CN110108679A - 一种基于铜掺杂碳纳米点的有机磷农药无酶比率荧光检测新方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及纳米材料、催化及化学传感技术领域，提供了一种基于铜掺杂碳纳米点的有机磷农药无酶比率荧光检测新方法。本发明采用无水氯化铜、三（羟甲基）氨基甲烷及L‑多巴为起始原料通过一步水热法合成了具有良好稳定性及仿过氧化物酶活性的荧光铜掺杂碳纳米点，利用铜掺杂碳纳米点的仿过氧化物酶活性催化过氧化氢氧化邻苯二胺生成荧光氧化态分子2,3‑二氨基酚嗪，从而在375 nm和555 nm处产生铜掺杂碳纳米点自身及2,3‑二氨基酚嗪两个荧光发射峰。两个波长处的荧光强度比值与有机磷农药浓度成线性关系，从而实现了有机磷农药的无酶比率荧光检测。该传感器构建方法简单易行，无需使用生物酶、受探针浓度、环境因素影响小，具有线性范围宽、灵敏度高的优点。

Description

一种基于铜掺杂碳纳米点的有机磷农药无酶比率荧光检测新 方法

技术领域

本发明涉及纳米材料、催化及化学传感技术领域，具体涉及一种检测有机磷农药的方法。

背景技术

有机磷农药是目前我国生产和使用最多的一类农药，有机磷类农药在农产品、水和土壤等环境中的残留直接导致食物中毒和环境污染，因此，发展快速灵敏的有机磷农药残留检测新技术和新方法，加强对农产品、环境样品农药残留的监测，对于保证食品安全及保护生态环境均具有重要的理论和现实意义。

色谱技术如气相色谱法、高效液相色谱法、气相色谱-质谱法、液相色谱-质谱法等已广泛应用于有机磷农药的测定，但色谱法检测周期较长，对操作人员技术要求较高，不适于现场快速检测和高通量样品筛选。荧光传感器以荧光信号的变化为检测手段，具有方便快捷、灵敏高、选择性好的优点，特别是近年来随着纳米技术的迅猛发展，多种纳米材料被应用于构建荧光传感器，显著提高了荧光传感器的灵敏性和响应速度，使荧光检测法能进一步满足当前社会对农残分析的需求。然而在有机磷农药的荧光检测研究中，多是利用有机磷农药对生物酶（如胆碱酯酶、酪氨酸酶等）的抑制作用来构建各类荧光传感器，但生物酶的价格高，易受多种条件影响而失活，从而出现假阳性结果；并且体系荧光强度易受荧光探针浓度、溶剂、温度、溶液的pH等多种因素的影响，致使测定重现性差、灵敏度偏低。比率型荧光传感器是利用两个荧光发射峰强度的比值来对目标物进行检测，同常规荧光传感器相比，其优势在于能够消除荧光探针浓度及所处环境等因素带来的误差，同时能大大增加检测的灵敏度及线性范围，提供更加准确的检测结果。我们采用简单的一步水热法合成了新型铜掺杂碳纳米点，创新性的利用铜掺杂碳纳米点良好的荧光特性及仿过氧化物酶活性构建了无酶比率型荧光传感器，并将其成功应用于有机磷农药的测定。该传感器构建方法简单易行，无需使用价格昂贵的生物酶，并且受探针浓度、环境因素影响小，具有成本低、线性范围宽、灵敏度高的优点。迄今为止，基于铜掺杂碳纳米点的无酶比率型有机磷农药荧光传感器的制备及应用尚未见报道，具有显著的新颖性及应用价值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于有机磷农药的无酶比率荧光检测新方法，为实现上述目的，本发明采用的技术方案特征在于包括以下步骤：

（1）铜掺杂碳纳米点的制备：将无水氯化铜、三（羟甲基）氨基甲烷和L-多巴溶解于40mL 超纯水中，随后置于水热反应釜中以160 ~ 200摄氏度反应4 ~ 8小时。将上述反应液在12000 r/min转速下离心10 min并用0.22 μm微孔滤膜过滤，除去反应中生成的大尺寸颗粒，最后将其冷冻干燥后分散于超纯水中备用。

