CN110632010B - 一种基于催化传感的草甘膦检测方法 - Google Patents

Abstract

一种基于催化传感的草甘膦检测方法，涉及农残分析测定技术领域，包括如下步骤：S1，获取含氮杂环巯基配体分子；S2，将所述含氮杂环巯基配体分子和第一金属离子Mⁿ⁺混合并加入HEPES缓冲溶液中进行聚合反应，然后加入第二金属离子Lⁿ⁺得到金属配位聚合物；其中，所述含氮杂环巯基配体分子、第一金属离子Mⁿ⁺和第二金属离子Lⁿ⁺的摩尔比为1:1:1；S3，将草甘膦和对硝基苯磷酸酯类催化底物分子加入所述金属配位聚合物中进行生色反应，测量其紫外可见吸收光谱以获取草甘膦含量。本发明利用金属配位聚合物催化生色反应，耦合草甘膦对催化底物分子的竞争作用，实现对草甘膦的识别与检测，具有更高的检测效率和灵敏度。

Description

一种基于催化传感的草甘膦检测方法

技术领域

本发明涉及农残分析测定技术领域，且特别涉及一种基于催化传感的草甘膦检测方法。

背景技术

有机磷农药是目前使用最广泛的一大类农药。由于有机磷农药对非靶标生物的高毒性，其广泛使用不仅造成了水体和土壤污染，而且因其难降解性致使在茶叶果蔬等农副产品中容易残留，并通过食物链转移，对民众的健康构成威胁。因此，研发高灵敏度、高效的机磷农残检测技术，对农副产品生产和销售过程实现全面监测，是一项迫切而又重要的课题。

国内外学者对有机磷农残的检测技术做了大量的研究工作。目前，已开发的有机磷农残检测技术有：气相色谱(GC)、液相色谱(LC)、生物传感、化学传感(光化学和电化学)等。其中，光化学传感是目前最具发展前途的一种有机磷农残现场检测技术，其简而言之，是根据光化学和光物理的基本原理，设计非(或弱)发光/生色的识别体系，使之与目标物发生识别作用后，识别体系的发光量子产率或摩尔吸光系数受到驱动增大，达到传感目的。尽管光化学传感技术具有稳定性好、便捷、环境适应性强、成本低和易于改性等优点，但受限于传统的传感原理，要提高其灵敏度是不容易，难以满足有机磷检测限越来越低的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于催化传感的草甘膦检测方法，此检测方法具有高催化效率和灵敏度。

本发明解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。

本发明提出一种基于催化传感的草甘膦检测方法，包括如下步骤：

S1，获取含氮杂环巯基配体分子；

S2，将所述含氮杂环巯基配体分子和第一金属离子Mⁿ⁺混合并加入HEPES缓冲溶液中进行聚合反应，然后加入第二金属离子Lⁿ⁺得到金属配位聚合物；其中，所述含氮杂环巯基配体分子、第一金属离子Mⁿ⁺和第二金属离子Lⁿ⁺的摩尔比为1:1:1；

S3，将草甘膦和对硝基苯磷酸酯类催化底物分子加入所述金属配位聚合物中进行生色反应，测量其紫外可见吸收光谱以获取草甘膦含量。

进一步地，在本发明较佳实施例中，所述第一金属离子Mⁿ⁺和第二金属离子Lⁿ⁺选自Cd²⁺、Ag⁺、Cu²⁺、Zn²⁺、Co²⁺、Fe³⁺、Ni³⁺或K⁺。

进一步地，在本发明较佳实施例中，所述第一金属离子Mⁿ⁺选自Ag⁺，所述第二金属离子Lⁿ⁺选自Cu²⁺或Zn²⁺。

进一步地，在本发明较佳实施例中，在步骤S3中，所述对硝基苯磷酸酯类催化底物分子结构式如下：

进一步地，在本发明较佳实施例中，在步骤S3中，所述生色反应包括以下步骤：

在30-40℃下加热20-50min。

进一步地，在本发明较佳实施例中，所述含氮杂环巯基配体分子为n-(1,4,7-三氮杂环壬烷基)-1-硫醇，其中，n表示C₅、C₇、C₉、C₁₁或C₁₃烷基链。

进一步地，在本发明较佳实施例中，所述获取含氮杂环巯基配体分子具体包括以下步骤：

S11，将2-4mmol的1,n-二溴烷烃溶于丙酮，加入2.5-5mmol的硫代乙酰钾混合均匀，在氮气下回流反应8-12h，除溶剂后获得正溴化-S-甲酸-n-酯；

