CN109916864A - 水中稳定的荧光金属-有机骨架化合物的制备及检测有机磷农药的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水中稳定的荧光金属‑有机骨架化合物的制备及检测有机磷农药的方法。本发明利用高价态金属离子四价锆离子与疏水性有机配体1,2,4,5‑四(4‑羧苯基)苯的羧基配位结合，并以苯甲酸作为结构调节剂，合成了在水中可保持结构稳定的荧光金属‑有机骨架化合物。本发明兼具光致发光和高吸附性能，将荧光金属‑有机骨架化合物与含有有机磷农药的样品溶液混合或滴加于蔬菜样品表面，测量反应溶液的荧光强度或者将蔬菜样品置于紫外灯下直接观察荧光强度，即可快速检测样品中或蔬菜样品表面残留的有机磷农药。本发明检测有机磷农药稳定性好、灵敏度高，为有机磷农药的快速检测提供了一种具有良好前景的技术。

Description

水中稳定的荧光金属-有机骨架化合物的制备及检测有机磷 农药的方法

技术领域

本发明属于农药残留快速检测技术领域，具体涉及一种水中稳定的荧光金属-有机骨架化合物材料的制备及其在有机磷农药快速检测中的应用。

背景技术

农药是农业生产中重要的生产资料，其在防治农作物病、虫、草害，减少农业损失、保证食物供给方面发挥着重要的作用。有机磷农药作为一类品种多样、药效强力、性能稳定的杀虫剂被广泛应用。据估算，全球有机磷农药使用量约占各类农药使用总量的38％。随着有机磷农药的长期、广泛使用，有机磷农药残留对公共卫生、环境保护以及食品安全的影响引起了人们的高度关注和重视。农药残留超标污染环境、影响食品安全，会对人体健康造成急性、亚急性或者慢性危害。对不同基质(如：食品、水、土壤)中有机磷农药残留量做出快速、准确分析，是监控有机磷农药残留量、防止农药残留超标危害环境和食品安全的有效手段之一。到目前为止，传统的仪器分析方法如色谱法、色谱-质谱联用法等仍然是有机磷农药残留检测的“金标准”方法。这些方法发展成熟，准确度高、重现性好，但由于仪器庞大且昂贵，检测耗时长、试剂耗费大，需要专业技术人员操作，只能在具备特定条件的实验室内进行检测，难以满足大量样品的现场、快速检测需求。

近年来，随着纳米技术的发展，研究人员制备出多种多样、性能优异的纳米材料，为有机磷农药快速检测技术的发展提供了新的机遇。金属-有机骨架(Metal-OrganicFrameworks，MOFs)化合物，也称为多孔配位聚合物，是一类由无机金属离子与有机配体构筑的新型多孔晶体材料。MOFs制备简单、成本低廉，具有比表面积大、吸附性能好、孔隙尺寸可调、能发荧光等优点。因同时兼具多种优良的物理和化学性质，MOFs材料在有机磷农药的检测中具有良好的应用前景。然而，由于MOFs材料是由金属离子与有机配体通过配位键结合形成，多数MOFs材料的配位键遇水后易发生水解，导致MOFs材料在水中或者潮湿环境中不稳定，孔道结构坍塌，只在无水条件下使用才能保持其良好性能，难以在有机磷农药的实际检测中推广应用。因此，急需开发可在水溶液中稳定存在的MOFs材料。

发明内容

为了解决背景技术中的问题，本发明提供了一种基于水中稳定的荧光金属-有机骨架化合物(Zr-LMOF材料)的有机磷农药快速检测方法，合成的Zr-LMOF材料在水中可保持结构稳定，能用于水溶液中有机磷农药的快速、灵敏检测。

基于高价态金属离子与有机配体形成的配位键会更强，且疏水性有机配体能阻隔水分子进入金属-有机骨架化合物材料，利用高价态金属离子四价锆离子(Zr⁴⁺)与疏水性有机配体1,2,4,5-四(4-羧苯基)苯(H₄TCPB)配位结合，并以苯甲酸(benzoic acid)作为结构调节剂，调控Zr-LMOF晶体材料结构形貌，形成了水中稳定、荧光强度高、长度约为1μm、宽度约为30nm的棒状Zr-LMOF材料，使Zr-LMOF材料兼具光致发光和高吸附性能，提高了其快速检测水溶液中有机磷农药的稳定性和灵敏度。

