杀螟硫磷检测用修饰电极、其制备方法及杀螟硫磷检测方法

技术领域

本发明属于农药检测技术领域，特别涉及一种杀螟硫磷检测用修饰电极、其制备方法及杀螟硫磷检测方法。

背景技术

以杀螟硫磷(FNT)为代表的有机磷类农药由于其对昆虫的高毒性被作为杀虫剂，广泛地应用于农作物生产过程中，因此带来一系列涉及食品安全、生态安全、环境安全的问题。近些年出于食品安全以及环境保护角度，都使得有机磷农药的快速痕量检出备受关注。

各种检测技术，如高效液相色谱(HPLC)、气相色谱(GC)或质谱(MS)等，已被开发用于检测有机磷农药。但由于设备昂贵、样品预处理复杂、耗时以及维护等原因，很大程度限制了其在实际检测过程中的广泛应用。与此相比，电化学分析由于其简单、经济、灵敏度高、便捷快速等优点而备受关注。

近年来，大量的用于检测杀螟硫磷的电化学检测方法被研发，主要分为酶型检测方法和非酶型检测方法。酶型检测方法主要基于乙酰胆碱酯酶能与有机磷农药发生强烈结合作用的原理进行设计，或在电极上修饰经矿化的有机磷水解酶，这类检测方法涉及的电化学传感器稳定性较差，储存及运输困难。非酶型检测方法主要通过修饰电极实现，例如，专利号为202110653022.8的中国发明专利公开了一种检测有机磷农药的电化学传感器及其制备方法，由MXene-CNTs材料和金/铂纳米粒子依次修饰在玻碳电极上形成，检测方法操作简单，无需前处理过程，检测快速。但是，上述的修饰电极制备过程较为复杂，且检测稳定性较差。

发明内容

基于此，本发明提供一种杀螟硫磷检测用修饰电极，以解决现有技术中存在的修饰电极制备过程复杂，检测稳定性差的技术问题。

本发明还提供一种杀螟硫磷检测用修饰电极的制备方法。

本发明还提供一种杀螟硫磷的检测方法，其检测范围为0.5～100μg/L，检测限为0.1μg/L(S/N＝3)，具有良好的重现性和稳定性。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种杀螟硫磷检测用修饰电极，包括：

玻碳电极；以及

修饰在所述玻碳电极上的修饰涂层，所述修饰涂层由功能化离子液体和氮掺杂介孔碳组成，所述功能化离子液体为1-羟乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐。

一种杀螟硫磷检测用修饰电极的制备方法，包括以下步骤：

准备玻碳电极；

制备氮掺杂介孔碳-离子液体复合材料：将氮掺杂介孔碳均匀分散于体积浓度为1％～10％的功能化离子液体中，制备氮掺杂介孔碳-离子液体复合材料；

将氮掺杂介孔碳-离子液体复合材料滴涂在玻碳电极表面，烘干，制得杀螟硫磷检测用修饰电极。

优选地，所述功能化离子液体的体积浓度为5％。

优选地，所述氮掺杂介孔碳的加入量为0.3mg/ml～1.0mg/ml。

优选地，所述氮掺杂介孔碳的加入量为1.0mg/ml。

优选地，步骤“将氮掺杂介孔碳-离子液体复合材料滴涂在玻碳电极表面，烘干，制得杀螟硫磷检测用修饰电极”中，将氮掺杂介孔碳-离子液体复合材料的加入量为0.5μl/mm

一种杀螟硫磷检测用电化学传感器，以如上所述的杀螟硫磷检测用修饰电极为工作电极。

一种杀螟硫磷检测方法，包括以下步骤：

构建电化学传感器，所述电化学传感器如上所述的杀螟硫磷检测用修饰电极为工作电极；

构建电解液体系，所述电解液体系由待检测样品萃取液、PBS缓冲溶液组成；

检测杀螟硫磷的浓度。

优选地，所述电解液体系的pH值为7～9。

优选地，步骤“检测杀螟硫磷的浓度”中，检测过程中，采用方波伏安法，在开路电位下搅拌富集60s～120s。

与现有技术相比，本发明至少具有以下优点：

本发明提供了一种杀螟硫磷检测用修饰电极，包括玻碳电极和修饰在所述玻碳电极上的修饰涂层，所述修饰涂层由功能化离子液体和氮掺杂介孔碳组成，所述功能化离子液体为1-羟乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐。以上述杀螟硫磷检测用修饰电极作为工作电极，构建的电化学传感器用于检测样品中的痕量的杀螟硫磷，具有良好的灵敏度和较低的检测限，具有良好的重复性和稳定性，其检测范围为0.5μg/L～100μg/L，检测限为0.1μg/L(S/N＝3)，多次检测结果的相对标准偏差(RSD)为＜1.5％，室温下放置一月，响应电流值较初始电流值下降＜6.5％。

