一种基于纳米粒子吸附的有机磷电化学生物传感器的制造方法
【专利摘要】本发明具体涉及一种可直接检测水相中有机磷农药的电化学生物传感器。该传感器包括玻碳电极、纳米金颗粒层和ZrO2纳米粒子层。其制备方法为：先在玻碳电极表面电沉积一层纳米金颗粒，然后在纳米金颗粒上电沉积一层二氧化锆纳米粒子即可。将制成的传感器在准备好的有机磷溶液中充分吸附后，通过电化学工作站检测到的溶出峰电流实现有机磷的定量检测。传感器的构造充分利用了纳米金颗粒和ZrO2纳米粒子的特殊性能，传感器构造成本低，灵敏度高，检测线性范围宽，再生性好，非特异性吸附小，检测过程简单快速，在食品安全监测领域具有较大的应用潜力。
【专利说明】—种基于纳米粒子吸附的有机磷电化学生物传感器
【技术领域】
[0001]本发明具体涉及一种用于水相环境中有机磷农药快速检测的有机磷电化学生物传感器制备方法，属于分析检测【技术领域】。
【背景技术】
[0002]由于人们在农作物病虫害防治过程中不合理或超剂量使用化学农药，导致部分农产品农药残留量较高，不但影响人体健康，也破坏了农业生态环境。
[0003]传统的有机磷农药分析方法有气相色谱法、薄层色谱法、高效液相色谱法以及各种光谱联用技术，这些方法的选择性、灵敏度和准确度相对较高，但需要昂贵的仪器设备，样品前处理方法复杂，所需分析周期长，运用起来有一定的局限性。
[0004]电化学传感器法检测有机磷具有简单、快速、低成本和便于携带等优点，且不需要昂贵的仪器设备，可弥补传统检测方法的不足。在品种繁多的农药中，有机磷类农药水溶性最强。有机磷电化学生物传感技术作为一种新型的快速检测技术，能直接检测水相中的有机磷，农产品经简单处理即可通过有机磷传感器进行检测。对于茶叶等冲泡后饮用的农产品，茶汤中的农药残留含量直接威胁到人体的健康，通过有机磷传感器可直接检测茶汤中的有机磷农残含量；蔬菜、水果等农产品经浸泡后的溶液亦可直接用于检测，可简单快速判断蔬菜的有机磷农残含量水平。
[0005]与传统分析技术相比，有机磷传感器快速检测法具有简单、快速、灵敏、低成本和便于携带等优点。国内外关于利用胆碱酯酶和有机磷水解酶检测有机磷的文献已有报道[1_4]，但基于酶的有机磷传感技术因成本高，酶分子易失活、不易再生等缺点，应用起来有一定的局限性。近年来，有机磷电化学传感器的研制取得了新的进展，纳米粒子作为一种常用的纳米材料，具有制备方法简单、表面易于修饰等优良性能，在有机磷传感器的构建中得到了较为广泛的应用。纳米粒子的表面效应和表面吸附能力，同时，纳米粒子具有的特殊形态特征可以加速电子的转移，能够提高电极的稳定性，加快电极响应速度，并提高传感器的灵敏度和选择性。已有研究者报道，通过在金电极上直接电沉积一层ZrO2纳米粒子，利用ZrO2纳米粒子对有机磷类农药的强吸附能力，制成可用于检测茶汤中有机磷农残的电化学生物传感器气这种方法克服了酶传感器不稳定、酶分子易失活等缺点，而且电极检测速度快，操作简便，使用寿命较长，可直接用于溶液中有机磷农残的快速检测。但是，考虑到金电极价格昂贵，出于降低传感器制造成本，并且更进一步提高电极的反应性能，扩大监测目标物范围等考虑，尚待进一步研究以完善传感器的实用性能。
[0006]参考文献:
[1]ALBAREDA S M, MERKOCI A, ALEGRET S.Automated detection ofchlorpyrifosandits metabolites by a continuous flow system based enzymesensor[J].Anal Chim Acta, 2001， 442: 35-44.[2]SUPRUN Ej EVTUGYN Gj BUDNIKOV H，et al.Electrochemical biosensors -principles and applications[J].Anal.Bioanal.Chem., 2005，383: 597-604.[3]刘鹂，安裕敏，SergeiV.Dzyadevych, et.al.丁酰胆碱脂酶电势型生物传感器测定敌敌畏农药残留的抑制性研究[J].贵州环保科技，2006,12(2):32-35.[4]JOSIANE C， SERGIO A S M.A review of electrolyte and electrode materialsfor high temperature electrochemical CO2 and SO2 gas sensors[J].Sens.Actuators.B, 2008，129: 96-97.[5]刘淑娟，谭正初，钟兴刚等.基于纳米粒子吸附的电化学生物传感器快速检测茶汤中的有机磷?食品科技，2012:37(1):283-287。
