CN103267789B - 一种检测有机磷农药的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种检测有机磷农药的快速精确的方法和装置，采用单片机对温度进行控制，配合丝网印刷酶电极对有机磷类农药进行定量检测。装置包括酶传感器、便携式检测装置和恒温控制部分，酶传感器中的乙酰胆碱酯酶固定在纳米复合材料硫化镉—石墨烯修饰的丝网印刷电极的工作电极上；便携式检测装置包括：信号调理电路、单片机、液晶显示电路、晶振电路、复位电路、按键电路和转接口；恒温控制部分包括：温度传感器、加热器、单片机、固态继电器、数码管、指示灯和键盘。本发明采用模块化技术，可以实现有机磷类农药的现场快速检测，易于操作、携带方便，能够快速精确检测出农药浓度。

Description

一种检测有机磷农药的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种检测有机磷农药的快速精确的装置和方法，属于检测仪器技术领域。

背景技术

有机磷农药的大量使用不但造成环境污染，而且危害人类的健康。这类农药中，有不少具备很强的毒性，一旦进入人体，会抑制人体内胆碱酶酯的活性，影响中枢神经系统的正常工作，更严重时会导致死亡。因此，人们越来越重视有机磷农药残留的检测方法和装置。根据有机磷农药的化学特性和物理特性，目前有机磷农药检测的分析方法主要有三大类，即波普法、色谱法和酶抑制法。波普法需要特殊的显色剂，灵敏度不高，实验干扰因素多，易出现假阴性。一般只能作为定性的鉴别方法用于粗选。色谱法是目前检测有机磷农药的最主要的检测方法。色谱法存在监测速度慢、连续性差、分析成本高、二次污染和无法在线监测等缺陷。并且使用人员要经过专门的培训，操作繁琐，时间较长。因此，一般不能快速定量检测有机磷农药。

酶抑制法是根据酶抑制原理建立的一种快速的检测方法。酶抑制原理：在没有有机磷农药存在时，氯化硫代乙酰胆碱（Acetylthiocholine chloride, ATCl）在乙酰胆碱酯酶(Acetylcholinesterase, AChE)的催化作用下生成硫代胆碱（thiocholine）和乙酸(acetic acid)。硫代胆碱可在碳电极（阳极）表面氧化，失去电子。失去的电子在溶液中经工作电极形成微弱电流信号，经进一步放大被检测到。在含有有机磷的农药存在时，乙酰胆碱酯酶的活性受到抑制，硫代胆碱（thiocholine）和乙酸(acetic acid)相应的减少。目前应用酶抑制法来检测有机磷农药的方法主要有膜电极法和纸片法。具体就是将乙酰胆碱吸附在载体上（电极或纸片）上，当检测到含有有机磷农药的样品时，乙酰胆碱活性被抑制，从电流的变化或纸片的颜色变化来定性检测有机磷农药。酶抑制法最大的优点是操作简便、速度快，不需要昂贵的仪器，特别适合现场检测，易于推广普及。酶传感器采用丝网印刷技术制作，可工业化、低成本化批量生产。经文献检索发现，中国专利公开号（CN101587092，专利名称为《快速检测有机磷类农药残留的便携式电化学生物传感器》，该专利包括一次性使用的传感器电极试条和便携式检测仪器两部分。该仪器的显示结果是酶抑制率数值，不够直观。酶抑制法测有机磷农药酶的活性是很关键的，其活性的大小直接会影响结果的准确性。一般来说，温度的高低会直接影响酶的活性和稳定性，因此温度在有机磷检测农药中就显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述的技术问题，提出了一种适用于快速检测有机磷类农药浓度的装置，该装置具有检测准确度高、操作简单和成本低的特点，并且能够实现批量生产。本发明的另外一个目的是提供该装置的检测方法。

本发明的设计思路：利用酶抑制原理：氯化硫代乙酰胆碱（Acetylthiocholine chloride, ATCl）在乙酰胆碱酯酶(Acetylcholinesterase, AChE)的催化作用下生成硫代胆碱（thiocholine）和乙酸(acetic acid)。

硫代胆碱可在碳电极（阳极）表面氧化，失去电子e^-。失去的电子在溶液中经工作电极形成微弱电流信号，经过电压电流装换电路，形成了电压信号，在经过二级放大电路，放大到单片机可以处理的电压信号，由于放大作用容易产生失真，因此必须对电压信号进行滤波，单片机控制A/D转换采样，对得到的电压信号进行处理，通过待测液浓度与检测信号之间的数学模型，在LCD显示待测液的浓度。

本发明通过以下技术方案实现：

一种检测有机磷农药的装置，包括酶传感器、便携式检测装置和恒温控制部分，酶传感器中的乙酰胆碱酯酶固定在纳米复合材料硫化镉—石墨烯修饰的丝网印刷电极的工作电极上；便携式检测装置包括：信号调理电路、单片机、液晶显示电路、晶振电路、复位电路、按键电路和转接口，其中信号调理电路包括：电流-电压转换电路、二级放大电路和滤波电路，所述单片机集成数模转换和模数转换，信号调理电路的输出与单片机的模数转换引脚相连，液晶显示电路直接与单片机相连；恒温控制部分包括：温度传感器、加热器、所述单片机、固态继电器、数码管、指示灯和键盘；所述温度传感器与单片机相连，单片机的一个端口与固态继电器相连，固态继电器与加热器相连；所述数码管的显示电路、键盘的电路和指示灯与单片机直接相连。