优选的是步骤（1）中，无水氯化铜的量为40 mg，三（羟甲基）氨基甲烷的量为180mg和L-多巴的量为10 mg。

进一步优选的是步骤（1）中，水热反应温度为180摄氏度，反应时间为4小时。

（2）铜掺杂碳纳米点的形貌与性能：铜掺杂碳纳米点为近似球形结构，颗粒大小分布在20 ~ 40 nm 之间，平均尺寸为25 nm，具有良好的单分散性及稳定性，在365 nm紫外灯下发出强烈的蓝色荧光，并且表现出仿过氧化氢酶活性，在过氧化氢存在下可催化底物邻苯二胺生成荧光产物2,3-二氨基酚嗪。

（3）基于铜掺杂碳纳米点的有机磷农药无酶比率荧光检测：取50 μL铜掺杂碳纳米点溶液，加入100 μL不同浓度有机磷农药溶液，然后加入100 μL过氧化氢和100 μL新鲜配置的邻苯二胺溶液，用超纯水定容至1 mL，混合均匀后静置反应，然后置于荧光仪上进行荧光测试，记录激发波长为330 nm时体系在375 nm和555 nm处的荧光强度之比I₃₇₅/I₅₅₅，将测试所得数据进行处理得到有机磷农药的工作曲线、检测限和线性范围。

步骤（3）中所述有机磷农药为杀扑磷、马拉硫磷、氧乐果、对硫磷等有机磷农药。

作为优选，步骤（3）中所述的铜掺杂碳纳米点浓度为 10 mg·L^-1，过氧化氢浓度为50 mmol·L^-1，邻苯二胺浓度为5 g·L^-1。

进一步优选的是步骤（3）中，混合均匀后静置反应时间为20 min。

本发明的效果是：

1.本发明利用一步水热法合成了形貌均匀，具有仿过氧化物酶活性的荧光铜掺杂碳纳米点。

2.本发明将铜掺杂碳纳米点应用于有机磷农药的定量分析，实现了无酶比率荧光法对有机磷农药的定量检测，检测体系中不仅不使用生物酶从而大大降低了检测成本，操作方法简便；而且采用比率荧光测定，可以修正激发光强度变化及环境因素对检测的干扰，提高了有机磷农药定量分析的精确性。

3.本发明提供的检测方法具有良好的选择性，对其他农药（禾草灵、草除灵、莠去津、吡虫啉）无明显响应。其应用于实际样品的测定，表现出良好的重现性、可靠性、准确性。

4. 本发明提供的检测方法可以为有机磷农药高灵敏、快速检测提供新思路，该方法可应用到多种领域如环境、食品中有机磷农药的测定。

附图说明

图1为本发明实施例提供的铜掺杂碳纳米点的透射电镜图；

图2为本发明实施例提供的铜掺杂碳纳米点的X射线光电子能谱，其中（a）是全谱图，（b）是铜元素的分峰图；

图3为本发明实施例提供的铜掺杂碳纳米点的红外光谱图；

图4为本发明实施例提供的铜掺杂碳纳米点的荧光光谱图；

图5为本发明实施例提供的铜掺杂碳纳米点催化活性效果图；

图6为不同浓度有机磷农药存在时体系的荧光光谱：

图7为有机磷农药的定量检测标准工作曲线；

图8为有机磷农药测定方法的选择性效果图。

具体实施方式

为了更清楚更深入的说明本发明的内容，下面将进一步列举一些实施例，但本发明不局限于所列举的实施例。下列实施例中具体实验条件或方法如未注明，均按本领域的常规条件或方法进行。

实施例1

铜掺杂碳纳米点的制备：

将40 mg无水氯化铜、180 mg 三（羟甲基）氨基甲烷和10 mg L-多巴溶解于40 mL 超纯水中，随后置于水热反应釜中180摄氏度反应4小时。将上述反应液在12000 r/min转速下离心10 min并用0.22 μm微孔滤膜过滤，除去反应中生成的大尺寸颗粒，最后将其冷冻干燥后分散于超纯水中备用。

实施例2

铜掺杂碳纳米点的形貌与性能分析：

图1为所合成的铜掺杂碳纳米点的透射电镜图，表明所合成的铜掺杂碳纳米点为近似球形结构，颗粒大小分布在 20 ~ 40 nm 之间，平均尺寸为 25 nm，具有良好的单分散性及稳定性，在365 nm紫外灯下发出强烈的蓝色荧光。

