极为纳米氧化锆修饰电极，参比电极为Ag/AgCl电极，辅助电极为铂丝电极。
电解池包含检测底液，底液是0.1mol/L的KCl中含有1.0×10-5mol/L鲁米诺，pH值为7.0。
数据输出、采集系统包含有电化学工作站，光电倍增管，数据采集软件，数据传输电缆。
化学修饰传感器通过数据传输电缆与电化学工作站，光电倍增管，数据采集软件相联。
化学修饰传感器的制备以及操作方法：
(1)将玻碳电极在0.3-0.05μm的Al2O3粉末上抛光成镜面，用乙醇和二次蒸馏水超声清洗，然后将电极在0.1mol/L的KCl中含有0.001mol/LK3Fe(CN)6的溶液中扫描循环伏安实验，直到得到一个很好的氧化还原可逆峰。
(2)准确称取20mg的纳米氧化锆，散于10mL的N，N-二甲基甲酰胺(DMF)中超声30min使纳米氧化锆在DMF中分散均匀。
(3)吸取10μL纳米氧化锆-DMF的分散液滴于上述处理好的玻碳电极表面，使其均匀铺展在玻碳电极表面，然后自然晾干，约30min。
(4)将此修饰后的电极置于上述同样的0.1mol/L的KCl中含有0.001mol/LK3Fe(CN)6的溶夜中检验，检验是否修饰上纳米氧化锆。
(5)将此电极在鲁米诺(1.0×10-5mol/L)/KCl(0.1mol/L)中扫描背景信号，扫描条件分别为：扫描速率0.1V/s，扫描范围是-0.8～0.6V，光电倍增管负高压是750V，增益为3，发光信号记为I0。
(6)此修饰电极浸泡在甲基对硫磷的标准溶液中吸附240s，然后用二次蒸馏水冲洗60s，将此电极按照步骤(5)的实验条件在相同的溶液中扫描电致化学发光信号。电致化学发光信号记为Is。
(7)电极的再生：吸附过甲基对硫磷的修饰电极在扫描过电致化学发光信号后，然后将此电极在0.5mol/L的NaOH-CH3OH溶液中浸泡10min以除去吸附在电极表面的甲基对硫磷分子。
(8)定量的方法：将空白的修饰电极在不同浓度的甲基对硫磷中吸附240s后然后检测电致化学发光信号，分别记为I1，I2，I3……，然后扣除背景信号I0，得到ΔI，这样根据ΔI与对应浓度的关系得到一条线性关系。
样品的采集与处理：
(1)在蔬菜市场采集一些相关常见的蔬菜以，比如有菠菜，卷心菜等。
(2)样品的采集：将采集回来的蔬菜样品全部粉碎，然后称取500g捣碎过后的样品放入高速捣碎机中捣碎均匀，分出200g作为试样，装入到一个清洁容器中备用。
(3)称取25g捣碎均匀的试样，加入25mL二次蒸馏水搅拌2h，然后离心，取上清液。分别重复三次，合并在一起，即试液制备成功。
处理结果与输出
定量的计算方法
(1)纳米氧化锆修饰电极在鲁米诺(1.0×10-5mol/L)/KCl(0.1mol/L)中的电致化学发光信号(背景信号)I0。
(2)纳米氧化锆修饰电极在一定浓度的甲基对硫磷/KCl(0.1mol/L)中浸泡240s后用二次蒸馏水冲洗60s然后在鲁米诺(1.0×10-5mol/L)/KCl(0.1mol/L)中的电致化学发光信号Is。
(3)ΔI＝Is-I0，这样根据ΔI与对应的浓度c，以浓度为横轴，ΔI为纵轴，拟合一条线性曲线，测得实际样品的ΔI即可以求出相应的浓度。
本案装置的结构当然还包括与工作电极以及对电极以及参比电极以及光电倍增管联接的电化学工作站以及光电信号记录仪以及数据处理用微机系统等等附件。本案装置的结构也自然包括电解池中电极支架等附件。
Claims (1)
1.甲基对硫磷农药残留量的电致化学发光检测装置，该装置的结构包括电解池，以及，装设于电解池下方的光电倍增管，以及，所述电解池装设在暗盒之内，以及，工作电极，以及，对电极，以及，参比电极，所述对电极是铂丝电极，所述参比电极是Ag/AgCl电极，所述工作电极是玻碳电极，该玻碳电极的工作面直径为3mm，该玻碳电极是其工作面修饰有纳米二氧化锆的玻碳电极，该玻碳电极的工作面的修饰方法其主要步骤如下：
(1)将玻碳电极在0.3-0.05μm的Al2O3粉末上抛光成镜面，用乙醇和二次蒸馏水超声清洗，然后将电极在0.1mol/L的KCl中含有0.00l mol/L K3Fe(CN)6的溶液中扫描循环伏安实验，直到得到一个很好的氧化还原可逆峰；
(2)准确称取20mg的纳米氧化锆，散于10mL的N，N-二甲基甲酰胺(DMF)中超声30min使纳米氧化锆在DMF中分散均匀；
(3)吸取10μL纳米氧化锆-DMF的分散液滴于上述处理好的玻碳电极表面，使其均匀铺展在玻碳电极表面，然后自然晾干，约30min；
电解池中的溶液也就是电解池底液其组成是：0.1mol/L的KCl溶液中含有1.0×10-5mol/L的3-氨基邻苯二甲酰肼，该电解池底液的pH值为7.0；
所述工作电极以及对电极以及参比电极的工作端的装设位置是在电解池内的所述电解池底液的液面以下的位置；
以及，该装置的使用方法包括如下主要步骤：
A，将此工作电极在鲁米诺(1.0×10-5mol/L)/KCl(0.1mol/L)中扫描背景信号，扫描条件分别为：扫描速率0.1V/s，扫描范围是-0.8～0.6V，光电倍增管负高压是750V，增益为3，发光信号记为I0；
B，将此工作电极浸泡在甲基对硫磷的标准溶液中吸附240s，然后用二次蒸馏水冲洗60s，将此工作电极按照步骤A的实验条件在相同的溶液中扫描电致化学发光信号；该电致化学发光信号记为Is；
C，工作电极再生步骤：吸附过甲基对硫磷的工作电极在扫描过电致化学发光信号后，进行该电极的再生步骤，该步骤是将此工作电极在0.5mol/L的NaOH-CH3OH溶液中浸泡10min以除去吸附在工作电极表面的甲基对硫磷分子；
D，针对甲基对硫磷定量的步骤：将空白的工作电极在不同浓度的甲基对硫磷中吸附240s后然后检测电致化学发光信号，分别记为I1，I2，I3……，然后扣除背景信号I0，得到ΔI，这样根据ΔI与对应浓度的关系得到一条线性关系；
E，将测得的实际样品的ΔI与步骤D所述线性关系比对，得出甲基对硫磷浓度。
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