CN114414481A - 一种可视化检测有机磷农药的液晶传感器及其检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种可视化检测有机磷农药的液晶传感器及其检测方法，属于农药检测技术领域。首先，用金属盐溶液修饰羧基化的玻璃基底。然后，在修饰的表面上滴加有机磷农药，放置待液滴变干。用Mylar聚酯膜，将样品玻片与DMOAP(N,N‑二甲基‑N‑十八烷基‑3‑氨丙基三甲氧基甲硅烷基氯化铵)修饰的另一玻片以“三明治”夹心的方式组装成液晶池，置于偏光显微镜下观察。由于农药分子中的磷氧键、磷硫键与液晶分子中氰基对金属离子的竞争配位作用，导致液晶取向发生改变，可以观察到农药滴加的区域，液晶图像发生从“黑”到“亮”的变化，从而判断出样品中是否含有有机磷农药。该方法因操作简便，无需对样品进行标记，实际消耗量小，检测结果迅速显现等优点。

Description

一种可视化检测有机磷农药的液晶传感器及其检测方法
技术领域
本发明属于农药检测技术领域，具体涉及一种可视化检测有机磷农药的液晶传感器及其检测方法。
背景技术
有机磷农药具有高效、广谱的特点，是农业部门中使用最广泛的农药之一，几乎涵盖了农药的所有领域，特别是在杀虫剂与除草剂中表现优异。有机磷农药的广泛使用，导致严重的农药残留问题。目前，在对食品的抽查中，有近7％的蔬果中存在有机磷农药残留。由于有机磷农药对乙酰胆碱酯酶存在抑制作用，因此会导致乙酰胆碱过度积累，从而引起如恶心、呕吐、呼吸困难等症状，严重时甚至会致人死亡。因此，有机磷农药残留引起了严重的食品安全问题。对有机磷农药残留进行检测，特别是实时便携检测意义重大。
目前传统的有机磷农药检测手段主要有气相色谱法(GC)、气相色谱-质谱法(GC-MS)、气相色谱-串联质谱法(GC-MS/MS)、高效液相法(HPLC)、液相色谱-串联质谱法(LC-MS/MS)等。这些方法虽然有着灵敏度高、特异性强等优势，但需要昂贵的设备与训练有素的技术人员，且操作耗时，不适合在现场进行检测。
液晶作为一种新兴的检测技术，由于其低能耗、操作简单、检测结果肉眼可见等优点，逐渐走入人们的视野中。液晶检测的原理主要是通过目标物引起液晶取向的变化，导致液晶呈现不同的光学图像，从而判断检测物的有无。目前，已有一些研究人员将液晶应用于对有机磷农药的检测中，但他们都是利用有机磷对乙酰胆碱酯酶的抑制作用来实现对有机磷的检测，然而酶作为一种活性物质，其反应条件苛刻，且应用保存困难。
发明内容
因此，本发明利用金属离子作为探针，通过有机磷农药中磷氧键、磷硫键与液晶分子中氰基对金属离子的竞争配位的机理来检测有机磷农药，为构建有机磷农药的液晶检测提供了新的思路与方法。
为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
一种可视化检测有机磷农药的液晶传感器，所述液晶传感器为内部注入有液晶的“三明治”夹心结构的液晶池；所述液晶池的上层为DMOAP溶液修饰的上玻片，中间层为液晶，下层为金属高氯酸盐和有机磷农药固定的下玻片，所述液晶池的两端宽边固定有Mylar聚酯膜。
进一步地，所述DMOAP溶液的体积分数为0.2％-1％，所述Mylar聚酯膜的厚度为6-30μm，所述金属高氯酸盐为Cu(ClO4)2，Fe(ClO4)3，Zn(ClO4)2，Al(ClO4)3中的一种。