图2为所合成的铜掺杂碳纳米点的X射线光电子能谱（XPS）。由XPS 可知铜掺杂碳纳米点含有C、N、O和Cu四种元素，其含量分别为55.06%、10.38%、33.51%和1.05%。由Cu2pXPS谱图可见在与932.5 ev和952.5 ev处出现两个强峰，分别对应Cu（0）和Cu（I）。因此，本发明成功合成了铜掺杂碳纳米点，并且铜的价态主要为0价和+1价。

图3为所合成的铜掺杂碳纳米点的红外吸收光谱图。由图可知，3420 cm^-1处为-NH，-OH的伸缩振动吸收峰，1610 cm^-1、1460 cm^-1和1160 cm^-1处分别为C=O、C-N和C-O-C所产生的吸收峰。618 cm^-1处的吸收峰对应为Cu-OH振动吸收峰。红外光谱图也进一步印证了本发明成功合成了铜掺杂碳纳米点。

铜掺杂碳纳米点的荧光光谱图（图4）表明，当激发波长在310 ~ 340 nm范围内变化时，荧光发射波长表现出激发波长依赖性，并且荧光强度值先增大后减小，最佳激发波长为330 nm。

实施例2

铜掺杂碳纳米点的仿过氧化物酶活性验证：

实验a：催化反应体系包含100 μL 过氧化氢（50 mmol·L^-1）、100 μL邻苯二胺（5 mg·mL^-1）和上述实施例1获得的铜掺杂碳纳米点50 μL（10 mg·L^-1），用超纯水定容至1 mL。在室温（25 °C）下反应10分钟后，利用荧光仪在330 nm激发下检测其340 ~ 650 nm的荧光强度值。

对照实验b：催化反应体系中不加铜掺杂碳纳米点50 μL（10 mg·L^-1），在与上述实验体系同样条件下反应10分钟后检测荧光强度值。

对照实验c：催化反应体系为只含有铜掺杂碳纳米点50 μL（10 mg·L^-1），在与上述实验体系同样条件下静置10分钟后检测荧光强度值。

如图5所示，实验体系a在375 nm和525nm处有两个荧光发射峰，分别为铜掺杂碳纳米点自身的荧光发射峰和邻苯二胺被催化氧化成2,3-二氨基酚嗪所产生的荧光发射峰，说明铜掺杂碳纳米点具有明显的仿过氧化物酶活性；对照试验b在525 nm附近没有荧光发射峰，说明若无铜掺杂碳纳米点作催化剂则邻苯二胺不能被催化氧化生成荧光物质2,3-二氨基酚嗪；对照试验c在525 nm附近没有荧光发射峰，说明实验体系a中出现在525 nm处的荧光发射峰不是铜掺杂碳纳米点自身的荧光发射峰。

实施例3

以检测杀扑磷为例，说明本发明检测有机磷农药的过程：取50 μL铜掺杂碳纳米点（10mg·L^-1），加入100 μL不同浓度（0 ~ 500 μg·L^-1）杀扑磷溶液，再加入100 μL过氧化氢（50mmol·L^-1）和100 μL新鲜配置的邻苯二胺（5 g·L^-1），用超纯水定容至1 mL，混合均匀后在室温（25 °C）下反应20分钟后，置于荧光仪上进行荧光测试，记录激发波长为330 nm时体系中存在不同浓度杀扑磷时的荧光光谱图（图6），记录反应体系在375 nm和555 nm处的荧光强度比值I₃₇₅/I₅₅₅，如图7所示，以荧光强度比值I₃₇₅/I₅₅₅对杀扑磷浓度作图并进行线性拟合，得到检测杀扑磷的标准工作曲线为y = 0.012x + 0.130，线性范围为0 ~ 500 μg·L^-1。