所述的酶电极传感器，包括酶电极和转接口。酶电极采用上海易科达公司的丝网印刷电极（产品型号为AC1.W4.R2）利用新型纳米复合材料硫化镉—石墨烯进行丝网印刷电极的工作电极的修饰，并用于固定乙酰胆碱酯酶，制备好的酶电极在4°C冰箱中储存备用。转接口是因测量中需要酶电极的更换，且丝网印刷电极尺寸小，更换过程影响检测速度，设计以USB-A型公口改装的转接口，方便酶电极插拔，提高整体检测速度。酶传感器的工作电极的工作电压是由单片机的数模转换电路产生。

本发明一种检测有机磷农药的检测方法，包括如下步骤：

（1）首先利用纳米复合材料硫化镉—石墨烯对丝网印刷电极的工作电极进行修饰，具体操作过程如下：a）在丝网印刷电极的工作电极表面滴涂0.5%的壳聚糖-醋酸溶液6μL并在室温下晾干,记为CHIT/SPE工作电极；b）称取1mg CdS-G纳米复合物超声分散于1mL二次水中，超声处理5min得到1mg/mL均相分散液，取6μL该分散液滴涂在CHIT/SPE工作电极表面得到CdS-G-CHIT/SPE工作电极；c）最后在CdS-G-CHIT/SPE工作电极表面滴涂6mL AChE溶液，并在室温下晾干得到丝网印刷酶电极AChE-CdS-G-CHIT/SPE，放于4°C冰箱中储存备用；

（2）将乙酰胆碱酯酶固定在步骤（1）修饰过的工作电极上；通过键盘设定工作电极测量待测物所需要的温度，当温度达到设定值时，指示灯闪烁，开始检测；

（3）将丝网印刷电极放入含有5mL底物溶液的电解池中，并固定，开始测量，采样频率10Hz，采样时间200S，同时保存数据；

（4）将丝网印刷电极取出，浸泡在已知浓度的农药溶液中，浸泡2min，再次扎入底物溶液中；电流信号经过信号调理电路转换成能被单片机采样的标准信号，进过单片机处理，并将得到的农药浓度结果显示。

本发明具有以下优点：1.采用丝网印刷电极制作酶电极传感器，可实现低成本批量生产。2.通过多次测量的不同浓度的农药与调理电路输出的对应电压，建立一个数学模型。检测时，单片机直接调用该数学模型，显示所测地有机磷农药的浓度。3.便携检测装置采用单片机系统设计，电路简洁、集成度高，具有便捷化、小型化，且整个系统能耗低。4.配套的恒温装置，给检测提供了最佳温度条件，为酶电极检测有机磷农药提供了有利的环境，使得检测的数据更为精确。5.实际操作简单，适用于任何人群。

附图说明

图1 本发明的检测流程图；

图2 本发明的恒温控制模块结构图；

图3本发明的硬件结构图；

图4本发明的恒温模块的软件流程图；

图5本发明的检测装置图，图中：1是底物溶液容器，2是待测液容器，3是数码管显示，4是温度传感器，5是键盘，6是温度指示灯，7是电源指示灯，8是加热器，9是K3(停止键)，10是K2(测量键)，11是K1（开始键），12是电源开关，13酶传感器，14是液晶显示屏。

具体实施方式

如图1所示，信号调理电路包括电流-电压转换电路（芯片型号为OP07）、二级放大电路（芯片型号为INA129）和低通滤波电路（芯片型号为LM324）。单片机控制A/D转换采样，对得到的电压信号进行处理，通过待测液浓度与检测信号之间的数学模型，在LCD显示屏显示待测液的浓度。液晶显示电路型号为1602。

检测装置采用单片机系统设计。以低功耗的单片机作为核心，信号调理电路的输出与单片机的模数转换引脚相连，液晶显示电路直接与单片机相连。施加在酶电极的工作电极上的电压是由单片机的数模电路产生。电流信号经过信号调理电路转换成能被单片机采样的标准信号，进过单片机处理，并将得到的农药浓度显示在液晶显示屏。

恒温控制部分采用单片机系统设计。以单片机为核心，温度传感器4（DBS12B20）与单片机相连，单片机的一个端口与固态继电器相连，固态继电器与加热器8相连。数码管显示3电路、键盘5电路和指示灯与单片机直接相连。通过键盘5设定酶电极测量待测物所需要的温度。单片机根据温度传感器所测得实时温度与用户所设定的温度差，进行PID调节，由 PID 输出调节控制 PWM 脉冲的占空比，PWM 脉冲作为单片机输出控制，控制双向可控硅的通断，双向可控硅控制电热丝的加热程度，从而实现温度控制。且显示实时温度，当温度达到设定值时，发出开始检测的指示灯闪烁。

