CN110596087A - 一种基于金纳米粒子对百草枯的快速比色检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于金纳米粒子对百草枯的快速比色检测方法，包括步骤：(1)采用3MPS和金纳米粒子Au NPs胶体制备功能化金纳米粒子AuNPs‑3MPS胶体；(2)将不同浓度的百草枯标准溶液加入金纳米粒子AuNPs‑3MPS胶体中，观察并记录各个胶体混合液的颜色变化和紫外‑可见吸收光谱数据，绘制不同百草枯浓度与功能化金纳米粒子AuNPs‑3MPS紫外‑可见吸收峰值的关系曲线图；(3)将待测百草枯溶液加入金纳米粒子AuNPs‑3MPS胶体中，观察胶体混合液颜色变化并记录胶体的紫外‑可见吸收光谱数据，进行快速比色检测农药残留百草枯。本发明提供的基于金纳米粒子对百草枯的快速比色检测方法，能够快速、准确地检测农药残留百草枯，且其操作简单、方便、检测时间短，可用于实际现场实时检测。

Description

一种基于金纳米粒子对百草枯的快速比色检测方法
技术领域
本发明涉及一种农药检测方法，尤其涉及一种基于金纳米粒子对百草枯的快速比色检测方法。
背景技术
随着科技的进步，农药在农业中的使用日益变得广泛。但农药在农产品中的残留给人身安全带来危害。农产品中残留的农药被食用后，在人体内部逐步积累，引起慢性中毒危害人身安全。研究农药残留在环境中的迁移、转化、降解规律，更深入的研究农药残留污染解决办法，对农药残留进行定性定量的检测是基础。
目前针对农药残留进行定性定量检测最常用的方法是仪器分析方法，主要包括色谱法、光谱法以及联用技术。其中，a)色谱分析法：色谱分析法主要有气相色谱法，液相色谱法，高效液相色谱法；色谱分析方法是最传统的检测分析技术，是接受度、认知度最高的分析方法，色谱分析方法检测结果准确可靠，但样品前处理以及结果分析复杂，操作不易，耗时耗力。b)光谱检测技术：利用农药分子中特定的官能团或者其他特征产物，能够与光产生相应的共振，从而达到检测目的；常见的波谱法有拉曼光谱、荧光光谱和红外光谱；定的官能团某一类的农药，因此它们的灵敏度不高，且容易受到其他物质的干扰，令检测结果存在误差。c)联用技术：由于单独的仪器分析方法存在着一定的局限性，有些方法只能定量而不能定性，或者只能定性不能定量，再或者定性或定量不能满足科学需求；将两种以上的分析技术联合使用，综合不同分析方法的优点，弥补各自的缺点，起到方法间的协同作用，从而提高分析方法的分辨率；比如气相色谱-质谱联用技术具有灵敏度高、分析速度快和鉴别能力强的特点，可同时完成待测组分的分离和鉴定，特别适用于多组分混合物未知组分的定性和定量分析，判断化合物的分子结构，准确地测定化合物的分子量和元素组成；目前报道的联用技术可大致分为色谱-色谱联用技术、色谱-原子光谱联用技术、色谱-质谱联用技术、色谱-核磁共振波谱联用技术等。
而对于小分子农药百草枯，化学名称是1，1’-二甲基-4，4’联吡啶阳离子盐，是一种快速灭生性除草剂，具有触杀作用和一定内吸作用。能迅速被植物绿色组织吸收，使其枯死。对非绿色组织没有作用。在土壤中迅速与土壤结合而钝化，对植物根部及多年生地下茎及宿根无效。百草枯对人毒性极大，且无特效解毒药，口服中毒死亡率可达90％以上，目前已被20多个国家禁止或者严格限制使用。
