CN103713029A

CN103713029A - 用于农药西维因检测的电化学发光传感器及其制备方法

Info

Publication number: CN103713029A
Application number: CN201310699994.6A
Authority: CN
Inventors: 王坤; 杜晓娇; 钱静
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2013-12-19
Filing date: 2013-12-19
Publication date: 2014-04-09
Anticipated expiration: 2033-12-19
Also published as: CN103713029B

Abstract

本发明涉及一种基于钴酞菁模拟酶性质、乙醇淬灭特性的农药西维因电化学发光方法的建立，属于电化学发光传感领域。首先利用简单的平衡吸附法制备了钴酞菁和石墨烯氧化物的复合材料（GO-CoPc）；然后将其修饰在玻碳电极表面，利用复合材料的模拟酶性质和信号放大作用，以luminol为发光剂，乙醇为信号淬灭剂构建电化学发光传感平台；进一步在体系中加入不同浓度的西维因标准溶液进行测定，得到西维因浓度和电化学发光强度之间的对应关系，建立了灵敏检测农药西维因的传感平台。本发明旨在发明一种制备工艺简单，灵敏度高、检测成本低的电化学发光西维因传感器。

Description

用于农药西维因检测的电化学发光传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种利用钴酞菁模拟酶性质、乙醇淬灭发光信号特性构建检测平台的电化学发光传感器及其制备方法，尤其涉及用于农药西维因检测的电化学发光传感器及其制备方法，属于电化学发光传感领域。

背景技术

西维因（Carbaryl），又名甲萘威，化学名1-萘基-Ｎ-甲基氨基甲酸酯，与有机磷农药混用对多种农作物害虫有明显的增效作用，可用于141种作物，防治565种害虫，是一种被广泛应用的氨基甲酸酯类杀虫剂。自1953年由美国联碳公司首次合成以来，受到了世界上多数国家的青睐，至今仍为氨基甲酸酯类杀虫剂的大吨位品种。西维因的大量使用有效解决了农作物的病虫害难题，成为农作物增收的重要保证。但由于西维因在土壤、水果、粮食等介质中具有良好的残效和内吸作用，使得西维因通过食物链在人体内累积，能够抑制胆碱酯酶的活性使乙酰胆碱在组织中蓄积，从而给人类带来严重的健康问题，主要表现为流涎、恶心、流泪、瞳孔缩小、视力模糊、痉挛等，甚至造成致畸、慢性神经中毒等危害，带来了非常严峻的食品安全和环境污染问题。因此，如何简便、快速、灵敏地测定西维因残留量已成为迫在眉睫的重要研究课题。

目前食品、饲料中西维因的传统检测方法主要依靠气相色谱法、液相色谱法、固相萃取-液相色谱法、液相色谱质谱联用技术、毛细管电泳法等。但因其技术含量高（需要专业人员进行操作）、分析周期长、设备昂贵且需要特殊的测试环境，所以不易推广。为了满足大量样品的现场快速检测要求，基于西维因生化特性制得的各种酶试剂盒和速测卡不断推出，但调查研究表明，许多速测卡的灵敏度、重现性不高但是检测成本较高，因此多数仅用于西维因残留的初步定性筛选。因此，建立简便、快速、准确和高效的西维因残留检测方法，对于解决由西维因残留超标引起的食品安全和环境污染，甚至由此涉及的经济贸易等问题具有重要意义。

石墨烯是由碳六元环组成的二维周期蜂窝状点阵结构，它可以翘曲成零维的富勒烯，卷成一维的碳纳米管或者堆垛成三维的石墨，因此石墨烯是构成其他碳材料的基本单元。石墨烯材料还兼具石墨和碳纳米管的一些优良性质，例如高热导性和高机械强度。但未功能化的石墨烯的水溶性较差，而且极易通过层层堆积形成类石墨，因此，构造石墨烯复合材料是解决这些问题并充分驾驭石墨烯优良性能的有效途径。另一方面，金属酞菁能催化生物分子的氧化反应，具有模拟酶的作用，在溶液体系中可以催化溶解氧产生活性氧基团，但其主要的缺点是水溶性较差。因此，可以利用石墨烯具有较大的比表面积、丰富的官能团以及大面积sp²杂化轨道碳结构等性质将其作为优良的载体与金属酞菁复合。目前的研究表明，金属酞菁/石墨烯纳米复合材料可以展现出优异的物理化学性能，一方面，所制备的复合材料可以兼具石墨烯和金属酞菁的各自的性能优点；另一方面，因石墨烯与金属酞菁的相互作用而衍生出许多新的性能。

本发明首先利用平衡吸附法成功制备了氧化石墨烯-钴酞菁（GO-CoPc)纳米复合材料，并基于钴酞菁（CoPc)的模拟酶的性质首次构建了可用于西维因灵敏检测的电化学发光传感器，建立了西维因标准浓度和电化学发光（ECL）强度之间的对应关系，实现了简单、灵敏、快速检测西维因这一典型农药的目的。

