一种含锌金属有机框架材料及其制备方法和应用与流程

本发明涉及一种农药残留检测的技术领域，特别涉及一种利用含锌金属有机框架材料检测甲基对硫磷的荧光方法。

背景技术：

甲基对硫磷是一种高毒有机磷酸酯类农药，其残留对生态环境造成严重的污染与危害，人类食入被农药污染的蔬菜食品后，残留在其中的农药会在人体内积累或富集，当富集到一定浓度时，将造成人体急性或慢性中毒、致病、致癌，甚至于致死。随着生活水平的提高，人们越来越关注食品卫生安全。在食品安全、环境和农产品的进出口贸易中，把甲基对硫磷列为重要的污染检测物，建立快速、灵敏、可靠的甲基对硫磷检测方法尤为重要。

目前，有关甲基对硫磷的检测方法主要有光谱法、免疫测定法、色谱法、色谱与质联用法及ELISA方法。这些方法各有其优缺点，色谱法准确但是需要配置昂贵的大型分析仪器，同时对人员的技术素质要求极高，一般单位很难达到，且不适于快速、简便地进行大批量样品的检测，ELISA法用到的试剂较多，操作繁琐、费时，影响因素也较多。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明目的在于提供一种快速、简便、灵敏的利用含锌金属有机框架材料检测甲基对硫磷的荧光方法

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种含锌金属有机框架材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

将卟啉、4-羧基苯基苯、硝酸锌和N,N-二甲基甲酰胺在超声条件下混合，得到混合溶液；

将所述混合溶液进行水热反应，得到含锌金属有机框架材料。

优选的，所述卟啉为中-四-(4-羧基苯基)卟吩、四(4-氨基苯基)卟啉或四(4-硝基苯基)卟啉。

优选的，所述4-羧基苯基苯为1,3,5-三(4-羧基苯基)苯或1,2,4,5-四(4-羧基苯基)苯。

优选的，所述卟啉、4-羧基苯基苯和硝酸锌的摩尔比为1:1.8～2.1:2.1～2.3；

所述卟啉的物质的量和N,N-二甲基甲酰胺的体积比为1mol:70～150ml。

优选的，所述水热反应的温度为100～120℃；所述水热反应的时间为24～48h。

本发明提供了一种上述方案所述制备方法制备的含锌金属有机框架材料。

本发明提供了一种上述方案所述的含锌金属有机框架材料在荧光法检测甲基对硫磷中的应用。

优选的，所述应用包括以下步骤：

将待测样品与含锌金属有机框架材料的醇溶液混合后检测荧光强度；根据荧光强度值和预定的标准曲线得到待测样品中甲基对硫磷的浓度；

所述标准曲线为荧光强度和甲基对硫磷浓度对数的关系曲线。

优选的，所述标准曲线由以下步骤得到：

将含甲基对硫磷的标准溶液与含锌金属有机框架材料的醇溶液混合后检测荧光强度，绘制荧光强度和甲基对硫磷浓度对数的关系曲线，得到标准曲线。

优选的，所述标准曲线的线性范围为1ppb～10ppm。

本发明提供了一种含锌金属有机框架材料的制备方法，包括以下步骤：将卟啉、4-羧基苯基苯、硝酸锌和N,N-二甲基甲酰胺在超声条件下混合，得到混合溶液；将所述混合溶液进行水热反应，得到含锌金属有机框架材料。本发明使用卟啉、苯羧基苯和硝酸锌为原料制备含锌金属有机框架材料，制备方法简单，步骤少，且得到的含锌金属有机框架材料的荧光信号能被甲基对硫磷猝灭，荧光猝灭程度与甲基对硫磷含量的对数呈线性相关，从而为甲基对硫磷的检测开辟了一条新思路。