针对百草枯常用的检测方法主要是液相色谱法、气相色谱法、电化学分析等仪器分析法以及其联用技术。这些检测方法虽然有种种优点，但无论是单独的分析方法还是各种分析方法联用，仍存在一些弊端。常规的分析方法所用仪器基本都是大型仪器，价格动辄成几十万上百万，高昂的价格限制了这些方法的普及推广。这些方法的仪器操作一般比较繁琐，分析结果涉及大量专业知识，专业性极强，需要使用人员有大量的操作经验和专业知识作为支撑，不利于操作人员的培训。此外，百草枯的残留检测往往需要即时即地现场检测，有时检测人员不具备仪器分析专业知识。因此，这些常规的检测方法已经无法满足百草枯残留的现场及时检测需求。却存在着设备昂贵，操作繁琐，检测时间长等缺点，不能满足现场即时检测的要求。
发明内容
本发明为解决现有技术中的上述问题，提出一种基于金纳米粒子对百草枯的快速比色检测方法。
本发明基于金纳米粒子对百草枯的快速比色检测方法，其主要技术方案是基于功能化金纳米AuNPs-3MPS，通过裸眼和紫外-可见光分光光度计快速比色检测农药残留百草枯，以快速、准确地检测农药残留百草枯，且其操作简单、方便、检测时间短，能够给满足现场即时检测的要求。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供一种基于金纳米粒子对百草枯的快速比色检测方法，包括步骤：
(1)采用修饰剂3-巯基丙烷磺酸钠(3MPS)和金纳米粒子Au NPs胶体制备功能化金纳米粒子AuNPs-3MPS胶体；
(2)配制不同浓度的百草枯标准溶液，并分别单独地加入到金纳米粒子AuNPs-3MPS胶体中，观察各个胶体混合液颜色的变化，并记录各个胶体混合液的紫外-可见吸收光谱数据，绘制不同百草枯浓度与功能化金纳米粒子AuNPs-3MPS紫外-可见吸收峰值的关系曲线图；
(3)将待测百草枯溶液加入到步骤(2)所述金纳米粒子AuNPs-3MPS胶体中，观察胶体混合液颜色变化并记录胶体的紫外-可见吸收光谱数据，与步骤(2)所述关系曲线图进行快速比色检测农药残留百草枯。
进一步地，步骤(1)中所述金纳米粒子Au NPs胶体的制备方法为：向超纯水中加入一定浓度的HAuCl4溶液，边搅拌边加热至溶液沸腾；然后加入柠檬酸三钠溶液，至溶液由无色逐渐变为酒红色，待颜色稳定不再变化后，停止加热，继续搅拌冷却至室温，即得。
进一步地，步骤(2)中各所述金纳米粒子AuNPs-3MPS胶体的体积为900μL，各所述百草枯标准溶液的体积为100μL，所述百草枯标准溶液的浓度为0-100mg/L。
进一步优选地，步骤(3)中所述待测百草枯溶液的体积为100μL。
进一步地，步骤(3)中所述待测百草枯溶液为农田水、池塘水或其他待测水体。
进一步地，步骤(2)和步骤(3)中采用紫外-可见光光度计检测各个胶体混合液的紫外-可见吸收光谱数据。
本发明采用上述技术方案，与现有技术相比，具有如下技术效果：
本发明提供的基于金纳米粒子对百草枯的快速比色检测方法，基于功能化金纳米AuNPs-3MPS，通过裸眼和紫外-可见光分光光度计快速比色检测农药残留百草枯，该方法能够快速、准确地检测农药残留百草枯，且其操作简单、方便、检测时间短，能够给满足现场即时检测的要求，可用于实际现场实时检测。
附图说明
图1为本发明采用3-巯基丙烷磺酸钠(3MPS)和金纳米粒子Au NPs制备功能化金纳米粒子AuNPs-3MPS的反应式；
图2为本发明采用不同浓度3MPS修饰的AuNPs-3MPS的A670/A525折线图；
图3为本发明加入百草枯前后的金纳米粒子紫外-可见吸收光谱及对应的溶液颜色变化示意图；
图4为本发明检测方法对百草枯的特异选择性实验中加入不同农药后AuNPs-3MPS胶体的比色照片；