【发明内容】
[0007]本发明所要解决的技术问题是:针对现有技术的不足，提供一种构造简单、灵敏度高，检测线性范围宽、再生性好，非特异性吸附小、检测过程快速的有机磷传感器的制备及检测方法。
[0008]本发明通过在玻碳电极表面修饰一层纳米金颗粒，然后在纳米金颗粒上电沉积一层二氧化锆纳米粒子，制成一种有机磷电化学生物传感器，可直接用于水相中的有机磷农药的检测。
[0009]该传感器包括玻碳电极、纳米金颗粒层和ZrO2纳米粒子层。
[0010]所述玻碳电极表面电沉积着纳米金颗粒层。
[0011]所述纳米金颗粒层表面电沉积着ZrO2纳米粒子。
[0012]所述ZrO2粒子对 有机磷农药的磷酸基团有很强的吸附作用。将制成的传感器在准备好的有机磷溶液中充分吸附后，通过电化学工作站检测到的溶出峰电流实现有机磷的定量检测(图1)。
[0013]该传感器制作及检测的具体过程:
在清洗过的玻碳电极表面电沉积纳米金颗粒，具体为:玻碳电极依次用0.3Mm和0.05Mm的Al2O3粉末抛光成镜面，然后依次在95%的乙醇和蒸馏水中各超声清洗4 min，取出用二次水冲洗并用氮气吹干。将清洗后的电极置于4 mmol/L氯金酸(HAuCl4)溶液中，以0.1 mol/L KNO3为支持电解质，利用CHI760b电化学工作站电沉积纳米金颗粒，电化学反应池为三电极系统，清洗过的玻碳电极为工作电极，饱和甘汞电极为参比电极，钼电极为对电极，在恒电位-1.0 V电沉积150 S，随后取出电极用95%的乙醇和去离子水洗净并用氮气吹干，即在玻碳电极上电沉积了一层纳米金颗粒。纳米金颗粒层不仅有效地增大了玻碳电极的比表面积，并且能有效提闻电极的响应性能。
[0014]在所述纳米金颗粒层表面电沉积ZrO2纳米粒子，具体为:将已电沉积纳米金颗粒层的玻碳电极依次用95%的乙醇和水冲洗干净，并用氮气吹干。在含有3.0 mM的ZrOCl2.8H20和0.3 M的KCl溶液中，以修饰过纳米金的玻碳电极为工作电极，饱和甘汞电极为参比电极，钼电极为对电极，利用CHI760b电化学工作站在-1.r+0.6 V之间以25 mV/s的扫描速度扫描12个循环，扫描完成后将电极取出用去离子水洗净并用氮气吹干，即在纳米金颗粒表面电沉积了一层ZrO2纳米粒子。
[0015]以上ZrO2粒子层/纳米金颗粒层/玻碳电极即为有机磷传感器，将制成的传感器在准备好的有机磷溶液中充分吸附后，再通过检测到的溶出峰电流大小可计算溶液中有机磷的浓度。溶出峰电流的检测同样通过CHI760b电化学工作站实现，将该传感器在pH 7.0的0.1 M KCl溶液中做SWV扫描(方波频率25 Hz,电位增量为4 mV)，在扫描电位0.093 V会有一个SWV溶出峰，用Sigmaplot软件对其进行基线校正处理，得出相应的溶出伏安图，电极吸附的有机磷类物质越多，相应的溶出峰就越大，根据所测得溶出峰电流的大小可实现溶液中有机磷的定量检测。
[0016]在一定浓度范围内，有机磷浓度和传感器SWV溶出峰电流成线性关系。以配置好的已知浓度的有机磷标准溶液浓度为横坐标，对应的方波溶出伏安法峰电流为纵坐标做图，可得出传感器的工作曲线。在进行实际样品检测时，根据在待测有机磷溶液中测得溶出峰电流的大小，通过查询上述传感器工作曲线可计算待测溶液中有机磷的浓度。
[0017]将完成一次检测后的传感器继续进行多次SWV扫描，可使吸附的有机磷完全洗脱，然后电极用去离子水和缓冲液清洗，即可进行下一次的测定。
[0018]与现有技术相比，本发明的优点在于:
本发明充分利用了纳米粒子的特殊性能，并扩大了检测目标物的范围，提高了传感器检测灵敏度。与在金电极表面上直接沉积ZrO2制成的有机磷传感器相比，该传感器对有机磷溶液的检测灵敏度提高I倍以上，传感器的检测线性范围扩大60%以上。
[0019]本发明所述玻碳电极表面修饰的纳米金颗粒具有多面体颗粒状结构，它们均匀分布在玻碳电极表面，大大地增加了电极的比表面积，使电极表面可沉积ZrO2纳米粒子的位点成倍增加。随后在金纳米粒子表面电沉积的一层直径更小的ZrO2纳米颗粒同样增加了电极的表面积。这样，在电极比表面积经过两次放大后，传感器对有机磷的吸附作用进一步加强，传感器的电流响应变得更加灵敏。
[0020]本发明的有机磷传感器构建过程所用的无机材料价格低廉，克服了酶传感器不稳定、酶分子易失活等缺点，降低了传感器的构建成本。传感器的重现性和稳定性好，再生性好，非特异吸附 小，可直接用于溶液中有机磷农残的快速检测，在食品安全监测领域具有较大的应用潜力。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1传感器构造及检测原理示意图。