发明内容

本发明旨在提供一种制备工艺简单、检测灵敏度高、成本低廉的电化学发光传感器。首先，采用平衡吸附法制备了GO-CoPc复合材料；其次，基于CoPc模拟酶性质将复合材料修饰在玻碳电极表面构建传感器，并将传感器置于鲁米诺-乙醇溶液中构建电化学发光传感体系。最后，通过加入不同浓度西维因建立西维因浓度与ECL强度之间的对应关系，绘制ECL方法灵敏检测西维因的标准曲线。

本发明提供一种基于CoPc模拟酶性质、乙醇淬灭特性的农药西维因电化学发光方法：首先，以钴酞菁和氧化石墨为原料，1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐([BMIM]PF₆)离子液体为溶剂，采用平衡吸附法制备了GO-CoPc；然后将其修饰到玻碳电极（GCE）表面，与甘汞电极、铂电极构成三电极体系，在鲁米诺（luminol）溶液中可以采集到较强的ECL信号；加入乙醇之后，由于乙醇的淬灭作用使得ECL信号显著降低，并在特定浓度使得ECL信号得到最大限度的淬灭；此时，向发光体系中加入不同浓度的西维因发现ECL强度随着西维因浓度的增加而增强。在一定浓度范围内，西维因浓度与ECL信号强度呈现良好的线性关系，由此构建了灵敏检测西维因的电化学发光传感器。

本发明中农药西维因检测传感器制作方法，包括以下几个步骤：

（1） GO-CoPc复合材料的制备：将CoPc和GO加入到离子液体[BMIM]PF₆中，超声10 h，离心，半透膜中水洗至溶剂[BMIM]PF₆完全去除，而后真空干燥制得GO-CoPc纳米复合材料，备用。

（2）玻碳电极（GCE）表面预处理：将GCE电极依次用氧化铝粉末进行打磨处理，循环伏安法测量电极，将电极置于5 mmol/L铁氰化钾溶液，在－0.2 ~ 0.6 V扫描，峰电位差在110 mV以下表明电极预处理完成；然后依次在乙醇、二次蒸馏水中超声清洗，氮气吹干备用。

（3）电化学发光传感器界面的修饰过程：将GO-CoPc纳米复合材料分散在二次水中，超声至完全分散；用微量注射器移取上述分散液滴涂到玻碳电极表面，室温干燥得到GO-CoPc修饰的玻碳电极，记为GO-CoPc/GCE。

其中，步骤（1）中所述的CoPc、GO和离子液体 [BMIM]PF₆的比例为：100 mg : 10 ~ 25 mg : 30 mL。

其中，步骤（2）中所述的氧化铝粉末粒径为1 μm、0.05 μm。

其中，步骤（3）中所述的GO-CoPc纳米复合材料和二次水的用量比为2 mg : 0.5 ~ 2 mL；所述的滴涂到玻碳电极表面的分散液为5 ~ 10 μL。

按照上述方法制备的电化学发光传感器用于检测农药西维因的残留量，具体方法如下：

西维因浓度与电化学发光信号之间的对应关系：将GO-CoPc/GCE置于PBS缓冲溶液和luminol溶液的混合液中，设置光电倍增管高压为800 V,以铂丝电极为对电极，Ag/AgCl电极为参比电极进行循环伏安扫描；接着加入无水乙醇将ECL信号淬灭；再从小到大加入不同浓度的西维因收集ECL信号，根据不同浓度的西维因对应的ECL信号强度建立标准曲线。

其中，所述PBS缓冲溶液浓度为0.1mol/L、pH 为 7.4，luminol溶液浓度为0.01mol/L，其中0.01mol/L luminol溶液用0.1 mol/L的氢氧化钠溶液溶解luminol得到；所述混合液中luminol的浓度为0.1 ~ 0.3 mmol/L；所述循环伏安扫描的电位扫描范围为－0.5 ~ 0.7 V，扫描速度为100 mV/s；所述加入的无水乙醇为按每5mL的PBS溶液加入450μL；所述加入的西维因的浓度为2×10^－13~ 5×10^－9 mol/L。