S12，在惰性气体保护下将三甲基胺加入到1,4,7-三氮杂环壬烷的氯仿溶液中，然后逐滴加入二-叔丁基二碳酸酯后搅拌反应8-12h，提纯后得到二-叔丁基-1,4,7-三氮杂环壬烷-1,4-二羧酸酯；

S13，在惰性气体保护下将1-2mmol三甲基胺加入到0.8-1.5mmol的1,4,7-三氮杂环壬烷的氯仿溶液中，然后逐滴加入1.5-3mmol二-叔丁基二碳酸酯后搅拌反应8-12h，提纯后得到二-叔丁基-1,4,7-三氮杂环壬烷-1,4-二羧酸酯-(S代-甲酸-n-酯)；

S14，水解所述二-叔丁基-1,4,7-三氮杂环壬烷基-1,4-二羧酸酯-(S代-甲酸-n-酯)获取n-(1,4,7-三氮杂环壬烷基)-1-硫醇。

进一步地，在本发明较佳实施例中，步骤S14包括以下步骤：

将0.1-0.3mmol二-叔丁基-1,4,7-三氮杂环壬烷基-1,4-二羧酸酯-(S代-甲酸-n-酯)加入到10-30ml盐酸中，在50-70℃下搅拌反应5-8h，旋干后得到n-(1,4,7-三氮杂环壬烷基)-1-硫醇。

本发明实施例的基于催化传感的草甘膦检测方法的有益效果是：利用含氮杂环巯基配体分子分别与第一金属离子Mⁿ⁺和第二金属离子Lⁿ⁺反应原位形成金属配位聚合物，以该聚合物为催化单元催化生色反应，耦合草甘膦对催化底物分子的竞争作用，实现对草甘膦的识别与检测，具有更高的检测效率、灵敏度，较好的选择性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例1提供的基于催化传感的草甘膦检测方法的流程图；

图2为本发明实施例1中金属配位聚合物的合成反应式；

图3为本发明实施例1-10不同浓度的草甘膦对金属配位聚合物催化生色反应的紫外可见吸收光谱图；

图4为所示为本发明实施例1-10草甘膦浓度的对数与金属配位聚合物催化生色反应在400nm波长处吸光度的关系曲线图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

下面对本发明实施例的基于催化传感的草甘膦检测方法进行具体说明。

参考图1所示，一种基于催化传感的草甘膦检测方法，包括如下步骤：

S1，获取含氮杂环巯基配体分子。

对于催化传感中的催化生荧反应或催化生色反应而言，1个催化剂能够循环多次参与催化反应，将N个非荧光或低荧光的底物分子转化为高荧光量子产率的物种，或将N个原先在可见光区无吸收的底物分子转化为有强吸收(高摩尔吸光系数)的物种，使之作为信号报告分子，因此，催化传感可极大地提高传感灵敏度。

在本实施例中，以氮杂环金属配体分子与金属离子原位反应生成金属配位聚合物作为催化单元来催化生色反应。优选的，如图2所示，所述含氮杂环巯基配体分子为n-(1,4,7-三氮杂环壬烷基)-1-硫醇，其中，n表示C₅、C₇、C₉、C₁₁或C₁₃烷基链。更为优选的，n表示戊基，其空间位阻小，具有一定的配位空间，易于进行自组装配位反应。当然，其他具有相似结构的含氮杂环巯基配体分子如n-(1,4-二氮杂环已烷基)-1-硫醇等也可适用于本发明。