本发明还提供了一种杀螟硫磷检测方法，方法快捷高效，可对待检测样品直接进行检测，无需复杂的前处理过程，具有良好的灵敏度和选择性，其加标回收率为96.9％-104.9％。

附图说明

图1为N-CMK-3@IL/GCE的制备流程图。

图2为不同电极在含有0.1mol/L KCl的5mmol/L K

图3为不同电极在含有0.1mol/LKCl的5mmol/L K

图4为GCE在的循环伏安图(从内到外扫速分别为：25,50,100,150,200,250mVs

图5为IL/GCE的循环伏安图(从内到外扫速分别为：25,50,100,150,200,250mVs

图6为N-CMK-3@IL/GCE的循环伏安图(从内到外扫速分别为：25,50,100,150,200,250mVs

图7为20μg/L的FNT在不同修饰电极GCE(a)、IL/GCE(b)和N-CMK-3@IL/GCE(c)上的方波伏安图。

图8为20μg/LFNT在N-CMK-3@IL/GCE上不同扫描速率的循环伏安图。

图9为20μg/L FNT在N-CMK-3@IL/GCE上峰电流与扫描速率的平方根的线性关系图。

图10为20μg/LFNT在不同pH的0.1mol/L PBS溶液中的方波伏安图(pH:a-f分别为4,5,6,7,8,9)。

图11为pH值对20μg/LFNT上峰电位和峰电流的影响示意图。

图12为施加电位和开路电位(OCP)对杀螟硫磷响应电流的影响的柱状图。

图13为富集时间与FNT响应电流的关系图。

图14为不同浓度的FNT在N-CMK-3@IL/GCE上的方波伏安图(从下到上FNT的浓度分别为0.5,1,5,10,50,100μg/L)。

图15为杀螟硫磷浓度与峰电流之间的线性关系图。

图16为不同离子液体含量对20μg/LFNT峰电流的影响。

图17为不同N-CMK-3含量对20μg/L FNT峰电流的影响。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。以下将结合本发明实施例的附图，对本发明的技术方案做进一步描述，本发明不仅限于以下具体实施方式。

需要理解的是，实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件。在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

一具体实施方式中，一种杀螟硫磷检测用修饰电极，包括玻碳电极和修饰在所述玻碳电极上的修饰涂层，所述修饰涂层由功能化离子液体和氮掺杂介孔碳(NOMC)组成，所述功能化离子液体为1-羟乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐([HOEtMlm]BF

又一具体实施方式中，一种杀螟硫磷检测用电化学传感器，以如上所述的杀螟硫磷检测用修饰电极为工作电极。例如，所述杀螟硫磷检测用电化学传感器为以上述杀螟硫磷检测用修饰电极为工作电极，铂丝电极为辅助电极，饱和甘汞电极(3mol/L KCl)为参比电极，组成的三电极体系。

又一具体实施方式中，请参看图1，一种杀螟硫磷检测用修饰电极的制备方法，包括以下步骤：

S10.准备玻碳电极。

具体的，对玻碳电极进行打磨抛光、清洗、干燥等前处理。例如，用0.3和0.05μm的氧化铝粉末将裸露的玻碳电极抛光成镜面，再将打磨光滑后的玻碳电极分别用95％乙醇和超纯水超声清洗。最后，将玻碳电极置于氮气中干燥。

S20.制备氮掺杂介孔碳-离子液体复合材料：将氮掺杂介孔碳均匀分散于体积浓度为1％～10％的功能化离子液体中，制备氮掺杂介孔碳-离子液体复合材料。

例如，向功能化离子液体溶液(HOEtMlm]BF

作为优选，所述功能化离子液体的体积浓度为3％～10％，最优为5％。

作为优选，N-CMK-3的加入量为0.3mg/ml～1.0mg/ml，最优为1.0mg/ml。

S30.将氮掺杂介孔碳-离子液体复合材料滴涂在玻碳电极表面，烘干，制得杀螟硫磷检测用修饰电极。

具体地，取预定体积的N-CMK-3@IL复合材料滴涂于经处理后的玻碳电极表面，并在红外线灯下烘烤15分钟，得到N-CMK-3@IL/GCE。

作为优选，根据玻碳电极的表面积，N-CMK-3@IL复合材料的加入量为0.5μl/mm

又一具体实施方式中，一种杀螟硫磷检测方法，包括以下步骤：

S40.构建电化学传感器，所述电化学传感器以上所述的杀螟硫磷检测用修饰电极为工作电极。

作为优选，所述杀螟硫磷检测用电化学传感器为以上述杀螟硫磷检测用修饰电极为工作电极，铂丝电极为辅助电极，饱和甘汞电极(3mol/L KCl)为参比电极，组成的三电极体系。