一种可视化检测有机磷农药的液晶传感器的检测方法，包括以下步骤：
1)玻片的清洗
用清洗液浸泡载玻片，冲洗烘干；
2)玻片的修饰
2-1)上玻片硅烷化处理
2-2)下玻片羧基化处理
3)用金属高氯酸盐固定下玻片
将金属高氯酸盐无水乙醇溶液滴加于切割好的步骤2-2)下玻片表面的中心，按照旋涂参数将金属高氯酸盐旋涂在载玻片上，干燥，防尘备用；
4)有机磷农药与金属高氯酸盐的配位反应
将有机磷农药水溶液滴加在金属高氯酸盐修饰的下玻片，室温下放置10-50min，金属高氯酸盐即与有机磷农药发生反应，N2吹干备用；
5)液晶池的制作
液晶池由步骤2-1)中的上玻片和步骤4)中的下玻片面对面组装而成，玻片的左右两端固定Mylar聚酯膜，用移液枪吸取液晶沿未用夹子固定的一端注入液晶池中，静置1～2min，5CB液晶将通过毛细管作用充满整个液晶池，最后使用偏振光显微镜观察液晶池的光学图像。
上述检测方法中，进一步地，所述的步骤1)中用1％-10％Decon-90溶液浸泡载玻片，浸泡时间为1-12h再用去离子水冲洗干净，氮气吹干，放入60-110℃烘箱将载玻片烘干冷却后防尘备用；
所述步骤2-1)中上玻片硅烷化处理具体的是用DMOAP水溶液常温下浸泡步骤1)中的玻片，将玻片用去离子水冲洗后，氮气吹干，干燥防尘备用；
所述步骤2-2)中的下玻片的羧基化处理是TESPSA(3-(三乙氧基硅基)丙基琥珀酸酐)溶液修饰下玻片的：用的TESPSA水溶液浸泡步骤1)中的玻片，将玻片用大量去离子水冲洗干净后，干燥防尘备用。
上述检测方法中，进一步地，所述DMOAP水溶液浸泡时间5-30min，所述TESPSA溶液体积分数为0.1-1％TESPSA水溶液浸泡温度为60-100℃，TESPSA水溶液浸泡时间为2-8h，使基底表面羧基化。
上述检测方法中，进一步地，所述的步骤3)中金属高氯酸盐无水乙醇溶液的浓度为5-20mM，旋涂参数设置为2000-6000rpm，旋涂时间为0.5-2min，金属高氯酸盐无水乙醇溶液的旋涂用量为30-100μL。
上述检测方法中，进一步地，所述的步骤4)中有机磷农药溶液的浓度为0.1-50μg/mL。
上述检测方法中，进一步地，所述的步骤5)中Mylar聚酯膜的厚度为6-30μm，吸取的液晶5CB的量为3-30μL。
上述检测方法中，进一步地，所述的步骤5)中所述液晶为5CB液晶、E7液晶、8CB液晶中的一种。
本发明提供了前述液晶传感器在有机磷农药检测中的应用。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明在通过液晶传感器检测有机磷农药的过程中引入了金属离子作为探针，实现了简单快速，高效检测有机磷农药的目的，且排除了常见农药的干扰。并在此基础上，优选了金属离子的种类与浓度，提高了对有机磷的检测效果，对草甘膦、马拉硫磷检测限分别为1μg/mL和0.1μg/mL。
附图说明
图1为不同转速下基底为Cu(ClO4)2的液晶池的光学成像。
图2为不同Cu(ClO4)2浓度下水对液晶池光学成像的影响
图3为不同浓度Cu(ClO4)2对草甘膦的检测图像。
图4为不同浓度Cu(ClO4)2对马拉硫磷的检测图像。
图5为不同金属高氯酸盐对草甘膦的检测图像。
图6为不同金属高氯酸盐对马拉硫磷的检测图像。
图7为螺虫乙酯对传感器性能的影响图像。