在上述实施例的基础上，在一个优选的实施例中，所述步骤S1具体包括：

S11，将2-4mmol的1,n-二溴烷烃溶于丙酮，加入2.5-5mmol的硫代乙酰钾混合均匀，在氮气下回流反应8-12h，除溶剂后获得正溴化-S-甲酸-n-酯。S12，在惰性气体保护下将1-2mmol三甲基胺加入到0.8-1.5mmol的1,4,7-三氮杂环壬烷的氯仿溶液中，然后逐滴加入1.5-3mmol二-叔丁基二碳酸酯后搅拌反应8-12h，提纯后得到二-叔丁基-1,4,7-三氮杂环壬烷-1,4-二羧酸酯。S13，将摩尔比为1.5-2:3-5:1.2-1.8的正溴化-S-甲酸-n-酯、K₂CO₃和二-叔丁基-1,4,7-三氮杂环壬烷-1,4-二羧酸酯分别加入到乙腈中，在50-70℃下搅拌反应5-8h，提纯后获得二-叔丁基-1,4,7-三氮杂环壬烷基-1,4-二羧酸酯-(S代-甲酸-n-酯)。S14，水解所述二-叔丁基-1,4,7-三氮杂环壬烷基-1,4-二羧酸酯-(S代-甲酸-n-酯)获取n-(1,4,7-三氮杂环壬烷基)-1-硫醇。优选的，将0.1-0.3mmol二-叔丁基-1,4,7-三氮杂环壬烷基-1,4-二羧酸酯-(S代-甲酸-n-酯)加入到10-30ml盐酸中，在50-70℃下搅拌反应5-8h，旋干后得到n-(1,4,7-三氮杂环壬烷基)-1-硫醇。

S2，将所述含氮杂环巯基配体分子和第一金属离子Mⁿ⁺混合并加入HEPES缓冲溶液中进行聚合反应，然后加入第二金属离子Lⁿ⁺得到金属配位聚合物；其中，所述含氮杂环巯基配体分子、第一金属离子Mⁿ⁺和第二金属离子Lⁿ⁺的摩尔比为1:1:1。

金属离子在合成配位聚合物的过程中起着非常重要的作用，通过选择不同的金属粒子可以对组装过程中配位聚合物的网络结构进行调控，还可以赋予配合物特定的功能性质。

如图2所示，在本实施例中，第一金属离子Mⁿ⁺与来自相邻含氮杂环巯基配体分子中的硫原子配位聚合，第二金属离子Lⁿ⁺与氮杂环形成金属配位。优选的，采用不同碳链长度的含氮杂环巯基配体分子进行聚合反应，相邻的催化基团之间可由碳链长度调控，可以形成有效的催化口袋，更易于进行配位反应。

优选的，所述第一金属离子Mⁿ⁺和第二金属离子Lⁿ⁺选自Cd²⁺、Ag⁺、Cu²⁺、Zn²⁺、Co²⁺、Fe^{3 +}、Ni³⁺或K⁺等常见低价过渡金属离子。更为优选的，所述第一金属离子Mⁿ⁺选自Ag⁺，所述和第二金属离子Lⁿ⁺选自Cu²⁺或Zn²⁺。Ag⁺与来自相邻含氮杂环巯基配体分子中的硫原子配位聚合，可以增强有机配体的平面共轭性，有利于d→f的能量转移，因此有利于敏化离子发光。Cu²⁺或Zn²⁺与金属聚合物链上的杂氮环配位，且易于与甘草磷中的磷酸脂类基团进行配位键合。

在本实施例中，HEPES缓冲溶液可以采用市面上现有的试剂，也可以自行配制，例如：119.15g Hepes溶解在400ml蒸馏水中，加0.5～1M的NaOH水溶液调节至所需pH(Hepes的有效pH范围是6.8～8.2)，然后用蒸馏水定容至500ml，得到1M Hepes，pH＝7.0的HEPES缓冲溶液。

S3，将草甘膦和对硝基苯磷酸酯类催化底物分子加入所述金属配位聚合物中进行生色反应，测量其紫外可见吸收光谱以获取草甘膦含量。其中，可以预先制作草甘膦含量与一定波长下草甘膦生色反应吸光度的标准曲线，对照标准曲线计算待测样品中的草甘磷的含量。

在本实施例中，以氮杂环金属配体分子与金属离子原位反应生成金属配位聚合物作为催化单元，利用对硝基苯磷酸酯类催化底物分子中硝基苯负离子在400nm处有较强的吸收峰，而底物分子与甘草磷底物分子水解后游离的磷酸酯类基团竞争与所述催化单元配位键合，从而抑制了底物分子的催化水解，使其在400nm处的吸收信号下降，实现草甘膦的传感检测。

可以理解，所述对硝基苯磷酸酯类催化底物分子可以是对硝基苯磷酸酯、双(对硝基苯基)磷酸酯、对硝基苯磷酸二乙酯、对硝基苯磷酸-2-羟基乙酯等，优选的，所述对硝基苯磷酸酯类催化底物分子结构式如下所示，其富含羟基活性基团，易于进行水解反应。