本发明采用的技术方案如下：

一、一种基于水中稳定的荧光金属-有机骨架化合物的制备方法

包括以下步骤：

S1：称取四氯化锆、1,2,4,5-四(4-羧苯基)苯和苯甲酸(ZrCl₄、H₄TCPB和benzoicacid)超声溶解于水(H₂O)与二甲基甲酰胺(DMF)的混合溶剂中；

S2：将步骤S1得到的反应混合物转入含有聚四氟乙烯内衬的50mL反应釜中，于120℃反应48小时；

S3：将步骤S2合成反应结束得到的白色浑浊液体温度降至25℃，然后过滤得到白色晶体粉末，将白色晶体粉末分别用DMF清洗1次、甲醇(methanol)清洗2次，最后在60℃烘箱中干燥过夜得到所需的Zr-LMOF材料。

所述Zr-LMOF材料主要由高价态金属离子与疏水性有机配体的羧基(-COOH)通过较强的配位键配位结合组成；

所述Zr-LMOF材料主要由碳、氧和锆三种元素组成，EDS能谱分析测出除了H元素之外的碳、氧和锆的质量百分比分别为52.53％、27.80％和19.67％。

所述高价态金属离子为四价锆离子Zr⁴⁺，Zr⁴⁺由ZrCl₄提供，ZrCl₄纯度为99.99％。

所述疏水性有机配体为H₄TCPB。

所述的-COOH由有机配体H₄TCPB提供，H₄TCPB纯度为98％。

所述Zr-LMOF材料的晶体呈棒状，长度约为1μm，宽度约为30nm。

所述疏水性有机配体用于与锆离子形成较强的配位键且阻隔水分子进入Zr-LMOF材料，从而提高了Zr-LMOF材料在水溶液中的稳定性。

所述步骤S1中H₂O为超纯水，DMF纯度为99％。

所述步骤S1中的benzoic acid作为步骤S2合成反应时的结构调节剂，benzoicacid纯度为99.5％。

所述步骤S1中ZrCl₄、H₄TCPB和benzoic acid的称取量分别为100mg、140mg、5400mg；所述步骤S1中H₂O与DMF按体积比1:2组成混合溶剂，混合溶剂的体积为32mL。

所述的Zr-LMOF材料保存方法为：置于密闭聚乙烯离心管中4℃避光保存。

所述的Zr-LMOF材料荧光性质使用荧光共聚焦显微镜和酶标仪表征。

所述的Zr-LMOF材料的形貌使用扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)表征。

所述的Zr-LMOF材料的元素种类与含量使用能谱分析。

所述的Zr-LMOF材料在水中的稳定性使用粉末X射线衍射以及氮气等温吸附/脱附分析。

所述的Zr-LMOF材料的热稳定性使用热重分析表征。

所述的Zr-LMOF材料的吸附能力、比表面积及孔径分布使用Autosorb IQ全自动比表面与孔隙度分析仪测试分析。

所述的Zr-LMOF材料结构如图7所示。

图7中球棍模型可见，褐色表示锆原子，红色表示氧原子，黑色表示碳原子，由此可见锆、氧、碳形成了Zr-LMOF材料的晶体结构。

二、一种基于上述Zr-LMOF材料的有机磷农药快速检测方法

1)水溶液中农药含量的快速检测方法如下：将5μg/mL的Zr-LMOF材料悬浮液与含有农药的样品液混合，充分振荡，静置反应3分钟，最后通过酶标仪测量反应液中Zr-LMOF材料的荧光强度判定样品液中农药含量；

上述反应体系中，农药浓度越大，Zr-LMOF材料的荧光被淬灭越多，酶标仪检测到的荧光越弱。Zr-LMOF材料的荧光强度LI与农药浓度的对数值Log(C/ppm)呈负相关，将荧光强度LI与农药浓度的对数值Log(C/ppm)拟合得线性回归方程。

2)蔬菜表面农药残留量的快速检测方法如下：将10μL的5μg/mL的Zr-LMOF材料悬浮液滴加于蔬菜表面，静置反应10分钟，最后通过在紫外灯下观察蔬菜表面可视化检测结果判定蔬菜表面农药残留量。

在本发明技术方案下实验中发现，所述Zr-LMOF材料的晶体粉末分散于水中后在紫外灯下发出明亮的蓝色荧光；Zr-LMOF材料受到激发光激发后，光致激发电子由激发态跃迁至基态，产生荧光；农药分子与Zr-LMOF材料结合后，光致激发电子由激发态转移至农药分子，Zr-LMOF材料荧光减弱或熄灭，即Zr-LMOF材料的荧光被农药淬灭。

