基于电沉积法制备甲基对硫磷分子印迹电化学传感器的研究.pdf

中南民族大学硕士学位论文基于电沉积法制备甲基对硫磷分子印迹电化学传感器的研究姓名：譚小红申请学位级别：硕士专业：@指导教师：李步海;李春涯20100501中南民族大学硕士学位论文 1第 1 章 前言 甲基对硫磷是一种高毒有机磷酸酯类杀虫剂[1]，具有广谱、高效、量小以及作用方式多、使用方便、半衰期短等优点，曾被广泛应用于农业生产，对多种农作物上的多种害虫的防治起了重要作用 但其残留不仅对生态环境造成严重的污染与危害，而且还可以通过食物链作用在人体积累，引发各种疾病，危及人类健康因此在很多国家已经被禁用，但是在农产品的进出口贸易、环境安全和食品的监督检测中,甲基对硫磷等一类高毒化合物仍然是常规检测的重要污染物[2] 为此，迫切需要加强甲基对硫磷农药的检测方法、检测器件的研究，建立快速、可靠、灵敏和实用的甲基对硫磷农药监测/检测的分析方法，对保障食品安全、保护生态环境，维护人类身体健康有着重要的现实意义[3 ~5] 1.1 甲基对硫磷的作用及危害 1.1.1 甲基对硫磷的理化性质 甲基对硫磷（methyl parathion，MP） ，O,O−二甲基−O− (4−硝基苯基)硫代磷酸酯，俗称甲基 1605，其结构式如图 1.1 所示，是一种有机磷杀虫剂，由德国法本公司 G.施拉德尔在 1944 年发明， 并在 1949 年由该公司正式投产， 随后在许多国家都有生产。

其纯品为白色结晶，难溶于水，易溶于醇等有机溶剂，熔点在36.0～36.5℃，加热会异构化，高温或遇碱易分解 图1.1 甲基对硫磷的结构式 Fig. 1.1 Chemical structure of methyl parathion 1.1.2 甲基对硫磷的作用及危害 甲基对硫磷对人类和非目标有机体的损害作用巨大， 可造成严重的环境污染基于电沉积法制备甲基对硫磷分子印迹电化学传感器的研究 2和生态破坏甲基对硫磷进入动物体内后能迅速与体内胆碱酯酶结合，形成磷酰化胆碱酯酶，使其失去分解乙酰胆碱的作用，以致胆碱能神经末稍部位所释放的乙酰胆碱不能迅速被其周围的胆碱酯酶所水解，造成乙酰胆碱大量蓄积，使动物体机能失调，甚至会引发神经系统，内分泌系统，生殖系统等的多种疾病轻者会出现头疼、头晕、恶心、呕吐、无力、胸闷、视力模糊等中毒症状，重者可引起肌肉痉挛、瞳孔收缩、呼吸困难，甚至引发死亡[6 ] 1.2 甲基对硫磷分离分析检测方法的研究进展 目前， 有关甲基对硫磷的测定方法主要有色谱法[7]、 色谱与质谱联用法[8~13]、免疫测定法[14] 及电化学分析法[15~22]传统的甲基对硫磷检测方法色谱法与色−质联用法，尽管灵敏、准确，但是需要对样品进行繁琐的预处理、费时、成本高，而且所需仪器大都昂贵且庞大笨重， 需要专业技术人员维护， 不适用于现场检测。

1.2.1 气相色谱法(GC) GC 法是农残分析的一种经典技术，大多数的挥发性农药残留检测使用 GC来进行， 而且我国及世界上大多数国家把 GC 作为农产品中农药残留检测的标准方法GC 可以多种农药的样品提取液一次进样，得到完全的分离、定性和定量，具有操作简便、灵敏度高、分离效能高以及应用范围广等特点但样品的干扰物难以避免， 用 GC 分析技术时， 时间主要消耗在预处理过程上， 只要配置高性能、高选择性的检测器，可使分析速度加快，结果更可靠同时采用先进的预处理方法也可以节省时间，提高测定的准确度和精确度目前果蔬样品的前处理大多采用有机溶剂提取或提取后再采用柱层析净化这些方法操作不仅费时，而且需要大量的有毒溶剂蔡颖等[23]用双柱气相色谱检测法，用火焰光度检测器和氮磷检测器的气相色谱仪测定，结果在 0.02～1.00mg·L-1范围内 9 种有机磷都成线性关系，检出限在 0.01～0.02mg·kg-1，相关系数均大于 0.996梅文泉等[24]用双柱双检测器同时测定蔬菜中 13 种有机磷农药残留， 结果 13 种有机磷农药线性关系良好，回收率为 86.69﹪～118.7﹪，方法检出限为 0.006～0.016mg·kg-1。