本发明还提供了所述含锌金属有机框架材料在荧光法检测甲基对硫磷中的应用。本发明将含锌金属有机框架材料应用于荧光法检测甲基对硫磷中，利用含锌金属有机框架材料的荧光猝灭程度与甲基对硫磷含量的对数呈线性相关这一特性，实现了甲基对硫磷快速、简单、灵敏的检测，适用于食品安全中甲基对硫磷残留的检测；并且在检测中仅需利用含锌金属有机框架材料这一种关键试剂，整个检测过程中都在均相中实现，避免了繁琐的操作，同时避免了影响因素较多造成的检测结果不准确的问题，并且该荧光检测法速度很快，仅需20秒左右即可完成，大大提高了检测效率。试验结果表明，本发明所述荧光方法对甲基对硫磷的检测下限为1ppb，检测上限为10ppm，且检测结果准确，操作简单，速度快。

附图说明

图1为本发明实施例1制备的含锌金属有机框架材料(ZnPO-MOF)的扫描电子显微镜照片；

图2为本发明实施例1制备的含锌金属有机框架材料(ZnPO-MOF)的X射线衍射图谱；

图3为本发明实施例1制备的含锌金属有机框架材料(ZnPO-MOF)的热重分析图；

图4为本发明实施例2中样品的荧光响应曲线图；

图5为本发明实施例2中的样品在紫外灯下进行观察的照片；

图6为本发明实施例3样品中ZnPO-MOF浓度与荧光信噪比的柱状关系图；

图7A为本发明实施例4样品的荧光响应曲线图；

图7B为本发明实施例4样品的荧光强度和甲基对硫磷浓度的对数的关系图；

图8为本发明实施例5中样品的荧光强度柱状图。

具体实施方式

本发明提供了一种含锌金属有机框架材料的制备方法，包括以下步骤：

将卟啉、4-羧基苯基苯、硝酸锌和N,N-二甲基甲酰胺在超声条件下混合，得到混合溶液；

将所述混合溶液进行水热反应，得到含锌金属有机框架材料。

本发明将卟啉、苯羧基苯和硝酸锌和N,N-二甲基甲酰胺在超声条件下混合，得到混合溶液。在本发明中，所述卟啉优选为中-四-(4-羧基苯基)卟吩、四(4-氨基苯基)卟啉或四(4-硝基苯基)卟啉；所述苯羧基苯优选为1,3,5-三(4-羧基苯基)苯或1,2,4,5-四(4-羧基苯基)苯；所述硝酸锌优选为水合硝酸锌，更优选为六水合硝酸锌。

在本发明中，所述卟啉、苯羧基苯和硝酸锌的摩尔比优选为1:1.8～2.1:2.1～2.3，更优选为1:2:2.2；所述卟啉的摩尔量和N,N-二甲基甲酰胺的体积比优选为1mol:70～150ml，更优选为1mol：70～100ml。

本发明以N,N-二甲基甲酰胺为溶剂，利用N,N-二甲基甲酰胺在合成过程中分解的甲酰胺促使配体更容易脱除质子，从而促使配体和金属离子的结合。

在本发明中，所述超声的时间优选为10～20min，更优选为15min；本发明对超声温度没有特殊要求，在室温下进行超声即可，无需进行加热和降温；本发明对超声的功率没有用特殊要求，使用本领域超声时使用的常规功率即可，优选为300～500W，更优选为350～450W。

得到混合溶液后，本发明将所述混合溶液进行水热反应，得到含锌金属有机框架材料(ZnPO-MOF)。在本发明中，所述水热反应的温度优选为100～120℃，更优选为105～115℃；所述水热反应的时间优选为24～48h，更优选为30～40h，最优选为32～38h；本发明优选使用反应釜进行水热反应；本发明对反应釜的具体形式没有特殊要求，使用本领与常规的反应釜即可。

