CN110487868B - 一种基于光电化学传感器检测毒死蜱的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光电化学检测领域，涉及一种基于光电化学传感器检测毒死蜱的方法。首先利用湿化学法制备了碳化钛‑溴化银纳米复合物(Ti₃C₂‑AgBr)，然后将其修饰在一种氧化铟锡(ITO)导电玻璃的电极表面，基于毒死蜱对Ti₃C₂‑AgBr纳米材料光电流抑制的机理，构建了一种灵敏的毒死蜱光电化学传感器。该方法的检测范围为1.0×10^‑9～1.0×10^‑6mg/L，最低检测限为0.33×10^‑9mg/L。本发明检测毒死蜱的操作简单、灵敏度高、选择性好、检测成本低。

Description

一种基于光电化学传感器检测毒死蜱的方法

技术领域

本发明属于光电化学检测领域，涉及一种光电化学传感器的制备并用于毒死蜱的检测的方法。尤其涉及一种在氧化铟锡(俗称ITO)电极表面修饰碳化钛-溴化银(Ti₃C₂-AgBr)纳米复合物，即以Ti₃C₂-AgBr/ITO电极为工作电极，定量检测水中毒死蜱的光电化学分析方法。

背景技术

毒死蜱(Chlorpyrifos，简称CPF)，又称氯吡硫磷、乐斯本，化学式为C₉H₁₁Cl₃NO₃PS，属于有机磷农药，是世界卫生组织Class II中度危害杀虫剂。毒死蜱为白色颗粒状晶体，易溶于大多数有机溶剂。作为一种广谱杀虫剂和杀螨剂，在土壤、大气、水体等环境中均可以检测到它的残留，大量实验表明毒死蜱对于多数水生生物具有高毒性。CPF可以通过食物链的富集作用转移至人体，进而危害人体健康，可破坏胆碱酯酶，导致胆碱功能障碍和死亡。2017年我国农业部公告(第2032号)已经将毒死蜱列入国家禁用和限用农药。

目前，检测毒死蜱的方法主要有高效液相色谱法(HPLC)、气相色谱法(GC)、酶联免疫法(ELISA)、酶生物传感器、紫外分光光度法(UV)等。其中，色谱法的样品前处理过程复杂、对仪器有较高的要求、很难满足痕量分析的测定要求；ELISA法和酶生物传感方法需使用特定的酶；UV法容易被光(电)源的波动影响，不易人工控制变量。因此，非常有必要发展一种简便、快速、灵敏的方法用于毒死蜱检测。

光电化学(PEC)分析法是近年建立起来的一种新型电化学分析方法，该方法利用待测目标物与光电活性物质之间的相互作用，或者生物识别过程前后产生的光电响应变化，建立起的光电响应变化与待测目标物浓度之间的定量关系，光电化学分析具有设备操作简单、背景信号低、灵敏度高、选择性好、分析速度快、价格低廉等优势，可广泛用于微量元素的检测。

发明内容

针对现有毒死蜱的检测方法存在仪器复杂、响应时间长、选择性和灵敏度低等缺点，本发明的目的是提供一种低成本、快速且灵敏度高的光电化学传感器检测的方法。本发明构建的光电化学传感器是以光为激发信号，基于毒死蜱对Ti₃C₂-AgBr复合材料光电化学反应过程的影响，利用其浓度与光电流的关系而建立起一种定量分析方法，用于毒死蜱的灵敏检测。

本发明中毒死蜱检测光电化学传感器的构建过程，具体步骤如下：

(1)将0.6mg/mL Ti₃C₂溶液、乙二醇溶液混合，并超声均匀，再加入1-十六烷基-3-甲基咪唑溴盐搅拌充分反应30min，得反应液，将硝酸银溶于氨水中后，缓慢滴加反应液中，在90℃下油浴6h，油浴后离心得沉淀物后水洗，将沉淀冷冻干燥即得到Ti₃C₂-AgBr，然后将Ti₃C₂-AgBr纳米复合物分散于N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中，得分散液。