图5为本发明检测方法对百草枯的特异选择性实验中加入不同农药后AuNPs-3MPS胶体的A670/A525的折线图；
图6为本发明检测方法对百草枯的抗干扰性实验中加入不同农药后AuNPs-3MPS胶体的比色照片；
图7为本发明检测方法对百草枯的抗干扰性实验中加入不同农药后AuNPs-3MPS胶体的A670/A525的折线图；
图8本发明检测方法中百草枯浓度与功能化金纳米粒子AuNPs-3MPS紫外-可见吸收峰值的关系曲线图。
具体实施方式
本发明基于金纳米粒子对百草枯的快速比色检测方法，其主要技术方案是基于功能化金纳米AuNPs-3MPS，通过裸眼和紫外-可见光分光光度计快速比色检测农药残留百草枯。其技术原理为：如图1所示，将3-巯基丙烷磺酸钠(3MPS)自组装到金纳米粒子AuNPs的表面，制备出功能化金纳米粒子AuNPs-3MPS，3MPS上的磺酸钠会电离出钠离子从而使AuNPs-3MPS带有大量负电荷，而百草枯分子中的氮原子带有正电荷，很容易与AuNPs-3MPS发生静电力作用使AuNPs-3MPS发生聚集，如图3所示，溶液的颜色由酒红色变成蓝灰色，同时AuNPs-3MPS的紫外-可见吸收峰的强度和位置发生改变，从而快速、准确地检测农药残留百草枯。
下面通过具体实施例对本发明进行详细和具体的介绍，以使更好的理解本发明，但是下述实施例并不限制本发明范围。
实施例1一种基于金纳米粒子对百草枯的快速比色检测方法，包括步骤：
(1)首先，采用柠檬酸三钠还原氯金酸(HAuCl4)的方法制备的金纳米粒子Au NPs胶体，向91mL的超纯水中加入5mL浓度为5mM的HAuCl4溶液，边搅拌边加热至溶液沸腾，一次性加入4mL质量浓度为1wt％的柠檬酸三钠溶液，溶液由无色逐渐变为酒红色，待颜色稳定不再变化后，停止加热，但继续保持搅拌直至反应体系冷却至室温，放置到4℃冰箱中备用；然后取20mL放置过夜的AuNPs胶体，加入50μL 25μM的3-巯基丙烷磺酸钠，剧烈搅拌30min，即得功能化金纳米粒子AuNPs-3MPS。
(2)取900μL的Au NPs-3MPS胶体注入干净的试管中，然后分别加入100μL浓度为1μM、50μM、100μM、300μM、500μM的百草枯溶液，震荡均匀，静置3min，观察各个各个胶体混合液颜色的变化，并记录各个Au NPs-3MPS胶体混合液的紫外-可见吸收光谱数据，绘制百草枯浓度与功能化金纳米粒子AuNPs-3MPS紫外-可见吸收峰值的关系曲线图。
(3)将农田水或池塘水加入到步骤(2)所述金纳米粒子AuNPs-3MPS胶体中，观察胶体混合液颜色变化并记录胶体的紫外-可见吸收光谱数据，与步骤(2)所述关系曲线图进行快速比色检测农药残留百草枯。
实施例2修饰剂3-巯基丙烷磺酸钠3MPS加入量的优化
3MPS是该方法特异性检测百草枯的关键，它的加入量会直接影响该方法对百草枯的检测效果，因此我们进行了3MPS加入量优化实验，以达到最佳的检测效果。
用不同浓度体积为50μL的3MPS修饰Au NPs，得到不同的功能化的AuNPs-3MPS。分别取不同的Au NPs-3MPS各900μL于若干1.5mL的离心管中，分别加入100μL浓度为2mg/L的百草枯，记录各组Au NPs-3MPS的紫外-可见光吸收光谱，并绘制相应的紫外-可见光谱折线图。