所述水热反应完成后，本发明优选对水热反应产物进行后处理，得到含锌金属有机框架材料(ZnPO-MOF)。所述后处理优选依次包括离心、洗涤和干燥。本发明对离心没有特殊要求，使用本发明常规的离心方法即可；所述洗涤优选为离心洗涤，具体为向离心后得到的沉淀物中加入乙醇后进行离心，所述离心的方法与上述方案一致；所述离心洗涤的次数优选为3～5次，更优选为4次。所述洗涤完成后，本发明优选将洗涤后的产物进行干燥；所述干燥温度优选为50～70℃，更优选为55～65℃，最优选为60℃；所述干燥的时间优选为10～18h，更优选为12～15h，最优选为13～14h。

本发明提供了一种上述方案所述制备方法制备的含锌金属有机框架材料。在本发明中，所述含锌金属有机框架材料晶体结构为多晶堆积状，热稳定性较强，热分解温度为380℃左右，并且本发明所述的含锌金属有机框架材料具有良好的结构稳定性，在乙醇等有机溶剂中进行分散不会影响材料的结构和孔道分布。

在本发明中，所述含锌金属有机框架材料的荧光信号能被甲基对硫磷猝灭，荧光猝灭程度与甲基对硫磷含量的对数呈线性相关，加入的甲基对硫磷量越多，荧光猝灭程度越明显；本发明提供的含锌金属有机框架材料的这一性能为甲基对硫磷的荧光检测方法提供了一条新思路。

本发明提供了上述方案所述含锌金属有机框架材料在荧光法检测甲基对硫磷中的应用。在本发明中，所述应用包括以下步骤：

将待测样品与含锌金属有机框架材料的醇溶液混合后检测荧光强度；

根据荧光强度值和预定的标准曲线得到待测样品中甲基对硫磷的浓度；所述标准曲线为荧光强度和甲基对硫磷浓度对数的关系曲线。

在本发明中，所述醇优选为甲醇或乙醇；所述含锌金属有机框架材料的醇溶液的浓度优选为9.8～10.2μg/ml，更优选为10μg/ml。

在本发明中，所述待测样品来自于污水、食品或农产品等待测物，将待测物进行前处理得到的液相待测样品，即为本发明所述的待测样品；本发明对待测物的前处理方法没有特殊要求，使用本领域荧光检测时常用的处理方法即可。在本发明中，所述待测样品和含锌金属有机框架材料的醇溶液的体积比优选为8.5～9.5:1，更优选为9:1。

在本发明的部分具体实施例中，当待测物为农产品或食品等固态物质时，可通过以下方法进行前处理：将待测物搅碎后进行均质，得到均质物；将均质物和提取剂混合后进行离心，得到上清液，为避免其他溶剂对ZnPO-MOF带来的影响，取上清液以乙醇稀释十倍后进行后续的甲基对硫磷含量检测。

在本发明中，所述搅碎优选使用组织捣碎机进行；本发明对搅碎的程度没有特殊要求。在本发明中，所述均质的转速优选为8000～12000转/min，更优选为9000～10000转/min；所述均质的时间优选为1～3min，更优选为1.5～2.5min。

在本发明中，所述提取剂优选为乙醇、乙腈、乙酸乙酯、丙酮和二氯甲烷中的一种或几种的混合物；所述提取剂的体积和均质物的质量比优选为4～10ml:1g，更优选为5～8ml：1g。

在本发明中，所述离心的转速优选为3000～5000转/min，更优选为3500～4500转/min；所述离心的时间优选为4～8min，更优选为5～6min。

在本发明的另一部分具体实施例中，当待测物为污水等液态物质时，可以不经预处理直接将污水等待测物质和含锌金属有机框架材料的醇溶液混合后进行检测；当污水等液态物质中甲基对硫磷含量较高/较低时，可以进行简单的稀释/浓缩后再进行检测，无需进行其他的预处理。