本发明的有益效果在于：

（1）本发明利用离子液体作为溶剂，通过分子间的物理作用成功制备了GO-CoPc复合材料，GO的引入为农药西维因的检测提供了信号放大的平台。

（2）本发明利用乙醇作为自由基清除剂，淬灭光信号，形成了分子开关，为简便、灵敏、高效的农药检测提供可能。

（3）本发明首次构建了用于检测农药西维因的电化学发光传感器，制备工艺简单，具有灵敏度高、检出限低、检测成本低等优点。

附图说明

图1（A）为GO，（B）为GO-CoPc的透射电镜图；

图2中（A）为西维因浓度与电化学发光信号强度之间的对应关系，（B）为检测西维因的标准曲线；

具体实施方式：

下面结合具体实施实例对本发明做进一步说明，以使本领域技术人员更好地理解本发明，但本发明的保护范围并不局限于以下实施例。

实施例1：

（1）石墨烯氧化物-酞菁复合材料的制备：

GO-CoPc复合材料的制备方法为，将100 mg CoPc和10 mg GO分别加入到30 mL离子液体（[BMIM]PF₆）中，超声10 h，离心，半透膜中水洗至溶剂[BMIM]PF₆完全去除，而后60 ^oC真空干燥制得GO-CoPc纳米复合材料，备用。

（2）玻碳电极（GCE）表面预处理：

将GCE电极依次用粒径为1 μm、0.05 μm的氧化铝粉末进行打磨处理，循环伏安法测量电极置于5 mmol/L 铁氰化钾溶液，在－0.2 ~ 0.6 V扫描，峰电位差在110 mV以下表明电极预处理完成，然后依次在乙醇、二次蒸馏水中超声清洗，氮气吹干备用。

（3）电化学发光传感器界面的修饰过程：

将2 mg GO-CoPc纳米复合材料分散在0.5 mL二次水中，超声振荡得到均一的分散液。用微量注射器移取5 μL上述分散液滴涂到GCE表面，室温干燥得到GO-CoPc修饰的玻碳电极（GO-CoPc/GCE)。

实施例2：

（1）石墨烯氧化物-酞菁复合材料的制备：

GO-CoPc复合材料的制备方法为，将100 mg CoPc和16 mg GO分别加入到30 mL离子液体（[BMIM]PF₆）中，超声10 h，离心，半透膜中水洗至溶剂[BMIM]PF₆完全去除，而后60 ^oC真空干燥制得GO-CoPc纳米复合材料，备用。

（2）玻碳电极（GCE）表面预处理：

（3）电化学发光传感器界面的修饰过程：

将2 mg GO-CoPc纳米复合材料分散在1.0 mL二次水中，超声振荡得到均一的分散液。用微量注射器移取6 μL上述分散液滴涂到GCE表面，室温干燥得到GO-CoPc修饰的玻碳电极（GO-CoPc/GCE)。

实施例3：

（1）石墨烯氧化物-酞菁复合材料的制备：

GO-CoPc复合材料的制备方法为，将100 mg CoPc和25 mg GO分别加入到30 mL离子液体（[BMIM]PF₆）中，超声10 h，离心，半透膜中水洗至溶剂[BMIM]PF₆完全去除，而后60 ^oC真空干燥制得GO-CoPc纳米复合材料，备用。图1（A）为GO，（B）为GO-CoPc的透射电镜图，由图可以看出CoPc吸附在GO的表面，表明复合材料成功制备。

（2）玻碳电极（GCE）表面预处理：

将GCE电极依次用粒径为1 μm、0.05 μm的氧化铝粉末进行打磨处理，循环伏安法测量电极置于5 mmol/L铁氰化钾溶液，在－0.2 ~ 0.6 V扫描，峰电位差在110 mV以下表明电极预处理完成，然后依次在乙醇、二次蒸馏水中超声清洗，氮气吹干备用。

（3）电化学发光传感器界面的修饰过程：

将2 mg GO-CoPc纳米复合材料分散在2 mL二次水中，超声振荡得到均一的分散液。用微量注射器移取10 μL上述分散液滴涂到GCE表面，室温干燥得到GO-CoPc修饰的玻碳电极（GO-CoPc/GCE)。

实施例4：ECL方法检测西维因及标准曲线绘制

西维因浓度与电化学发光信号之间的对应关系：将GO-CoPc/GCE置于5 mL 浓度为0.1 mol/L PBS ( pH = 7.4）+ 50 μL luminol（0.01 mol/L）溶液中，设置光电倍增管高压为800 V,以铂丝电极为对电极，Ag/AgCl电极为参比电极进行循环伏安扫描。电位扫描范围为－0.5 ~ 0.7 V，扫描速度为100 mV/s；接着加入450 μL的乙醇将ECL信号淬灭；再依次加入0.2 pmol/L，0.4 pmol/L，1 pmol/L，5 pmol/L，60 pmol/L，1 nmol/L，3 nmol/L和5 nmol/L的西维因收集ECL信号，根据不同浓度的西维因对应的ECL信号强度建立标准曲线。