所述荧光金属-有机框架(Zr-LMOF材料)的荧光强度LI与农药浓度的对数值Log(C/ppm)呈负线性相关。

作为优选，Zr-LMOF材料使用终浓度的范围为0.1～1μg/mL。

本发明的有益效果：

1)本发明利用ZrCl₄与H₄TCPB，并以benzoic acid作为结构调节剂，合成了水中稳定的Zr-LMOF材料。该Zr-LMOF材料在水中浸泡24小时后仍能保持其结构的完整性和荧光性质。

2)利用有机磷农药可淬灭Zr-LMOF材料荧光这一现象可直接快速检测有机磷农药。Zr-LMOF材料的高吸附性能可富集样品中的痕量有机磷农药，这一富集效应与该Zr-LMOF材料的强荧光共同提高了快速检测的灵敏度。

3)基于本发明的Zr-LMOF材料对模型目标物甲基对硫磷进行快速检测，检测的线性范围为70μg Kg^-1至5.0mg Kg^-1，检测限为0.115μg Kg^-1(3σ/S)，低于欧盟规定的最大残留限量(蔬菜和水果：0.01mg Kg^-1，木本坚果0.02mg·Kg^-1)。

附图说明

图1为Zr-LMOF材料的合成及其用于有机磷农药残留快速检测的示意图。

图2为Zr-LMOF材料的晶体粉末及分散于水中后分别在日光和紫外光下的照片。

图3为Zr-LMOF材料的形貌表征、元素种类和含量分析以及荧光共聚焦显微表征图。3(A)L为Zr-LMOF材料的扫描电镜图；3(B)为Zr-LMOF材料的透射电镜图；3(C)为Zr-LMOF材料的能谱图；3(D)为Zr-LMOF材料的荧光共聚焦显微表征图。

图4为Zr-LMOF材料在水中的稳定性、热稳定性、吸附性能及孔径分布测试分析图。4(A)为Zr-LMOF材料在水中的稳定性测试分析图；4(B)为Zr-LMOF材料的热稳定性测试分析图；4(C)为Zr-LMOF材料的吸附性能测试分析图；4(D)为Zr-LMOF材料的孔径分布测试分析图。

图5为使用Zr-LMOF材料快速检测甲基对硫磷的荧光响应及线性回归方程。5(A)为Zr-LMOF材料快速检测甲基对硫磷的荧光响应图；5(B)为Zr-LMOF材料的荧光强度与甲基对硫磷浓度对数值的线性回归方程拟合图。

图6为利用Zr-LMOF材料模拟蔬菜表面有机磷农药残留的快速检测。6(A)为使用Zr-LMOF材料模拟生菜表面有机磷农药残留的快速检测；6(B)为使用Zr-LMOF材料模拟豆角表面有机磷农药残留的快速检测。

图7为荧光Zr-LMOF材料晶体结构的球棍模型图。

具体实施方式

为了更好地说明本发明的目的、技术方案及优点，下面将结合附图和具体实施实例对本发明作进一步说明。应当理解，本文所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明的实施例如下：

实施例1

如图1所示，利用ZrCl₄与H₄TCPB，并以benzoic acid作为结构调节剂，合成水中稳定的Zr-LMOF材料。

S1：称取100mg ZrCl₄、140mg H₄TCPB和5400mg benzoic acid，将ZrCl₄、H₄TCPB和benzoic acid超声溶解于32mL由H₂O与DMF组成的混合溶剂(H₂O与DMF体积比为1:2)。将反应物转入50mL含有聚四氟乙烯内衬的反应釜中，于120℃反应48小时。

S2：反应结束后，待反应得到的白色浑浊液体降至室温，然后过滤，得白色晶体粉末。

S3：将上述白色晶体粉末先后分别用DMF清洗1次、methanol清洗2次。然后，烘箱中60℃干燥过夜。制备好的Zr-LMOF材料置于密闭聚乙烯离心管中，4℃避光保存。

如图2所示，制备好的Zr-LMOF晶体材料为白色粉末，该粉末及分散于水中后在紫外灯下发出明亮的蓝色荧光。

实施例2

对Zr-LMOF材料进行形貌表征，元素种类和含量分析以及荧光共聚焦显微表征。

1)形貌表征：利用扫描电子显微镜和透射电子显微镜对Zr-LMOF材料进行形貌表征，结果如图3(A)和图3(B)所示，该Zr-LMOF晶体材料呈棒状，长度约为1μm，宽度约为30nm。