在本发明中，所述标准曲线由以下步骤得到：

将含甲基对硫磷的标准溶液与含锌金属有机框架材料的醇溶液混合后检测荧光强度，绘制荧光强度和甲基对硫磷浓度对数的关系曲线，得到标准曲线。

在本发明中，所述含锌金属有机框架材料的醇溶液与上述方案一致，在此不再赘述。在本发明中，所述标准溶液为使用纯度大于99％的甲基对硫磷配制的标准溶液；所述标准溶液的甲基对硫磷浓度优选为10ppb～100ppm；所述标准溶液的浓度梯度优选为2～10倍，在本发明的部分具体实施例中，可以将浓度为10ppb的标准溶液作为最低浓度的标准溶液，之后以2～10倍的梯度进行递增，最高浓度控制为100ppm。在本发明中，所述标准溶液和含锌金属有机框架材料醇溶液的体积比与含甲基对硫磷的样品和含锌金属有机框架材料的醇溶液的体积比相同，在此不再赘述。在本发明中，所述标准曲线的线性范围为1ppb～10ppm。

在本发明的具体实施例中，优选配制8～10组不同浓度的标准溶液，将标准溶液和含锌金属有机框架材料混合，得到混合溶液，控制混合溶液中甲基对硫磷的浓度为1ppb～10ppm，检测混合溶液的荧光强度，绘制荧光强度和甲基对硫磷浓度的对数的关系图，作为标准曲线，在该范围内，荧光强度和甲基对硫磷浓度的对数成反比。在本发明中，所述检测荧光强度的荧光检测条件优选为：激发波长250～280nm，荧光发射波长360～398nm，更优选为激发波长260～270nm，荧光发射波长370～398nm，最优选为激发波长275nm，荧光发射波长398nm。

本发明将含甲基对硫磷的样品与含锌金属有机框架材料的醇溶液混合后检测荧光强度，根据荧光强度的数值和标准曲线得出样品中甲基对硫磷的浓度，并结合前处理过程对甲基对硫磷的总浓度进行计算，最终得出待测物(污水、食品、农产品等)中甲基对硫磷的实际浓度。

下面结合实施例对本发明提供的含锌金属有机框架材料及其制备方法和应用进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1

取卟啉182mg、1,2,4,5苯羧基苯255mg及Zn(NO₃)₂·6H₂O 150mg于烧杯中，加入DMF 25mL，超声15min使其均匀；将混合均匀的溶液倒入反应釜，100℃反应24h；水热反应完成后将产物离心去除上层液体，乙醇反复离心洗涤3次；60℃干燥10h即可得到ZnPO-MOF固体粉末。

对所得的ZnPO-MOF材料进行扫描电子显微镜分析，所得结果如图1所示；根据图1可以看出，本发明制备的ZnPO-MOF为多晶堆积状的晶体颗粒；

使用X射线衍射仪对所得ZnPO-MOF材料进行检测，所得XRD图谱如图2所示；根据图2可以看出，XRD谱图峰型较好，出峰明显，说明本发明制备的ZnPO-MOF材料结晶情况较好，且可看出该ZnPO-MOF为一典型多晶。

对所得ZnPO-MOF材料进行热重分析，所得热重分析图如图3所示；根据图3可以看出，本发明制备的ZnPO-MOF材料热稳定性好，在低于380℃的温度范围内有很好的热稳定性，不会发生分解。