本发明具体操作如下：

1、酶传感器13制作过程：

（1）在丝网印刷电极的工作电极表面滴涂0.5%的壳聚糖-醋酸溶液6μL并在室温下晾干（记为CHIT/SPE）；

（2）称取1mg CdS-G纳米复合物超声分散于1mL二次水中，超声处理5min得到1mg/mL均相分散液，取6μL该分散液滴涂在CHIT/SPE工作电极表面得到CdS-G-CHIT/SPE；

（3）最后在丝网印刷电极的工作电极表面滴涂6mL AChE溶液，并在室温下晾干得到丝网印刷酶电极AChE-CdS-G-CHIT/SPE，放于4°C冰箱中储存备用。

（4）丝网印刷酶电极插入转接口。

2、CdS-G纳米复合物的制备过程：

（1）称取17 mg氧化石墨烯（GO）加入到含有10 mL二次蒸馏水的圆底烧瓶中。

（2）在超声的协助下，使氧化石墨烯剥离为单层氧化石墨烯，30分钟后得到均相棕色悬浮液。

（3）在磁力搅拌下向该悬浮液中缓慢加入50 mL 0.02 M Cd(NO₃)₂溶液并在常温下搅拌3小时。

（4）向烧瓶中通入H₂S气体，反应1小时后便得到黄绿色沉淀，

（5）沉淀经离心分离，并分别用二次蒸馏水、丙酮洗涤3次。

（6）在45℃下真空干燥24小时，即得到CdS-G纳米复合物。

3、检测操作：

（1）开机

  打开电源开关12，进入初始状态，电源指示灯7亮。通过键盘5设定所需温度，按下开始键11，单片机通过温度传感器测温，并在数码管上显示实时温度，达到给定温度时，绿色温度指示灯闪烁。预热完成，准备测试。

（2）测量

将丝网印刷酶电极放入含有5mL底物溶液的电解池中，并固定；按测量键10开始测量，采样频率10Hz（与CHI660B型电化学工作站同步），采样时间200S，同时保存数据；将丝网印刷酶电极取出，浸泡在已知浓度的农药溶液中，浸泡2min，再次扎入底物溶液中。

（3）停止

按停止键9按下，停止测量，液晶显示屏14显示结果。

Claims (3)

1.一种检测有机磷农药的装置，包括酶传感器、便携式检测装置和恒温控制部分，其特征在于，酶传感器中的乙酰胆碱酯酶固定在纳米复合材料硫化镉—石墨烯修饰的丝网印刷电极的工作电极上；便携式检测装置包括：信号调理电路、单片机、液晶显示电路、晶振电路、复位电路、按键电路和转接口，其中信号调理电路包括：电流-电压转换电路、二级放大电路和滤波电路，所述单片机集成数模转换和模数转换，信号调理电路的输出与单片机的模数转换引脚相连，液晶显示电路直接与单片机相连；恒温控制部分包括：温度传感器、加热器、所述单片机、固态继电器、数码管、指示灯和键盘；所述温度传感器与单片机相连，单片机的一个端口与固态继电器相连，固态继电器与加热器相连；所述数码管的显示电路、键盘的电路和指示灯与单片机直接相连。

2. 根据权利要求1所述的一种检测有机磷农药的装置，其特征在于，所述酶传感器的工作电极的工作电压是由单片机的数模转换电路产生。

3. 利用如权利要求1所述一种检测有机磷农药的装置的检测方法，包括如下步骤：

（1）首先利用纳米复合材料硫化镉—石墨烯对丝网印刷电极的工作电极进行修饰，具体操作过程如下：a）在丝网印刷电极的工作电极表面滴涂0.5%的壳聚糖-醋酸溶液6μL并在室温下晾干,记为CHIT/SPE工作电极；b）称取1mg CdS-G纳米复合物超声分散于1mL二次水中，超声处理5min得到1mg/mL均相分散液，取6μL该分散液滴涂在CHIT/SPE工作电极表面得到CdS-G-CHIT/SPE工作电极；c）最后在CdS-G-CHIT/SPE工作电极表面滴涂6mL AChE溶液，并在室温下晾干得到丝网印刷酶电极AChE-CdS-G-CHIT/SPE，放于4°C冰箱中储存备用；

（2）将乙酰胆碱酯酶固定在步骤（1）修饰过的工作电极上；通过键盘设定工作电极测量待测物所需要的温度，当温度达到设定值时，指示灯闪烁，开始检测；

（3）将丝网印刷电极放入含有5mL底物溶液的电解池中，并固定，开始测量，采样频率10Hz，采样时间200S，同时保存数据；

（4）将丝网印刷电极取出，浸泡在已知浓度的农药溶液中，浸泡2min，再次扎入底物溶液中；电流信号经过信号调理电路转换成能被单片机采样的标准信号，进过单片机处理，并将得到的农药浓度结果显示。