用移液枪移取20μL 2mg/mL的Ti₃C₂-AgBr DMF分散液，滴涂到预处理过的导电面积为1×0.5cm²ITO电极表面，在红外灯下烘干并置于60℃烘箱内6h，得到Ti₃C₂-AgBr/ITO化学修饰电极，作为光电化学测试的工作电极。

(2)不同浓度毒死蜱标准溶液的配制：

准确称取一定量的毒死蜱，用去离子水配制成浓度为1.0×10^-4mg/L溶液，取一定量毒死蜱溶液与0.1mol/L PBS缓冲溶液混合(pH＝7.4)，配制一系列不同浓度的毒死蜱标准溶液，浓度范围为1.0×10^-9mg/L～1.0×10^-6mg/L。

(3)毒死蜱浓度与PEC信号之间的对应关系：

以步骤(3)得到的Ti₃C₂-AgBr/ITO电极为工作电极，饱和甘汞电极为参比电极，铂丝电极为对电极构成三电极体系，将三电极体系置于25mL 0.1mol/L PBS缓冲溶液(pH＝7.4)中，设置氙灯为光源，模拟太阳光，光强度为100mW cm^-2，开光20s，关光30s，施加偏压为0.0V，使用安培法收集PEC信号；

再将三电极体系置于含有一系列毒死蜱浓度的PBS缓冲溶液中(1.0×10^-9mg/L～1.0×10^-6mg/L)测定光电流，根据不同浓度的毒死蜱的对数和对应光电流大小的差值绘制标准曲线。

(4)样品的检测

样品先过滤再用PBS缓冲溶液调pH，采用步骤(3)检测方法检测，再根据线性回归方程计算出毒死蜱的浓度。

本发明的有益效果：

本发明利用Ti₃C₂-AgBr纳米复合材料为光电活性物质，基于毒死蜱对Ti₃C₂-AgBr纳米材料光电流抑制的机理，构建了一种毒死蜱光电化学传感器，具有设备操作简单、检测限低、灵敏度高、选择性好、分析速度快、价格低廉等优点。

附图说明

图1为毒死蜱浓度与光电化学信号强度之间的对应关系图。

其中毒死蜱的浓度从左到右依次为：(a)0；(b)1.0×10^-9mg/L；(c)5.0×10^-9mg/L；(d)1.0×10^-8mg/L；(e)5.0×10^-8mg/L；(f)1.0×10^-7mg/L；(g)5.0×10^-7mg/L；(h)1.0×10^{- 6}mg/L。与不加入毒死蜱时的光电流大小相比，随着毒死蜱浓度的增加，光电流值逐渐减小，因此可用于检测毒死蜱。

图2为检测毒死蜱的标准曲线。

图3是Ti₃C₂-AgBr复合材料的扫描电镜图。

具体实施方式

本发明下面结合实施例作进一步详述：

实施例：

(一)制备Ti₃C₂-AgBr修饰的ITO电极

(1)Ti₃C₂-AgBr复合材料的制备：

在50mL单口烧瓶中加入8mL Ti₃C₂溶液(0.6mg/mL)、8mL乙二醇溶液并超声20min，再加入195.9903mg的1-十六烷基-3-甲基咪唑溴盐，在室温搅拌下反应30min。然后准确称取85.9312mg AgNO₃溶于2mL氨水中，将其缓慢滴加至上述单口烧瓶中，在90℃下油浴6h。油浴完成后离心弃去上清液，再水洗三次，将沉淀冷冻干燥12h即得到Ti₃C₂-AgBr复合材料(其中，Ti₃C₂在复合材料掺杂质量为5％)，常温避光保存。取20mg Ti₃C₂-AgBr复合材料分散于10mL DMF中待用。