实施例2

a、称取1mg实施例1制备的ZnPO-MOF材料于2mL离心管，加入1mL无水乙醇，配置成1mg mL^-1的ZnPO-MOF溶液，稀释100倍备用；

b、以无水乙醇为溶剂，配置100ppm的甲基对硫磷标准溶液；

c、向编号为A1、A2、A3、A4的96微孔板中分别加入10μg mL^-1的ZnPO-MOF 90μL，向孔A1中加入无水乙醇10μL，向孔A2中加入浓度为100ppm的甲基对硫磷10μL，向孔A3中加入浓度为100ppm的速灭威10μL，向孔A4中加入浓度为100ppm的辛硫磷10μL，在酶标仪上检测荧光强度(检测条件：激发波长275nm，荧光波长398nm)，绘制荧光强度曲线，所得结果如图4所示，其中曲线a为样品A1(不加入任何农药)荧光响应曲线，曲线b为样品A2(加入甲基对硫磷)的荧光响应曲线，曲线c为样品A3(加入速灭威)的荧光响应曲线，曲线d为样品A4(加入辛硫磷)的荧光响应曲线；根据图4可以看出，不加入任何农药时，ZnPO-MOF的荧光强度较强，当样品中甲基对硫磷的总浓度为10ppm时，ZnPO-MOF的荧光被完全猝灭；当用其他农药代替甲基对硫磷时，ZnPO-MOF的荧光没有明显变化；

将A1、A2中的溶液转移到离心管1和离心管2中，放在紫外灯下观察，观察结果如图5所示；根据图5可以看出，加入甲基对硫磷后，ZnPO-MOF的荧光强度明显变低；

以上试验结果说明，本发明制备的含锌金属有机框架材料(ZnPO-MOF)的荧光强度能够被甲基对硫磷猝灭，且不受其他种类农药的影响。

实施例3

a、称取1mg实施例1制备的ZnPO-MOF材料于2mL离心管，加入1mL无水乙醇，配置成1mg mL^-1ZnPO-MOF溶液，梯度稀释ZnPO-MOF溶液，得到浓度为1mg mL^-1，100μgmL^-1，10μg mL^-1，1μg mL^-1，0.1μg mL^-1的ZnPO-MOF溶液；

b、以无水乙醇为溶剂，配置100ppm的甲基对硫磷标准溶液；

c、向编号为B1、C1的96微孔板中加入1mg mL^-1的ZnPO-MOF 90μL；向编号为B2、C2的96微孔板中加入100μg mL^-1的ZnPO-MOF 90μL；向编号为B3、C3的96微孔板中加入10μgmL^-1ZnPO-MOF 90μL；向编号为B4、C4的96微孔板中加入1μg mL^-1的ZnPO-MOF 90μL；向编号为B5、C5的96微孔板中加入0.1μg mL^-1的ZnPO-MOF 90μL；向孔B1、B2、B3、B4、B5中加入乙醇10μL，孔C1、C2、C3、C4、C5中加入100ppm的甲基对硫磷10μL，在酶标仪上检测荧光强度大小(检测条件：激发波长275nm，荧光波长398nm)；

设不加甲基对硫磷时的荧光响应是F0，加甲基对硫磷时的荧光响应是F，计算每个ZnPO-MOF对应的(F0-F1)/F0，并绘制柱状图，所得结果如图6所示；根据图6可以看出，10μg mL^-1的ZnPO-MOF信噪比最高，在检测甲基对硫磷时，使用10μg mL^-1的ZnPO-MOF，所得结果更加准确，误差更小。

实施例4

a、称取1mg实施例1制备的ZnPO-MOF材料于2mL离心管，加入1mL无水乙醇，配置成1mg mL^-1ZnPO-MOF溶液，稀释100倍备用；

b、以无水乙醇为溶剂，配置1000ppm的甲基对硫磷标准溶液，梯度稀释；得到浓度为500ppm，100ppm，50ppm，10ppm，5ppm，1ppm，0.5ppm，100ppb，50ppb，10ppb的甲基对硫磷标准溶液；

c、向编号为D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8、D9、D10、D11的96微孔板中分别加入10μg mL^-1的ZnPO-MOF 90μL，依次加入浓度为1000ppm、500ppm，100ppm，50ppm，10ppm，5ppm，1ppm，0.5ppm，100ppb，50ppb，10ppb的甲基对硫磷10μL，向D12的96微孔板中加入无水乙醇10μL，在酶标仪上检测荧光强度(检测条件：激发波长275nm，荧光波长398nm)；