优选的，在步骤S3中，所述生色反应包括以下步骤：在30-40℃下加热20-50min。更为优选的，在35-40℃下加热30-40min，反应条件温和。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

实施例1

本实施例提供了一种基于催化传感的草甘膦检测方法，包括如下步骤：

S1，将4mmol的1,5-二溴烷烃溶于10ml丙酮，加入4.5mmol的硫代乙酰钾混合均匀，在氮气下回流反应10h，除溶剂后获得正溴化-S代-甲酸戊酯；

S2，在惰性气体保护下将1.65mmol三甲基胺加入到1.24mmol的1,4,7-三氮杂环壬烷的氯仿溶液中，然后逐滴加入2.48mmol二-叔丁基二碳酸酯后搅拌反应8h，提纯后得到二-叔丁基-1,4,7-三氮杂环壬烷-1,4-二羧酸酯；

S3，将摩尔比为1.5:4:1.2的正溴化-S-甲酸-n-酯、K₂CO₃和二-叔丁基-1,4,7-三氮杂环壬烷-1,4-二羧酸酯分别加入到30ml乙腈中，在60℃下搅拌反应6h，提纯后获得二-叔丁基-1,4,7-三氮杂环壬烷基-1,4-二羧酸酯(S代-甲酸戊酯)；

S4，将0.2mmol二-叔丁基-1,4,7-三氮杂环壬烷基-1,4-二羧酸酯(S代-甲酸戊酯)加入到20ml浓度为3M盐酸中，在60℃下搅拌反应6h，旋干后获取5-(1,4,7-三氮杂环壬烷基)-1-硫醇。

S5，将5-(1,4,7-三氮杂环壬烷基)-1-硫醇和Ag⁺混合并加入HEPES缓冲溶液中进行聚合反应，然后加入Zn²⁺得到金属配位聚合物；

S6，将0.3μM草甘膦和对硝基苯磷酸-2-羟基乙酯加入所述金属配位聚合物中进行生色反应，测量其紫外可见吸收光谱。

实施例2

本实施例提供了一种基于催化传感的草甘膦检测方法，包括如下步骤：

S1，按照实施例1制备得到金属配位聚合物；

S2，将0.6μM草甘膦和对硝基苯磷酸-2-甲基乙醇加入所述金属配位聚合物中进行生色反应，测量其紫外可见吸收光谱。

实施例3-10

实施例3-10与实施例2步骤相同，不同之处在于草甘膦的浓度分别为0.9μM、1.2μM、1.5μM、1.8μM、2.1μM、2.4μM、2.7μM、3.0μM。

实施例11

本实施例提供了一种基于催化传感的草甘膦检测方法，包括如下步骤：

S1，参考实施例1相关内容获取5-(1,4,7-三氮杂环壬烷基)-1-硫醇；

S2，将5-(1,4,7-三氮杂环壬烷基)-1-硫醇和Ag⁺混合并加入HEPES缓冲溶液中进行聚合反应，然后加入Cn²⁺得到金属配位聚合物；

S6，将0.3μM草甘膦和对硝基苯磷酸-2-羟基乙酯加入所述金属配位聚合物中进行生色反应，测量其紫外可见吸收光谱。

实施例12

本实施例提供了一种基于催化传感的草甘膦检测方法，包括如下步骤：

S1，参考实施例1相关内容获取5-(1,4,7-三氮杂环壬烷基)-1-硫醇；

S2，将5-(1,4,7-三氮杂环壬烷基)-1-硫醇和Cd²⁺混合并加入HEPES缓冲溶液中进行聚合反应，然后加入Cn²⁺得到金属配位聚合物；

S6，将0.3μM草甘膦和对硝基苯磷酸-2-甲基乙醇加入所述金属配位聚合物中进行生色反应，测量其紫外可见吸收光谱。

试验例1

如图3为实施例1-10不同浓度的草甘膦对金属配位聚合物催化生色反应的紫外可见吸收光谱图；其中，随着草甘膦浓度[Gly]从0.3μM增加至3.0μM，曲线吸光度逐渐降低。