图8为噻虫嗪对传感器性能的影响图像。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明处理工艺作进一步说明。
实施例1
本实施例提供一种对金属盐探针基底层制备优化的方法，具体步骤如下：
1)将载玻片在配好的Decon-90溶液中充分浸泡，再用去离子水冲洗干净，氮气吹干，于80℃干燥30min，防尘备用。
2)玻片的修饰
上玻片的DMOAP(N,N-二甲基-N-十八烷基-3-氨丙基三甲氧基甲硅烷基氯化铵)溶液组装：将清洗干燥后的玻片浸入DMOAP水溶液中，在常温下充分浸泡，再用去离子水冲洗后，氮气吹干，于80℃干燥30min，防尘备用。
下玻片的TESPSA(3-(三乙氧基硅基)丙基琥珀酸酐)溶液组装：将清洗干燥后的玻片浸入0.5％(体积分数)的TESPSA水溶液中，于80℃恒温6h，浸泡完全后，将玻片用大量去离子水冲洗干净后，氮气吹干，于80℃干燥30min，防尘备用。
3)金属高氯酸盐的固定
将羧基化处理的下玻片切割为合适的大小，取50uL的金属高氯酸盐无水乙醇溶液滴加于切割好的下玻片表面的中心，以2000-4000rpm的转速旋涂，使金属高氯酸盐旋涂在载玻片上，于80℃干燥30min，防尘备用。金属高氯酸盐即可通过络合作用固定在玻片上。
4)液晶池的制作
液晶池由上玻片和下玻片面对面组装而成，玻片的左右两端固定Mylar聚酯膜，用移液枪吸取一定量的5CB液晶沿未用夹子固定的一端注入液晶池中，静置1～2min，5CB液晶将通过毛细管作用充满整个液晶池。最后使用偏振光显微镜检查液晶池的光学图像。
将实施例1制备的液晶池在偏光显微镜下进行观察，得到图1结果。如图1所示，当旋涂转速较低时，光学成像中亮斑大且多，随着转速的增加，光学成像逐渐呈现均一黑色图像，为了使基底固定有足够多的金属高氯酸盐诱导液晶排列，选择优化转速为4000rpm。
实施例2
本实施例提供对有机磷农药检测排除溶剂干扰的方法，以Cu(ClO4)2为例：
1)将载玻片在配好的Decon-90溶液中充分浸泡，再用去离子水冲洗干净，氮气吹干，于80℃干燥30min，防尘备用。
2)玻片的修饰
上玻片的DMOAP溶液组装：将清洗干燥后的玻片浸入DMOAP水溶液中，在常温下充分浸泡，再用去离子水冲洗后，氮气吹干，于80℃干燥30min，防尘备用。
下玻片的TESPSA溶液组装：将清洗干燥后的玻片浸入0.5％(体积分数)的TESPSA水溶液中，于80℃恒温6h，浸泡完全后，将玻片用大量去离子水冲洗干净后，氮气吹干，于80℃干燥30min，防尘备用。
3)金属高氯酸盐的固定
将羧基化处理的下玻片切割为合适的大小，取(0.5-15mM的)Cu(ClO4)2无水乙醇溶液滴加于切割好的下玻片表面的中心，以4000rpm的转速旋涂，使Cu(ClO4)2盐旋涂在载玻片上，于80℃干燥30min，防尘备用。Cu(ClO4)2即可通过络合作用固定在玻片上。
4)水干扰的排除
将Cu(ClO4)2修饰的下玻片切割成小的长方形玻片，滴加去离子水，室温下反应30min。N2吹干备用。
5)液晶池的制作
液晶池由上玻片和下玻片面对面组装而成，玻片的左右两端固定有Mylar聚酯膜，用移液枪吸取一定量的5CB液晶沿未用夹子固定的一端注入液晶池中，静置1～2min，5CB液晶将通过毛细管作用充满整个液晶池。最后使用偏振光显微镜检查液晶池的光学图像。