所得结果如图7A所示，图7A中a～k依次为D1～D12的荧光响应曲线图，对应的甲基对硫磷终浓度为100ppm，50ppm，10ppm，5ppm，1ppm，0.5ppm，100ppb，50ppb，10ppb，1ppb，0ppb；根据图7A可以看出，荧光强度随甲基对硫磷浓度的增大而降低；

将荧光强度作为纵坐标，甲基对硫磷浓度的对数作为横坐标绘制曲线，结果如图7B所示，根据图7B可以看出，甲基对硫磷浓度在1ppb～10ppm范围内时，荧光强度与甲基对硫磷浓度的对数成反比，并且可以拟合得到标准方程：F＝-2547.39*logC+11270.94(其中F代表荧光强度，单位a.u.，C代表甲基对硫磷浓度，单位ppb)，该曲线即为本发明的标准曲线，根据图7B可以看出，该标准曲线的线性范围为1ppb～10ppm。

实施例5

a、称取1mg实施例1制备的ZnPO-MOF材料于2mL离心管，加入1mL无水乙醇，配置成1mg mL^-1ZnPO-MOF溶液，稀释100倍使用；

b、以无水乙醇为溶剂，配置100ppm的甲基对硫磷标准溶液；

c、向编号为E1、E2、E3、E4、E5、E6、E7、E8、E9、E10、E11、E12、F1、F2、F3、F4的96微孔板中分别加入10μg mL^-1的ZnPO-MOF 90μL，依次加入无水乙醇、甲基对硫磷(100ppm)、仲丁威(40ppm)、速灭威(40ppm)、异丙威(40ppm)、多菌灵(16ppm)、氟啶脲(16ppm)、灭幼脲(16ppm)、甲拌磷砜(16ppm)、辛硫磷(16ppm)、啶虫脒(16ppm)、3-羟基克百威(16ppm)、咪鲜胺(16ppm)、甲霜灵(100ppm)、乙螨唑(40ppm)和螺螨酯(40ppm)10μL，在酶标仪上检测荧光强度大小(检测条件：激发波长275nm，荧光波长398nm)；

所得结果如附图8所示，图8中a～p分别为E1～F4中样品的荧光强度，根据图8可以看出，甲基对硫磷可猝灭ZnPO-MOF的荧光，而其他的农药则对其荧光强度没有明显的影响，表明本发明的检测方法对甲基对硫磷具有较好的特异性。

实施例6

a、称取1mg实施例1制备的ZnPO-MOF材料于2mL离心管，加入1mL无水乙醇，配置成1mg mL^-1ZnPO-MOF溶液，稀释100倍使用；

b、以农田污水的预处理液(农田污水样品除以无水乙醇稀释十倍没有做其他预处理)为溶剂，配置100ppm，10ppm，1ppm，0.1ppm的甲基对硫磷的溶液，分别置于编号为1～4的4支离心管内；

c、向编号为G1、G2、G3、G4、G5的96微孔板中分别加入10μg mL^-1的ZnPO-MOF 90μL，向G1～G4微孔板中分别加入步骤b中配制的100ppm，10ppm，1ppm，0.1ppm的甲基对硫磷的溶液10μL，向G5微孔板中加入无水乙醇10μL；G1-G4甲基对硫磷终浓度分别为10000ppb，1000ppb,100ppb,10ppb，在酶标仪上检测荧光强度大小(检测条件：激发波长278nm，荧光波长398nm)，根据荧光强度和实施例4中得到的标准曲线计算检测得到的甲基对硫磷浓度，并计算回收率，将结果列于表1中；

表1检测结果

根据表1中的检测结果可以看出，使用本发明提供方法可以有效的检测甲基对硫磷的浓度，且可以取得较好的回收率，说明本发明提供的方法精确度较高，可成功用于甲基对硫磷快速的实际检测。

由以上实施例可知，本发明提供的利用含锌金属有机框架材料检测甲基对硫磷的荧光方法操作简单，灵敏度高，检测下限低至1ppb，可以实现待测物中甲基对硫磷的痕量检测。

由以上实施例可知，本发明以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。