(2)ITO电极表面预处理：

将ITO电极先用1mol/L氢氧化钠溶液煮沸1h，再依次用去离子水、乙醇超声清洗备用。

(3)化学修饰电极的制备：

用移液枪移取20μL步骤(1)制备的Ti₃C₂-AgBr复合物的DMF分散液(2mg/mL)，滴涂到导电面积为1×0.5cm²步骤(2)制备的ITO电极表面，在红外灯烘干并置于60℃烘箱内6h，得到Ti₃C₂-AgBr修饰的ITO电极(Ti₃C₂-AgBr/ITO)，作为光电化学测试的工作电极。

(二)基于光电化学传感器检测毒死蜱的方法

(1)标准曲线的绘制

以Ti₃C₂-AgBr/ITO电极为工作电极，饱和甘汞电极为参比电极，铂丝电极为对电极，组成三电极体系，并以pH 7.4的0.1mol/L PBS缓冲溶液为空白溶液测定光电流，将三电极体系置于一系列毒死蜱浓度(0；1.0×10^-9mg/L；5.0×10^-9mg/L；1.0×10^-8mg/L；5.0×10^{- 8}mg/L；1.0×10^-7mg/L；5.0×10^-7mg/L；1.0×10^-6mg/L)的pH＝7.4的0.1mol/L PBS缓冲溶液中，采用氙灯模拟“太阳光”来提供光源，光强度为100mW cm^-2，开光20s，关光30s，施加偏压为0.0V，使用安培法采集PEC信号，建立加入毒死蜱前后的光电流大小的差值与毒死蜱浓度对数值的标准曲线，相应的线性回归方程为：△I(μA)＝2.99797+0.30988lgC(mg/L)，检测范围为1.0×10^-9mg/L～1.0×10^-6mg/L，最低检测限为0.33×10^-9mg/L。

(2)样品的检测

取某河水水样，自然静置一段时间后，离心分离吸取上层溶液，通过0.22μm滤膜过滤收集滤液，用0.1mol/L的PBS缓冲溶液调pH至7.4。取25mL所得溶液用于光电化学分析，按步骤(1)所得的线性回归方程计算出待检测样品中毒死蜱的浓度，其结果列于表1中。

对比实施例：

(1)化学修饰电极的制备：

用移液枪移取20μL 2mg/mL的Ti₃C₂DMF分散液，滴涂到预处理过的导电面积为1×0.5cm²ITO电极表面，在红外灯下烘干并置于60℃烘箱内6h，得到Ti₃C₂/ITO化学修饰电极，作为光电化学测试的工作电极。

(2)标准曲线的绘制

以Ti₃C₂/ITO电极为工作电极，饱和甘汞电极为参比电极，铂丝电极为对电极，组成三电极体系，并以pH 7.4的0.1mol/L PBS缓冲溶液为空白溶液测定光电流，将三电极体系置于一系列毒死蜱浓度(0；1.0×10^-9mg/L；5.0×10^-9mg/L；1.0×10^-8mg/L；5.0×10^-8mg/L；1.0×10^-7mg/L；5.0×10^-7mg/L；1.0×10^-6mg/L)的pH＝7.4的0.1mol/L PBS缓冲溶液中，采用氙灯模拟“太阳光”来提供光源，施加偏压为0.0V，使用安培法采集PEC信号，建立加入毒死蜱前后的光电流大小的差值与毒死蜱浓度对数值的标准曲线，检测范围为1.0×10^-9mg/L～1.0×10^-6mg/L，最低检测限为0.33×10^-9mg/L。

(3)样品的检测

取某河水水样，自然静置一段时间后，离心分离吸取上层溶液，通过0.22μm滤膜过滤收集滤液，用0.1mol/L的PBS缓冲溶液调pH至7.4。取25mL所得溶液用于光电化学分析，按步骤(2)所得的线性回归方程计算出待检测样品中毒死蜱的浓度，其结果列于表1中。