1.2.2 气-质联用法(GC-MS) GC-MS 结合了 GC 和质谱的优点，弥补了各自的缺陷，既具有 GC 的高分离能力，又具有质谱准确鉴定化合物结构的特点，因而具有灵敏度高、分析速度中南民族大学硕士学位论文 3快、鉴别能力强等特点，可同时完成待测组分的分离和鉴定，因此被广泛应用于多种农药残留检测工作中气相色谱-质谱(GC-MS) 联用技术是将气相色谱仪和质谱仪串联起来，成为一个整体使用的分析检测技术它既具有了气相色谱的高分离性能，又具有质谱准确鉴定化合物结构的特点使用串联质谱可大大提高选择性，还可同时进行定性分析和定量检测，可对样品中不同种类的上百种农药残留同时进行快速定性以及定量检测，这使得它在农残检测中地位尤其突出Rao等[25]用 GC−MS 检测了环境中的有机磷和有机氯农药，J.L.Martinez Vidal 等[26]用 GC−MS 测定黄瓜、西红柿、西瓜等样品中残留农药，只需简单的前处理，用二氯甲烷萃取后即可测定，回收率为 71%～119%，检测限小于 1 ng·g-1，大大节省了时间，并且结果准确 1.2.3 液相色谱法（HPLC） HPLC 常用于分离和检测极性强、分子量大、高沸点和受热容易分解的农药残留。

高效液相色谱法是以液体作为流动相的一种色谱法，并采用颗粒极细的高效固定相的柱色谱分离技术 因为大部分有机磷农药具有很强的极性和热不稳定性，气相色谱分析会有一定的难度而高效液相色谱法对样品的适用性广，不受分析对象挥发性和热稳定性的限制，因而弥补了气相色谱法的不足HPLC 的特点是分析速度快、检测灵敏度高、分离效率高、检测易自动化、适用范围广、样品处理较简单、组分易回收A.I.Valenzuela 等[27]用 MSPD−HPLC−UV 测定水果农药残留，检出限为 0.15～0.25 µg·g−1，回收率为 74%～84%Lobodnile 等用固相萃取富集−高效液相色谱（SPE−HPLC）对甲基对硫磷、对硫磷、辛硫磷进行检测分析，回收率较高[28] 1.2.4 液-质联用法(HPLC-MS) HPLC−MS 可用于检测极性太强、热不稳定、分子量较大、难以用气相色谱分析的农药它具有检测灵敏度高、选择性好、定性定量同时进行、结果可靠等优点HPLC−MS 对简单样品可进行分析前净化，并可进行多残留分析，在对初级检测呈阳性反应的样品进行确证方面优势明显国内已有采用 HPLC−MS联机分析杀灭硫磷等有机磷的报道[29]。

但 HPLC−MS 仪器价钱昂贵且对分析技术和仪器的要求高，因此也限制了其应用 1.2.5 免疫测定法 基于电沉积法制备甲基对硫磷分子印迹电化学传感器的研究 4免疫分析法就是一种超微量测定技术， 是将抗体抗原反应与现代测试技术手段相结合而建立起来的[30]由于抗体是专为抗原产生，所以专一性很强，灵敏度高 免疫分析法具有操作简单、 快速、 高灵敏度， 但开发过程需要投人大量资金、抗体制备周期长、难度大、抗体只适用于单一农药残留量的检测分析目前已报道的关于检测甲基对硫磷的压电免疫传感器[31,32]，检测限达到 0.05 ng·mL−1卢澄在甲基对硫磷压电免疫传感器的研究中，用免疫传感方法测定甲基对硫磷，浓度线性范围为在 0.1～10 µg·mL−1，检出限为 0.074 µg·mL−1许园园[33 ]等利用自组装单分子膜技术将三巯基丙酸固定在金电极上， 制备了一种甲基对硫磷免疫传感器，该传感器的线性范围为 0.5～15µg·mL−1，检测下限为 0.085µg·mL−1免疫分析法虽然具有选择性好、种类多、测试费用低、适合联机化等优点，但抗原和抗体的制备和纯化过程烦琐，从而限制了其在快速检测、监测中的应用，故制备灵敏度高、选择性好、性能稳定的甲基对硫磷电化学传感器尤其重要。