如图4所示为金属配位聚合物催化生色反应(底物分子S)在400nm波长处的吸光度与草甘膦浓度的对数的关系曲线图。可以得出线性方程：Y＝0.64662-0.18428X(R2＝0.9911)。进而得出本实施例的基于催化传感的草甘膦检测方法检出限约为0.1μM，具有较高的检测灵敏度。

综上，以该聚合物为催化单元催化生色反应，耦合草甘膦对催化底物分子的竞争作用，实现对草甘膦的识别与检测，具有更高的检测效率和灵敏度。

以上所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (8)

1.一种基于催化传感的草甘膦检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1，获取含氮杂环巯基配体分子；

S2，将所述含氮杂环巯基配体分子和第一金属离子Mⁿ⁺混合并加入HEPES缓冲溶液中进行聚合反应，然后加入第二金属离子Lⁿ⁺得到金属配位聚合物；其中，所述含氮杂环巯基配体分子、第一金属离子Mⁿ⁺和第二金属离子Lⁿ⁺的摩尔比为1:1:1；

S3，将草甘膦和对硝基苯磷酸酯类催化底物分子加入所述金属配位聚合物中进行生色反应，测量其紫外可见吸收光谱以获取草甘膦含量。

2.根据权利要求1所述的基于催化传感的草甘膦检测方法，其特征在于，所述第一金属离子Mⁿ⁺和第二金属离子Lⁿ⁺选自Cd²⁺、Ag⁺、Cu²⁺、Zn²⁺、Co²⁺、Fe³⁺、Ni³⁺或K⁺。

3.根据权利要求1所述的基于催化传感的草甘膦检测方法，其特征在于，所述第一金属离子Mⁿ⁺选自Ag⁺，所述第二金属离子Lⁿ⁺选自Cu²⁺或Zn²⁺。

4.根据权利要求1所述的基于催化传感的草甘膦检测方法，其特征在于，在步骤S3中，所述对硝基苯磷酸酯类催化底物分子结构式如下：

5.根据权利要求1所述的基于催化传感的草甘膦检测方法，其特征在于，在步骤S3中，所述生色反应包括以下步骤：

在30-40℃下加热20-50min。

6.根据权利要求1所述的基于催化传感的草甘膦检测方法，其特征在于，所述含氮杂环巯基配体分子为n-(1,4,7-三氮杂环壬烷基)-1-硫醇，其中，n表示C₅、C₇、C₉、C₁₁或C₁₃烷基链。

7.根据权利要求6所述的基于催化传感的草甘膦检测方法，其特征在于，所述获取含氮杂环巯基配体分子具体包括以下步骤：

S11，将2-4mmol的1,n-二溴烷烃溶于丙酮，加入2.5-5mmol的硫代乙酰钾混合均匀，在氮气下回流反应8-12h，除溶剂后获得正溴化-S-甲酸-n-酯；

S12，在惰性气体保护下将1-2mmol三甲基胺加入到0.8-1.5mmol的1,4,7-三氮杂环壬烷的氯仿溶液中，然后逐滴加入1.5-3mmol二-叔丁基二碳酸酯后搅拌反应8-12h，提纯后得到二-叔丁基-1,4,7-三氮杂环壬烷-1,4-二羧酸酯；

S13，将摩尔比为1.5-2:3-5:1.2-1.8的正溴化-S-甲酸-n-酯、K₂CO₃和二-叔丁基-1,4,7-三氮杂环壬烷-1,4-二羧酸酯分别加入到乙腈中，在50-70℃下搅拌反应5-8h，提纯后获得二-叔丁基-1,4,7-三氮杂环壬烷基-1,4-二羧酸酯-(S代-甲酸-n-酯)；

S14，水解所述二-叔丁基-1,4,7-三氮杂环壬烷基-1,4-二羧酸酯-(S代-甲酸-n-酯)获取n-(1,4,7-三氮杂环壬烷基)-1-硫醇。

8.根据权利要求7所述的基于催化传感的草甘膦检测方法，其特征在于，步骤S14包括以下步骤：

将0.1-0.3mmol二-叔丁基-1,4,7-三氮杂环壬烷基-1,4-二羧酸酯-(S代-甲酸-n-酯)加入到10-30ml盐酸中，在50-70℃下搅拌反应5-8h，旋干后得到n-(1,4,7-三氮杂环壬烷基)-1-硫醇。

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