如图2所示的A670/A525折线图，结果发现当3MPS的浓度为25μM时，A670/A525的比值(A670指AuNPs-3MPS在670nm处的UV-vis吸收强度，A525是指AuNPs-3MPS在525nm处的UV-vis吸收强度)大于其他Au NPs-3MPS组。其是当3MPS的浓度为25μM时，3MPS完全修饰到AuNPs的表面，AuNPs-3MPS的表面负电荷达到饱和，3MPS的浓度低于25μM时，AuNPs-3MPS的表面负电荷未能达到最大值，影响对百草枯的检测效果；当3MPS的浓度高于25μM时，AuNPs胶体中会出现游离3MPS，游离的3MPS可以直接与百草枯结合，影响对百草枯的检测效果。所以，该方法修饰剂3MPS最优加入浓度为25μM。
实施例3百草枯检测方法的选择性实验
为了验证该检测体系对百草枯的特异选择性，在最佳的实验条件下(修饰剂3MPS加入量为25μM，反应pH为4)，我们通过与其他12种农药(异丙威，速灭威，二氧威，敌百虫，毒死蜱，丙草胺，草甘膦，二甲四氯钠，茚虫威，扑海因，仲丁威，地亚农，灭多威)检测结果对比评估了Au NPs-3MPS检测体系对百草枯的选择性。如图4所示，含有2mg/L其他农药的AuNPs-3MPS胶体的颜色全部为红色，与没有任何农药的空白对照组Au NPs-3MPS胶体相似。
然而，含有2mg/L的百草枯的AuNPs-3MPS胶体的颜色是紫灰色。这种现象表明只有百草枯可以与AuNPs-3MPS反应，使AuNPs-3MPS颜色发生改变。如图5显示Au NPs-3MPS胶体的A670/A525的相应比值。发现含有2mg/L百草枯的Au NPs-3MPS胶体的比值远高于空白分散体和含有2mg/L其他农药的AuNPs-3MPS胶体的比值。这些结果表明Au NPs-3MPS检测体系对DM具有理想的选择性。
图4为加入不同农药后Au NPs-3MPS胶体的比色照片，图5为加入不同农药后AuNPs-3MPS胶体的A670/A525的折线图，其中A-N分别为空白，百草枯，异丙威，速灭威，二氧威，敌百虫，毒死蜱，丙草胺，茚虫威，扑海因，仲丁威，地亚农，灭多威，草甘膦。
实施例4百草枯检测方法的抗干扰性实验
为了验证该检测体系对百草枯的抗干扰能力，对本发明检测方法的抗干扰能力进行评估测试实验。把浓度为2mg/L的百草枯溶液分别与浓度为20mg/L的其它12种农药(异丙威，速灭威，二氧威，敌百虫，毒死蜱，丙草胺，茚虫威，扑海因，仲丁威，地亚农，灭多威，草甘膦)按等体积充分混合后，再取100μL的上述混合液和1mg/L的百草枯溶液分别加入到900μL的Au NPs-3MPS胶体中，观察Au NPs-3MPS胶体的颜色变化并记录对应的紫外-可见吸收光谱数据。
如图6所示为抗干扰性实验中加入不同农药后AuNPs-3MPS胶体的比色照片，从图6比色照片可以发现，只要含有百草枯的Au NPs-3MPS胶体的颜色均变成了紫灰色；同时，针对对应的紫外-可见吸收光谱图，如图7所示，以A670/A525为纵坐标，作出对应的柱状图，可以发现，只要含百草枯的AuNPs-3MPS胶体的A670/A525的比值大致相同，且均高于空白样，这说明AuNPs-3MPS对其他12种农药不敏感，这12种农药在Au NPs-3MPS检测百草枯时不会对检测结果产生干扰，说明本发明检测方法具有良好的抗干扰性能。
实施例5采用实施例1所述检测方法对各水样中百草枯含量进行检测
为了验证本发明检测方法对百草枯的实际检测效果和应用价值，本实施例对实际样品进行了测定，并与常规方高效液相色谱检测方法的检测结果进行比较。