2)元素种类和含量分析：分析结果如图3(C)所示，该Zr-LMOF材料由C、O和Zr三种元素组成，质量百分比分别为52.53％、27.80％和19.67％。

3)荧光共聚焦显微表征：如图3(D)所示，Zr-LMOF晶体材料发出明亮荧光。

实施例3

对Zr-LMOF材料在水中的稳定性、热稳定性、吸附性能以及孔径分布进行测试分析。

1)利用粉末X射线衍射表征Zr-LMOF晶体结构及其在水中浸泡24小时后结构是否发生变化，如图4(A)所示，测试结果显示，浸泡前后的Zr-LMOF材料的X射线衍射峰的位置及峰形非常吻合，表明水中浸泡24小时后Zr-LMOF材料仍保持晶体结构完好。

2)利用热重分析测试Zr-LMOF材料的热稳定性，如图4(B)所示，Zr-LMOF材料在400℃以下可保持结构稳定。

3)利用氮气等温吸附/脱附测试Zr-LMOF材料的吸附性能，如图4(C)所示，氮气饱和吸附量为345.0cm³g^-1，BET法分析得Zr-LMOF材料的比表面积为1044.7m²g^-1。同时，该测试结果还显示，与未浸泡的Zr-LMOF材料相比，水中浸泡24小时后的Zr-LMOF材料的吸附/脱附曲线基本不变，该结果再次表明水中浸泡24小时后Zr-LMOF材料仍保持孔隙结构完好。

4)利用Autosorb IQ全自动比表面与孔隙度分析仪测试孔径分布，结果如图4(D)所示，大部分微孔孔径约为0.59nm。

实施例4

利用Zr-LMOF材料快速检测水溶液中的有机磷农药甲基对硫磷。

S1：将Zr-LMOF材料用超纯水分散，超声振荡5min，配制成5μg/mL水溶液备用。

S2：向96孔酶标板的样品孔中加入90μL含有农药的样品液以及10μL的5mg/mL Zr-LMOF材料水分散液，充分振荡，静置反应3分钟。

S3：将酶标仪激发光波长设定为300nm，发射光波长设定为400nm，测定反应样品中Zr-LMOF材料的发光强度。

S4：每个样品平行做3次。

测试结果：

如图5(A)所示，随着甲基对硫磷的终浓度由0增加至5.0ppm(由低至高，依次为0、70ppb、80ppb、90ppb、0.10ppm、0.20ppm、0.30ppm、0.40ppm、0.50ppm、0.60ppm、0.70ppm、0.80ppm、0.90ppm、1.0ppm、2.0ppm、3.0ppm、4.0ppm及5.0ppm)，Zr-LMOF材料的发光强度逐渐减弱。

如图5(B)所示，将Zr-LMOF材料的发光强度LI与甲基对硫磷的浓度的对数值Log(C/ppm)拟合，得线性回归方程LI＝-3940.06Log C+3088.62，线性相关系数r²为0.998，检测线性范围为70μg Kg^-1至5.0mg Kg^-1。根据3σ/S(σ为最低浓度70μg Kg^-1时的标准偏差，S为校准曲线的斜率)计算得检测限为0.115μg Kg^-1。

实施例5

自来水、雨水、河水、豆角等4种基质中的添加回收试验。

S1：向自来水、雨水、河水、豆角中分别添加农药，甲基对硫磷的3档添加浓度分别为0.05ppm、0.5ppm和5ppm。

S2：自来水、雨水、河水样品直接取样检测。豆角样品取5g，加入25mL甲醇-水溶液(体积比，甲醇:水＝7:3)、1g NaCl提取农药，然后过滤备用。

S3：向96孔酶标板的样品孔中分别加入90mL含有农药的基质样品液以及10μL的5mg/mL Zr-LMOF材料悬浮液，充分振荡，静置反应3分钟。

S4：将酶标仪激发光波长设定为300nm，发射光波长设定为400nm，测定反应液中Zr-LMOF材料的荧光强度。

S5：每个样品平行做3次。

S6：根据测定的LI和线性回归方程计算回收率、相对标准偏差。

测试结果：如下表1所示，4种基质的添加回收试验回收率在77.6％至106.5％之间，相对标准偏差在3.76％至24.0％。添加回收试验结果满意。

表1添加回收试验结果

注：添加浓度是向样品中添加已知量的农药后计算得到的农药浓度；检测浓度是添加农药后用本方法检测出的浓度结果。添加回收试验用于验证方法的可靠性。

实施例6

利用Zr-LMOF材料快速检测蔬菜表面的农药残留。

在生菜表面涂覆浓度为0.1ppm的甲基对硫磷溶液，同时，设置不含农药的空白对照样品。将10μL的10μg/mL MOF材料悬浮液滴加于涂覆农药的位置，静置反应10分钟。最后，紫外灯下观察检测斑点的荧光明暗程度，判定检测结果。