实施例5：ECL方法检测西维因及标准曲线绘制

西维因浓度与电化学发光信号之间的对应关系：将GO-CoPc/GCE置于5 mL 0.1 mol/L PBS ( pH = 7.4）+ 100 μL luminol（0.01 mol/L）溶液中，设置光电倍增管高压为800 V,以铂丝电极为对电极，Ag/AgCl电极为参比电极进行循环伏安扫描，。电位扫描范围为－0.5 ~ 0.7 V，扫描速度为100 mV/s；接着加入450 μL的乙醇将ECL信号淬灭；再依次加入0.2 pmol/L，0.4 pmol/L，1 pmol/L，5 pmol/L，60 pmol/L，1 nmol/L，3 nmol/L和5 nmol/L的西维因收集ECL信号，根据不同浓度的西维因对应的ECL信号强度建立标准曲线。

图2中（A）为西维因浓度与电化学发光信号强度之间的对应关系，（B）为检测西维因的标准曲线，图2表明检测的线性范围为2×10^－13~ 5×10^－9 mol/L。

实施例6：ECL方法检测西维因及标准曲线绘制

西维因浓度与电化学发光信号之间的对应关系：将GO-CoPc/GCE置于5 mL 0.1 mol/L PBS ( pH = 7.4）+ 150 μL luminol（0.01 mol/L）溶液中，设置光电倍增管高压为800 V,以铂丝电极为对电极，Ag/AgCl电极为参比电极进行循环伏安扫描。电位扫描范围为－0.5 ~ 0.7 V，扫描速度为100 mV/s；接着加入450 μL的乙醇将ECL信号淬灭；再依次加入0.2 pmol/L，0.4 pmol/L，1 pmol/L，5 pmol/L，60 pmol/L，1 nmol/L，3 nmol/L和5 nmol/L的西维因收集ECL信号，根据不同浓度的西维因对应的ECL信号强度建立标准曲线。

Claims

1. 用于农药西维因灵敏检测的电化学发光传感器，其特征在于，所述传感器由氧化石墨烯-钴酞菁纳米复合材料修饰在玻碳电极表面构建而成。

2. 用于农药西维因灵敏检测的电化学发光传感器的制备方法，其特征在于，按照以下步骤进行：

（1） GO-CoPc复合材料的制备：将CoPc和GO加入到离子液体[BMIM]PF₆中，超声10 h，离心，半透膜中水洗至溶剂 [BMIM]PF₆完全去除，而后真空干燥制得GO-CoPc纳米复合材料，备用；

（2）玻碳电极（GCE）表面预处理：将GCE电极依次用氧化铝粉末进行打磨处理，循环伏安法测量电极，将电极置于5 mmol/L铁氰化钾溶液，在－0.2 ~ 0.6 V扫描，峰电位差在110 mV以下表明电极预处理完成；然后依次在乙醇、二次蒸馏水中超声清洗，氮气吹干备用；

3. 根据权利要求1所述的用于农药西维因灵敏检测的电化学发光传感器，其特征在于，步骤（1）中所述的CoPc、GO和离子液体 [BMIM]PF₆的比例为：100 mg : 10 ~ 25 mg : 30 mL。

4. 根据权利要求1所述的用于农药西维因灵敏检测的电化学发光传感器，其特征在于，步骤（2）中所述的氧化铝粉末粒径为1 μm、0.05 μm。

5. 根据权利要求1所述的用于农药西维因灵敏检测的电化学发光传感器，其特征在于，步骤（3）中所述的GO-CoPc纳米复合材料和二次水的用量比为2 mg : 0.5 ~ 2 mL；所述的滴涂到玻碳电极表面的分散液为5 ~ 10 μL。

6. 根据权利要求1所述的用于农药西维因灵敏检测的电化学发光传感器，其特征在于，按照上述方法制备的电化学发光传感器用于检测农药西维因的残留量，具体方法如下：

将GO-CoPc/GCE置于PBS缓冲溶液和luminol溶液的混合液中，设置光电倍增管高压为800 V,以铂丝电极为对电极，Ag/AgCl电极为参比电极进行循环伏安扫描；接着加入无水乙醇将ECL信号淬灭；再从小到大加入不同浓度的西维因收集ECL信号，根据不同浓度的西维因对应的ECL信号强度建立标准曲线。

7. 根据权利要求5所述的用于农药西维因灵敏检测的电化学发光传感器，其特征在于，所述PBS缓冲溶液浓度为0.1mol/L、pH 为 7.4，luminol溶液浓度为0.01 mol/L，其中0.01mol/L的 luminol溶液用0.1 mol/L的氢氧化钠溶液溶解luminol得到；所述混合液中luminol的浓度为0.1 ~ 0.3 mmol/L；所述循环伏安扫描的电位扫描范围为－0.5 ~ 0.7 V，扫描速度为100 mV/s；所述加入的无水乙醇为按每5mL的PBS溶液加入450 μL；所述加入的西维因的浓度为2×10^－13~ 5×10^－9 mol/L。