标准曲线的绘制：取900μL的Au NPs-3MPS胶体注入干净的试管中，然后分别加入100μL浓度为1μM、50μM、100μM、300μM、500μM的百草枯溶液，震荡均匀，静置3min，观察各个各个胶体混合液颜色的变化，并记录各个AuNPs-3MPS胶体混合液的紫外-可见吸收光谱数据，绘制百草枯浓度与功能化金纳米粒子AuNPs-3MPS紫外-可见吸收峰值的关系曲线图，如图8所示。
样品前处理与检测：采集农田水和池塘水，用0.22μm的滤膜过滤，通过标准加入方法将滤液配制成0.1mg/L和0.3mg/L的百草枯溶液。取100μL上述百草枯溶液，加入到900μL的AuNPs-3MPS胶体中(此时胶体中百草枯浓度分别为0.01mg/L，0.03mg/L)，测定其紫外-可见光光谱，计算A670/A525的比值，带入标准曲线计算公式y＝1.6133x+0.0126，计算出百草枯浓度，并与HPLC方法所得结果进行比较，见表1。
表1各水体中采用本发明快速比色法和HPLC测定法的对比结果
如上述表1所示的对比结果可知，从检测效果上来看，本发明快速比色法和现有HPLC测定法对百草枯浓度的检测结果非常相似，而且重复率高，检测结果稳定，可见，本发明快速比色法可用于实际样品中百草枯的快速比色检测。且本发明提供的快速比色法，操作简单、方便、检测时间短，能够给满足现场即时检测的要求，可用于实际现场实时检测，具有良好的推广应用价值。
以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。

Claims (6)

1.一种基于金纳米粒子对百草枯的快速比色检测方法，其特征在于，包括步骤：
(1)采用修饰剂3-巯基丙烷磺酸钠(3MPS)和金纳米粒子Au NPs胶体制备功能化金纳米粒子AuNPs-3MPS胶体；
(2)配制不同浓度的百草枯标准溶液，并分别单独地加入到金纳米粒子AuNPs-3MPS胶体中，观察各个胶体混合液颜色的变化，并记录各个胶体混合液的紫外-可见吸收光谱数据，绘制不同百草枯浓度与功能化金纳米粒子AuNPs-3MPS紫外-可见吸收峰值的关系曲线图；
(3)将待测百草枯溶液加入到步骤(2)所述金纳米粒子AuNPs-3MPS胶体中，观察胶体混合液颜色变化并记录胶体的紫外-可见吸收光谱数据，与步骤(2)所述关系曲线图进行快速比色检测农药残留百草枯。
2.根据权利要求1所述的快速比色检测方法，其特征在于，步骤(1)中所述金纳米粒子Au NPs胶体的制备方法为：向超纯水中加入一定浓度的HAuCl4溶液，边搅拌边加热至溶液沸腾；然后加入柠檬酸三钠溶液，至溶液由无色逐渐变为酒红色，待颜色稳定不再变化后，停止加热，继续搅拌冷却至室温，即得。
3.根据权利要求1所述的快速比色检测方法，其特征在于，步骤(1)中所述3-巯基丙烷磺酸钠(3MPS)的浓度为25μM。
4.根据权利要求1所述的快速比色检测方法，其特征在于，步骤(2)中各所述金纳米粒子AuNPs-3MPS胶体的体积为900μL，各所述百草枯标准溶液的体积为100μL，所述百草枯标准溶液的浓度为0-100mg/L。
5.根据权利要求4所述的快速比色检测方法，其特征在于，步骤(3)中所述待测百草枯溶液的体积为100μL。
6.根据权利要求1所述的快速比色检测方法，其特征在于，步骤(3)中所述待测百草枯溶液为农田水或池塘水。
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