在豆角表面不同位置分别涂覆浓度为0.01、0.02、0.1、0.2、0.5、0.8、1、2、5以及10ppm的甲基对硫磷溶液，同时，设置不含农药的空白对照点。将10μL的10μg/mL Zr-LMOF材料悬浮液滴加于涂覆农药的位置，静置反应10分钟。最后，紫外灯下观察检测斑点的荧光明暗程度，判定检测结果。

测试结果：如图6(A)所示，在生菜表面，涂覆浓度为0.1ppm的样品点与空白点的荧光明亮程度差异明显；如图6(B)所示，在豆角表面，随着涂覆甲基对硫磷的浓度从0.01ppm增加至2ppm，Zr-LMOF材料的荧光强度逐渐减弱。当涂覆甲基对硫磷的浓度为5ppm时，Zr-LMOF材料的荧光被完全淬灭。

以上结果表明，该水中稳定的Zr-LMOF材料在农药残留的检测时可快速产生可视化检测结果，具有极大的应用潜能。

Claims (10)

1.一种水中稳定的荧光金属-有机骨架化合物，其特征在于，所述荧光金属-有机骨架化合物主要由高价态金属离子与疏水性有机配体的羧基通过配位键配位结合形成。

2.根据权利要求1所述的一种水中稳定的荧光金属-有机骨架化合物，其特征在于，所述高价态金属离子为四价锆离子，疏水性有机配体为1,2,4,5-四(4-羧苯基)苯。

3.根据权利要求1所述的一种水中稳定的荧光金属-有机骨架化合物，其特征在于，所述荧光金属-有机骨架化合物主要由碳、氧和锆三种元素组成，碳、氧和锆的质量百分比分别为52.53％、27.80％和19.67％。

4.根据权利要求1所述的一种水中稳定的荧光金属-有机骨架化合物，其特征在于，所述荧光金属-有机骨架化合物的晶体呈棒状。

5.一种水中稳定的荧光金属-有机骨架化合物的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：称取四氯化锆、1,2,4,5-四(4-羧苯基)苯和苯甲酸超声溶解于水与二甲基甲酰胺组成的混合溶剂中；

S2：将步骤S1得到的反应混合物转入含有聚四氟乙烯内衬的50mL反应釜中，于120℃反应48小时；

S3：将步骤S2合成反应结束后得到的白色浑浊液体温度降至25℃，然后过滤得到白色晶体粉末，将白色晶体粉末分别用二甲基甲酰胺清洗1次、甲醇清洗2次，最后在60℃烘箱中干燥过夜得到所需的荧光金属-有机骨架化合物。

6.根据权利要求1所述的一种水中稳定的荧光金属-有机骨架化合物的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中的苯甲酸作为步骤S2中Zr-LMOF材料合成时的结构调节剂。

7.根据权利要求1所述的一种水中稳定的荧光金属-有机骨架化合物的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，四氯化锆、1,2,4,5-四(4-羧苯基)苯、苯甲酸的称取量分别为100mg、140mg、5400mg；所述步骤S1中水与二甲基甲酰胺的体积比为1:2，混合溶剂的体积为32mL。

8.基于权利要求1～7所述的金属-有机骨架化合物的有机磷农药快速检测方法，其特征在于：

1)水溶液中农药含量的快速检测方法如下：将5μg/mL浓度的荧光金属-有机骨架化合物水分散液与含有农药的样品液混合，充分振荡，静置反应3分钟，最后通过测量样品液中荧光金属-有机骨架化合物的荧光强度判定样品液中农药含量；

2)蔬菜表面农药残留量的快速检测方法如下：将5μg/mL浓度的荧光金属-有机骨架化合物水分散液滴加于蔬菜表面，静置反应10分钟，最后通过在紫外灯下观察蔬菜表面检测斑点的荧光强弱判定蔬菜表面农药残留量。

9.根据权利要求8所述的有机磷农药快速检测方法，其特征在于：所述金属-有机骨架化合物的晶体粉末分散于水中后在紫外灯下发出明亮的蓝色荧光。

10.根据权利要求9所述的有机磷农药快速检测方法，其特征在于：

所述荧光金属-有机骨架化合物的荧光强度与农药浓度的对数值呈负线性相关。