1.2.6 电化学分析法 色谱、光谱等仪器分析方法在甲基对硫磷检测领域获得广泛的应用，并取得了许多重要成果，为检测食品、环境中的甲基对硫磷开辟了广阔的道路但是该类分析需要复杂的前处理技术、专门的仪器操作人员，而且仪器价格昂贵、体积较大，不利于甲基对硫磷的快速、实时、监测电化学传感器具有成本低、体积小、操作简便、响应速度快等特点，并有多种电化学研究方法可供选择，非常适合于自动控制和灵敏、快速分析在甲基对硫磷的检测方面具有独特的优越性如 Dan Du [34 ]等用电沉积铋膜修饰玻碳电极测甲基对硫磷，其线性范围在 3.0 到 100ng·mL−1，检测线为 1.2 ng·mL−1Chunya Li[35]等采用单壁碳纳米管膜修饰电极检测水样中的甲基对硫磷，其线性范围在 5.0×10−7mol·L−1到1.0×10−4 mol·L−1，检测线为 2.0×10−7mol·L−1，富集时间 90s刘淑娟[36]等先在金电极表面电沉积二氧化锆纳米粒子并固定上乙酰胆碱酯酶用于甲基对硫磷的检测，结果，该传感器在 5.0×10−7～5.0×10−4 g·L−1浓度范围内有线性响应，检出限为 1.0×10−7g·L−1，富集时间 20min。

陈文等[37]提出了在 0.4mol·L−1氢氧化钠底液中对碱解后的有机磷进行单扫描极谱测定的方法， 获得了甲基对硫磷残留检测的最佳条件，其线性范围 0.5～200μ g·L−1 传统的电化学传感器存在响应时间长、灵敏度低、线性范围窄等缺陷而分中南民族大学硕士学位论文 5子印迹技术的最大特点就是对模板分子的识别具有可预见性， 对于特定物质的分离极具针对性从甲基对硫磷分子的刚性结构和多个作用点也可以看出，该分子非常适于与功能单体发生相互作用，做成分子印迹聚合物其中，磷酸酯基团和−NO2基团可以作为 H+受体同酸性功能单体形成氢键[38]； 而苯环则可与功能单体中的芳香环发生静电作用(或 π−π 堆积作用)[39,40]且与仪器分析法和其它的电化学分析技术相比，分子印迹法兼具抗干扰性强、稳定性好、使用寿命长、选择性高、应用范围广等优点，还可以高选择性的区分印迹分子及其类似物因此在甲基对硫磷的检测中引入分子印迹分子印迹技术具有非常重要的意义 1.3 分子印迹电化学传感器 分子印迹技术(molecular imprinting technology，MIT)是指制备在空间结构和结合位点上与某一模板分子完全匹配 、且对模板分子具有特异识别能力的新型聚合物的一种实验制备技术，该聚合物称为分子印迹聚合物(molecule imprinting polymers,MIPs)。

而分子印迹电化学传感器是基于模板分子的空间结构效应及其与功能单体间的可逆作用而发展起来的一种人工合成分子识别系统自从Tabushi 在 1987 年首次用分子印迹聚合物作为敏感材料，检测维生素以来，分子印迹聚合物传感器的制作引起了人们极大的兴趣直到 1993 年，Mosbach 等在《Nature》上发表了有关茶碱分子印迹聚合物的报道后，分子印迹技术的研究才飞速发展[41]有关 MIPs 传感器的制作方法大体可综合为两类：(1)直接法：即直接在转换器表面合成 MIPs 膜，主要有紫外光聚合法、电聚合法和自组装法；(2)间接法：即先制备 MIPs 颗粒或膜，再将制备的颗粒或膜连接至转换器或不与转换器连接因间接法制作的 MIPs 作为识别层一般较厚，故传感器的响应时间也相对较长 1.3.1 分子印迹电化学传感器的基本原理 分子印迹电化学传感器是将目标分子（又称印迹分子）作为模板，与功能化单体、交联剂一起发生聚合反应，形成聚合物，功能单体与模板分子间或者是以可逆的共价作用，或者是以非共价键如氢键作用、静电作用、π−π 堆积作用、疏水作用和电荷转移等超分子作用形成多点相互作用,聚合后这种作用被保存下来。

再用溶剂将印迹分子抽提出来这样聚合物上就留下了与印迹分子空间结构基于电沉积法制备甲基对硫磷分子印迹电化学传。