将实施例2制备的液晶池置于偏光显微镜下观察，得到图2照片。如图2所示，随着Cu(ClO4)2浓度升高，水对液晶分子的影响逐渐变小，当Cu(ClO4)2浓度为10mM、15mM时，光学成像完全呈现黑色。因此，浓度大于等于10mM的Cu(ClO4)2修饰的表面都可作为传感器的敏感基底用于有机磷农药的检测。
实施例3
本实施例提供一种对金属盐探针浓度优化的方法，以Cu(ClO4)2为例：
1)将载玻片在配好的Decon-90溶液中充分浸泡，再用去离子水冲洗干净，氮气吹干，于80℃干燥30min，防尘备用。
2)玻片的修饰
上玻片的DMOAP溶液组装：将清洗干燥后的玻片浸入DMOAP水溶液中，在常温下充分浸泡，再用去离子水冲洗后，氮气吹干，于80℃干燥30min，防尘备用。
下玻片的TESPSA溶液组装：将清洗干燥后的玻片浸入0.5％(体积分数)的TESPSA水溶液中，于80℃恒温6h，浸泡完全后，将玻片用大量去离子水冲洗干净后，氮气吹干，于80℃干燥30min，防尘备用。
3)金属高氯酸盐的固定
将羧基化处理的下玻片切割为合适的大小，取(10-15mM的)Cu(ClO4)2无水乙醇溶液滴加于切割好的下玻片表面的中心，以4000rpm的转速旋涂，使Cu(ClO4)2盐旋涂在载玻片上，于80℃干燥30min，防尘备用。Cu(ClO4)2即可通过络合作用固定在玻片上。
4)有机磷农药与Cu(ClO4)2的配位反应
将Cu(ClO4)2修饰的下玻片切割成小的长方形玻片，滴加一定浓度的马拉硫磷(草甘膦)农药水溶液，室温下反应30min，Cu(ClO4)2即与马拉硫磷(草甘膦)农药发生配位反应。N2吹干备用。
5)液晶池的制作
液晶池由上玻片和下玻片面对面组装而成，玻片的左右两端固定有Mylar聚酯膜，用移液枪吸取一定量的5CB液晶沿未用夹子固定的一端注入液晶池中，静置1～2min，5CB液晶将通过毛细管作用充满整个液晶池。最后使用偏振光显微镜检查液晶池的光学图像。
将实施例3制备的液晶池分别置于偏光显微镜下观察。如图3所示，当Cu(ClO4)2浓度为10mM和15mM时，对草甘膦检测限分别为10μg/mL和50μg/mL，如图4所示，当Cu(ClO4)2浓度为10mM和15mM时，对马拉硫磷检测限分别为5μg/mL和20μg/mL。当可排除水的干扰时，Cu(ClO4)2浓度越低检测效果越好。
实施例4
本实施例提供优化不同金属盐离子探针用于检测有机磷农药的方法，具体步骤如下：
1)将载玻片在配好的Decon-90溶液中充分浸泡，再用去离子水冲洗干净，氮气吹干，于80℃干燥30min，防尘备用。
2)玻片的修饰
上玻片的DMOAP溶液组装：将清洗干燥后的玻片浸入DMOAP水溶液中，在常温下充分浸泡，再用去离子水冲洗后，氮气吹干，于80℃干燥30min，防尘备用。
下玻片的TESPSA溶液组装：将清洗干燥后的玻片浸入0.5％(体积分数)的TESPSA水溶液中，于80℃恒温6h，浸泡完全后，将玻片用大量去离子水冲洗干净后，氮气吹干，于80℃干燥30min，防尘备用。
3)金属高氯酸盐的固定
将羧基化处理的下玻片切割为合适的大小，取适量的金属高氯酸盐无水乙醇溶液(如Cu(ClO4)2，Al(ClO4)3，Zn(ClO4)2，Fe(ClO4)3，但不限于列出的金属盐溶液)滴加于切割好的下玻片表面的中心，以优化的金属盐浓度使金属高氯酸盐旋涂在载玻片上，于80℃干燥30min，防尘备用。金属高氯酸盐即可通过络合作用固定在玻片上。