实施例4

检测方法的选择性：取50 μL铜掺杂碳纳米点（10 mg·L^-1），加入100 μL相同浓度（100μg L^-1）的不同农药（禾草灵、草除灵、莠去津、吡虫啉），再加入100 μL过氧化氢（50 mmol·L^-1）和100 μL新鲜配置的邻苯二胺（5 g·L^-1），用超纯水定容至1 mL，混合均匀后在室温（25 °C）下反应20分钟后，置于荧光仪上测试反应体系在375 nm和555 nm处的荧光强度比值I₃₇₅/I₅₅₅，如图8所示，表明本方法对其他农药无明显响应，对有机磷农药有良好的选择性。

实施例5

铜掺杂碳纳米点铜掺杂量优化：按照实施例1的方式制备铜掺杂碳纳米点，区别在于，加入无水氯化铜的量分别为15、30、60、80 mg。对实施例5得到的铜掺杂碳纳米点进行杀扑磷的检测，反应体系包含50 μL实施例5所合成的铜掺杂碳纳米点（10 mg·L^-1）、50 μL 杀扑磷（100 μg·L^-1）、100 μL过氧化氢（50 mmol·L^-1）和100 μL新鲜配置的邻苯二胺溶液（5g·L^-1），用超纯水定容至1 mL，混合均匀后在室温（25 °C）下反应20分钟后，置于荧光仪上测试反应体系在375 nm和555 nm处的荧光强度比值I₃₇₅/I₅₅₅分别为2.07、2.22、2.63和2.35，均小于实施例1使用40 mg 无水氯化铜合成的铜掺杂碳纳米点（I₃₇₅/I₅₅₅为3.05）。故优选的掺杂无水氯化铜的量为40 mg。

实施例6

将实施例1所得到的铜掺杂碳纳米点用于河水中杀扑磷的检测：河水样品用0.22 μm滤膜过滤，反应体系中加入100 μL河水样品，50 μL铜掺杂碳纳米点（10 mg·L^-1），100 μL过氧化氢（50 mmol·L^-1）和100 μL新鲜配置的邻苯二胺溶液（5 g L^-1），用超纯水定容至1 mL，混合均匀后在室温（25 °C）下反应20分钟后，置于荧光仪上测试反应体系在375 nm和555nm处的荧光强度比值I₃₇₅/I₅₅₅，利用杀扑磷标准工作曲线求得实际河水样品中杀扑磷的含量，加标回收率在93.5% ~ 106.7%间，相对标准偏差小于3.56%，表现出良好的重现性、可靠性、准确性。

尽管上述实施例对本发明做出了详尽的描述，但它仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，人们还可以根据本实施例在不经创造性前提下获得其他实施例，这些实施例都属于本发明保护范围。

Claims (4)

1.一种基于铜掺杂碳纳米点的有机磷农药无酶比率荧光检测方法，其特征在于铜掺杂碳纳米点的制备、铜掺杂碳纳米点的形貌与性能，以及无酶比率荧光检测方法的构建。

2.根据权利要求1所述的铜掺杂碳纳米点的制备，其特征在于以无水氯化铜、三（羟甲基）氨基甲烷及L-多巴为原料，通过水热法，温度控制在160 ~ 200摄氏度，反应时间为4~8小时，制备得到铜掺杂碳纳米点。

3. 根据权利要求1所述的铜掺杂碳纳米点的形貌与性能，其特征在于铜掺杂碳纳米点为近似球形结构，颗粒大小分布在 20 ~ 40 nm 之间，平均尺寸为 25 nm，具有良好的单分散性及稳定性，在365 nm紫外灯下发出强烈的蓝色荧光，并且表现出仿过氧化物酶活性，在过氧化氢存在下可催化底物邻苯二胺生成荧光产物2,3-二氨基酚嗪。

4. 根据权利1所述的有机磷农药无酶比率荧光检测方法，其特征在于工作曲线通过如下步骤获得：取50 μL铜掺杂碳纳米点溶液，加入100 μL不同浓度有机磷农药溶液，然后加入100 μL过氧化氢和100 μL新鲜配置的邻苯二胺溶液，用超纯水定容至1 mL，混合均匀后静置反应20 min后，置于荧光仪上进行荧光测试，记录激发波长为330 nm时体系在375 nm和555 nm处的荧光强度之比I₃₇₅/I₅₅₅，将测试所得数据进行处理得到有机磷农药的工作曲线、检测限和线性范围。