【具体实施方式】
[0022]实施例1:
玻碳电极依次用0.3Mm和0.05 Mm的Al2O3粉末抛光成镜面，然后依次在95%的乙醇和蒸馏水中各超声清洗4 min，取出用二次水冲洗并用氮气吹干。将清洗后的电极置于4mmol/L氯金酸溶液中，以0.1 mo I/L KNO3为支持电解质，利用CHI760b电化学工作站电沉积纳米金颗粒，电化学反应池为三电极系统，玻碳电极为工作电极，饱和甘汞电极为参比电极，钼电极为对电极，在恒电位-1.0 V电沉积150 S,即在玻碳电极上电沉积了一层纳米金颗粒。
[0023]将已沉积纳米金的玻碳电极依次用95%的乙醇和水冲洗干净，并用氮气吹干，继续利用CHI760b电化学工作站电沉积ZrO2纳米粒子。将三电极系统放入3.0 mM的ZrOCl2.8H20和0.3 M的KCl溶液中，在-1.+0.6 V之间以25 mV/s的扫描速度扫描12个循环，取出用去离子水洗净并用氮气吹干，即在纳米金颗粒表面电沉积了一层ZrO2纳米粒子。以上ZrO2粒子层/纳米金/玻碳电极即为有机磷传感器。
[0024]以上有机磷传感器可直接用于水相中对硫磷的检测。将传感器浸泡在准备好的对硫磷溶液中，轻微搅拌5 min进行对硫磷的吸附后，即在CHI760b电化学工作站上进行溶出峰电流的电化学检测。先以配置好的已知浓度的对硫磷标准溶液浓度为横坐标，对应的方波溶出伏安法峰电流为纵坐标做图，得出传感器对对硫磷的工作曲线。传感器SWV溶出峰电流与有机磷浓度在5-900 Pg/L范围内成线性关系，其回归方程为:y=0.2475x+l.160，线性相关系数r为0.9963，传感器对对硫磷的检出限为I Pg/L。将传感器对未知对硫磷溶液进行检测，根据标准曲线计算对硫磷浓度。
[0025]完成一次检测后，将传感器继续进行多次SWV扫描，使吸附的对硫磷完全洗脱。在与工作曲线相同的电化学参数下，将完成检测后的电极进行连续多次SWV扫描，随着扫描次数的增加，SWV溶出峰越来越小，在连续十次扫描后，电极上吸附的对硫磷几乎全部被溶出，电极用去离子水和缓冲液清洗，即可进行下一次的测定。
[0026]为了考察实际应用的可能性，用该传感器检测了 5个不同待测样品添加对硫磷溶液后的回收率。先按上述方法对准备好的对硫磷样品进行浓度测定，然后在各样品中加入已知量的对硫磷溶液，再以同样方法对添加后的样品进行测定，得到的检测结果见表1，得到的平均回收率在95.29%至106.93%之间，表明试验结果较为准确。
表1添加回收率试验
【权利要求】
1.一种基于纳米粒子吸附的有机磷电化学生物传感器，包括玻碳电极、纳米金颗粒层和ZrO2纳米粒子层,其特征在于， 所述玻碳电极表面电沉积着纳米金颗粒层； 所述纳米金颗粒层表面电沉积着ZrO2纳米粒子； 该传感器通过电化学工作站检测到的溶出峰电流实现有机磷的定量检测，与在金电极表面上直接沉积ZrO2制成的有机磷传感器相比，该传感器对有机磷溶液的检测灵敏度提高I倍以上，传感器的检测线性范围扩大60%。
2.根据权利要求1所述的一种基于纳米粒子吸附的有机磷电化学生物传感器，其特征在于，该传感器制作过程为:(I)玻碳电极依次用0.3Mm和0.05 Mm的Al2O3粉末抛光成镜面，然后依次在无水乙醇和蒸馏水中各超声清洗4 min，取出用二次水冲洗并用氮气吹干，将清洗后的电极置于4 mmol/L氯金酸溶液中，以0.1 mol/L KNO3为支持电解质，电化学反应池为三电极系统，清洗过的玻碳电极为工作电极，饱和甘汞电极为参比电极，钼电极为对电极，利用CHI760b电化学工作站在恒电位-1.0 V电沉积150 S，即在玻碳电极表面修饰了一层纳米金颗粒； (2)将已电沉积纳米金颗粒层的玻碳电极依次用95%的乙醇和水冲洗干净，并用氮气吹干，在含有3.0 mM的ZrOCl2.8H20和0.3 M的KCl溶液中，以修饰过纳米金的玻碳电极为工作电极，饱和甘汞电极为参比电极，钼电极为对电极，利用CHI760b电化学工作站在-1.1?+0.6 V之间以25 mV/s的扫描速度扫描12个循环，即在纳米金颗粒表面电沉积一层ZrO2纳米粒子。
【文档编号】G01N27/48GK103743804SQ201410017537
【公开日】2014年4月23日 申请日期:2014年1月15日 优先权日:2014年1月15日
【发明者】刘淑娟, 钟兴刚, 李彦, 郑红发, 黄怀生, 赵熙, 粟本文 申请人:湖南省茶叶研究所