4)有机磷农药与金属高氯酸盐的配位反应
将金属高氯酸盐修饰的下玻片切割成小的长方形玻片，滴加一定浓度的有机磷农药水溶液，室温下反应30min，金属盐即与有机磷农药发生配位反应。N2吹干备用。
5)液晶池的制作
液晶池由上玻片和下玻片面对面组装而成，玻片的左右两端固定有Mylar聚酯膜，用移液枪吸取一定量的5CB液晶沿未用夹子固定的一端注入液晶池中，静置1～2min，5CB液晶将通过毛细管作用充满整个液晶池。最后使用偏振光显微镜检查液晶池的光学图像。
将实施例4制备的液晶池分别置于偏光显微镜下观察。如图5所示，优化后的Cu(ClO4)2对草甘膦的检测限为10μg/mL；优化后的Fe(ClO4)3对草甘膦的检测限为5μg/mL；优化后的Zn(ClO4)2对草甘膦的检测限为1μg/mL；优化后的Al(ClO4)3对草甘膦的检测限为1μg/mL；如图6所示，优化后的Cu(ClO4)对马拉硫磷检测限为5μg/mL；优化后的Fe(ClO4)3对马拉硫磷检测限为0.5μg/mL；优化后的Zn(ClO4)2对马拉硫磷检测限为0.1μg/mL；优化后的Al(ClO4)3对马拉硫磷检测限为0.1μg/mL。当浓度优化好后，不同的金属离子探针对有机磷农药的检测效果不同。
实施例5
本实施例提供该传感器抗干扰的效果，具体步骤如下：
1)将载玻片在配好的Decon-90溶液中充分浸泡，再用去离子水冲洗干净，氮气吹干，于80℃干燥30min，防尘备用。
2)玻片的修饰
上玻片的DMOAP溶液组装：将清洗干燥后的玻片浸入DMOAP水溶液中，在常温下充分浸泡，再用去离子水冲洗后，氮气吹干，于80℃干燥30min，防尘备用。
下玻片的TESPSA溶液组装：将清洗干燥后的玻片浸入0.5％(体积分数)的TESPSA水溶液中，于80℃恒温6h，浸泡完全后，将玻片用大量去离子水冲洗干净后，氮气吹干，于80℃干燥30min，防尘备用。
3)金属高氯酸盐的固定
将羧基化处理的下玻片切割为合适的大小，取适量的金属高氯酸盐无水乙醇溶液滴加于切割好的下玻片表面的中心，以设定的旋涂参数使金属高氯酸盐旋涂在载玻片上，于80℃干燥30min，防尘备用。金属高氯酸盐即可通过络合作用固定在玻片上。
4)其他农药与金属高氯酸盐的反应
将金属高氯酸盐修饰的下玻片切割成小的长方形玻片，滴加一定浓度的其它农药水溶液，室温下反应30min，N2吹干备用。
5)液晶池的制作
液晶池由上玻片和下玻片面对面组装而成，玻片的左右两端固定有Mylar聚酯膜，用移液枪吸取一定量的5CB液晶沿未用夹子固定的一端注入液晶池中，静置1～2min，5CB液晶将通过毛细管作用充满整个液晶池。最后使用偏振光显微镜检查液晶池的光学图像。
将实施例5制备的液晶池分别置于偏光显微镜下观察，其它常见农药如噻虫嗪和螺虫乙酯对检测效果无干扰。如图7所示，当加入螺虫乙酯时，光学图像依然是黑色的；如图8所示，当加入噻虫嗪时，光学图像也是黑色的，即无反应，证明了我们设计的传感器有较好的特异性与抗干扰性能。
对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种可视化检测有机磷农药的液晶传感器，其特征在于，所述液晶传感器为内部注入有液晶的“三明治”夹心结构的液晶池；所述液晶池的上层为DMOAP溶液修饰的上玻片，中间层为液晶，下层为金属高氯酸盐和有机磷农药固定的下玻片；所述液晶池的两端宽边固定有Mylar聚酯膜。