表1某河水水样的测定结果

备注：a为三次测定的平均值

如表1所示，样品平行测定3次，加标回收率在97％～102％之间，相对标准偏差小于5％，回收效果较好。上述实验结果说明，不用Ti₃C₂-AgBr复合材料修饰而单独用Ti₃C₂或AgBr修饰ITO电极无法检测出毒死蜱，因此本发明的传感器是可用于检测河水水样中的毒死蜱。

以上实施例仅用于本发明说明使用，并非对本发明的限制，有关领域的技术人员可在不脱离本发明的范围内，还可以作出相应的各种变化，因此所有等同替换或等效变型的方式形成的技术方案均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于光电化学传感器检测毒死蜱的方法，其特征在于，所述方法为：

以Ti₃C₂-AgBr/ ITO电极为工作电极，饱和甘汞电极为参比电极、铂丝电极为对电极，构成三电极体系进行光电化学检测毒死蜱。

2. 如权利要求1所述的基于光电化学传感器检测毒死蜱的方法，其特征在于，所述Ti₃C₂-AgBr/ ITO电极的制备方法为：

（1）采用湿化学法制备Ti₃C₂-AgBr纳米复合物，然后将Ti₃C₂-AgBr纳米复合物分散于N,N-二甲基甲酰胺中，得分散液；

（2）将含有Ti₃C₂-AgBr的分散液修饰到氧化铟锡电极表面，干燥，得Ti₃C₂-AgBr/ITO工作电极。

3.如权利要求2所述的基于光电化学传感器检测毒死蜱的方法，其特征在于，所述步骤（1）中，Ti₃C₂-AgBr纳米复合物的DMF分散液的浓度为2 mg/mL。

4.如权利要求2所述的基于光电化学传感器检测毒死蜱的方法，其特征在于，步骤（1）中，所述湿化学法制备Ti₃C₂-AgBr纳米复合物包括如下步骤：

将Ti₃C₂溶液、乙二醇溶液混合并超声均匀，再加入1-十六烷基-3-甲基咪唑溴盐搅拌充分反应得反应液，将硝酸银溶于氨水中后，缓慢滴加反应液中加热反应，反应后离心得沉淀物，水洗，将沉淀冷冻干燥即得到Ti₃C₂-AgBr，常温避光保存。

5.如权利要求1所述的基于光电化学传感器检测毒死蜱的方法，其特征在于，具体步骤为：

（1）不同浓度毒死蜱标准溶液的配制：

称取一定量的毒死蜱，配制成溶液，取一定量毒死蜱溶液与PBS缓冲溶液混合，配制一系列不同浓度的毒死蜱标准溶液，浓度范围为1.0×10^-9 mg/L~1.0×10^-6 mg/L；

（2）毒死蜱浓度与PEC信号之间的对应关系：

以Ti₃C₂-AgBr/ ITO电极为工作电极，饱和甘汞电极为参比电极，铂丝电极为对电极构成三电极体系，采用氙灯模拟“太阳光”来提供光源，将三电极体系置于PBS缓冲溶液中，施加偏压为0.0 V，使用安培法收集PEC信号，再将三电极体系置于含有一系列不同浓度的毒死蜱标准溶液中测定光电流，根据不同浓度的毒死蜱对应的光电流大小绘制标准曲线，得线性回归方程；

（3）实际样品的检测

实际样品先过滤再用缓冲液调节pH，采用步骤（2）方法检测，再根据线性回归方程计算出毒死蜱的浓度。

6.如权利要求5所述的基于光电化学传感器检测毒死蜱的方法，其特征在于，所述毒死蜱标准溶液中磷酸盐缓冲溶液浓度为0.1 mol/L，pH为7.4。

7. 如权利要求5所述的基于光电化学传感器检测毒死蜱的方法，其特征在于，所述毒死蜱最低检测限为0.33×10^-9 mg/L。

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