2.根据权利要求1所述的一种可视化检测有机磷农药的液晶传感器，其特征在于，所述DMOAP溶液的体积分数为0.2％-1％，所述Mylar聚酯膜的厚度为6-30μm，所述金属高氯酸盐为Cu(ClO4)2，Fe(ClO4)3，Zn(ClO4)2，Al(ClO4)3中的一种。
3.权利要求1-2所述的一种可视化检测有机磷农药的液晶传感器的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)玻片的清洗
用清洗液浸泡载玻片，冲洗烘干
2)玻片的修饰
2-1)上玻片硅烷化处理
2-2)下玻片羧基化处理
3)用金属高氯酸盐固定下玻片
将金属高氯酸盐无水乙醇溶液滴加于切割好的步骤2-2)下玻片表面的中心，按照旋涂参数将金属高氯酸盐旋涂在载玻片上，干燥，防尘备用
4)有机磷农药与金属高氯酸盐的配位反应
将有机磷农药水溶液滴加在金属高氯酸盐修饰的下玻片，室温下放置10-50min，N2吹干备用
5)液晶池的制作
液晶池由步骤2-1)中的上玻片和步骤4)中的下玻片面对面组装而成，将玻片的左右两端固定有Mylar聚酯膜，用移液枪吸取液晶沿未用夹子固定的一端注入液晶池中，静置1～2min，液晶将通过毛细管作用充满整个液晶池，最后使用偏振光显微镜观察液晶池的光学图像。
4.根据权利要求3所述的一种可视化检测有机磷农药的液晶传感器的检测方法，其特征在于：所述的步骤1)中用1％-10％Decon-90溶液浸泡载玻片，浸泡时间为1-12h，再用去离子水冲洗干净，氮气吹干，放入60-110℃烘箱将载玻片烘干冷却后防尘备用；
所述步骤2-1)中上玻片硅烷化处理具体的是用DMOAP水溶液常温下浸泡步骤1)中的玻片，将玻片用去离子水冲洗后，氮气吹干，干燥防尘备用；
所述步骤2-2)中的下玻片的羧基化处理是TESPSA溶液修饰下玻片的：用的TESPSA水溶液浸泡步骤1)中的玻片，将修饰后的玻片用大量去离子水冲洗干净后，干燥防尘备用。
5.根据权利要求4所述的一种可视化检测有机磷农药的液晶传感器的检测方法，其特征在于：所述DMOAP水溶液浸泡时间5-30min，所述TESPSA溶液体积分数为0.1-1％TESPSA水溶液浸泡温度为60-100℃，TESPSA水溶液浸泡时间为2-8h。
6.根据权利要求3所述的一种可视化检测有机磷农药的液晶传感器的检测方法，其特征在于：所述的步骤3)中金属高氯酸盐无水乙醇溶液的浓度为5-20mM，旋涂参数设置为2000-6000rpm，旋涂时间为0.5-2min，金属高氯酸盐无水乙醇溶液的旋涂用量为30-100μL。
7.根据权利要求3所述的一种可视化检测有机磷农药的液晶传感器的检测方法，其特征在于：所述的步骤4)中有机磷农药溶液的浓度为0.1-50μg/mL。
8.根据权利要求3所述的一种可视化检测有机磷农药的液晶传感器的检测方法，其特征在于：所述的步骤5)中Mylar聚酯膜的厚度为6-30μm，吸取的液晶5CB的量为3-30μL。
9.根据权利要求3所述的一种可视化检测有机磷农药的液晶传感器的检测方法，其特征在于：所述的步骤5)中所述液晶为5CB液晶、E7液晶、8CB液晶中的一种。
10.权利要求1-2任一项所述液晶传感器在有机磷农药检测中的应用。
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