S50.构建电解液体系，所述电解液体系由待检测样品萃取液、PBS缓冲溶液组成。

具体地，如待检测样品为液态，则可直接用于电解液体系的构建，如待检测样品为固体(如叶菜等)，则需要进行前处理，前处理过程包括将待检测样品研磨成汁，过滤静置后提取上清液。PBS缓冲溶液的浓度优选为0.1mol/L，KCl溶液的浓度为0.1mol/L。

作为优选，所述电解液体系的pH值为7～9，以获取较高的响应电流。

作为优选，杀螟硫磷的浓度检测过程中，采用方波伏安法，在开路电位下搅拌富集60s～120s。

以下结合具体实验例，进一步说明本发明的技术方案以及技术效果。

需要说明的是，本发明中，所用的试剂、材料及仪器仪表如下：

杀螟硫磷(西格玛奥德里奇(上海)贸制易有限公司)、N-CMK-3(粒径：1μm，南京先丰纳米材料科技有限公司)、功能化离子液体：1-羟乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐[HOEtMlm]BF

电化学测量工作均在CHI660E电化学工作站上完成(上海晨华仪器有限公司)。电化学阻抗谱实验(EIS)使用PARSTAT 4000电化学工作站来完成(美国普林斯顿)。用日立S-3400N扫描电子显微镜研究了修饰电极的表面形貌(日本东京)。

下述电化学实验过程中，以饱和甘汞电极(3mol/LKCl)作为参比电极，铂丝作为辅助电极，玻碳电极(GCE、IL/GCE或N-CMK-3@IL/GCE)作为工作电极构成了三电极系统。每次测量重复不少于3次，以确保重现性。

对比例一 GCE的制备

玻碳电极用氧化铝粉末抛光、超声清洗和干燥后备用。

对比例二 IL/GCE的制备

以超纯水为溶剂配置体积浓度为5％的功能化离子液体溶液，取7.0μL滴涂于经对比例一中方法处理后的玻碳电极表面，在红外线灯下烘烤15分钟后，得到IL/GCE。

实验例一 N-CMK-3@IL/GCE的制备

以超纯水为溶剂配置体积浓度为5％的功能化离子液体溶液，向功能化离子液体溶液中加入N-CMK-3，并使得N-CMK-3的加入量为1.0mg/ml，超声使其混合均匀，得到N-CMK-3@IL复合材料，置于-4℃的冰箱中保存。

取7.0μLN-CMK-3@IL复合材料滴涂于经对比例一中方法处理后的玻碳电极表面，在红外线灯下烘烤15分钟后，得到N-CMK-3@IL/GCE。

实验例二 不同修饰电极的CV表征

如图1所示，在5mmol/LK

实验例三 不同修饰电极的阻抗谱表征

在交流阻抗谱中，电阻(RCT)的大小一般由高频区的半圆部分和低频区的直线部分组成。一般来说，高频区的半圆部分越大则代表阻抗越大。图2为不同修饰电极的阻抗表征，其中裸玻碳电极(曲线a)表面的电阻最大。而在GCE表面修饰上了功能化的离子液体后，电阻大幅下降。这归功于离子液体超好的导电性以及较宽的电化学窗口。与IL/GCE相比，N-CMK-3@IL/GCE呈现出更小的电阻。这是因为当N-CMK-3改良功能化的离子液体后，不仅修饰电极的比表面积增大，N-CMK-3与IL的导电性也产生了协同作用，进一步弱化了电子的传递阻力。

实验例四 不同修饰电极的表面积研究

如图4-6所示，在K

I

式中，I

实验例五 杀螟硫磷的电化学行为

图7为20μg/L的FNT在不同修饰电极GCE(a)、IL/GCE(b)和N-CMK-3@IL/GCE(c)上的方波伏安图。FNT在GCE上出现了一个较小的还原峰，与之相比IL/GCE上的电流值明显增加。这表明离子液体被成功的修饰在了玻碳电极表面，有效的促进了电子转移。当使用N-CMK-3@IL复合材料修饰GCE时，峰电流值进一步增大。这是因为N-CMK-3有效增加了电极的电活性表面积，增加了传感器对FNT的吸附能力。同时N-CMK-3和IL的协同作用，使传感器的导电性和电催化能力进一步提升。

实验例六 扫描速率的影响

本实验通过循环伏安法考察了扫描速率与FNT响应电流之间的关系。图8为20μg/LFNT在N-CMK-3@IL/GCE上不同扫描速率的循环伏安图。可以观察到在CV扫描的过程中出现了一对氧化还原峰与一个还原峰，这与以往的报道一致。如图9所示，在25到250mV s

实验例七

在0.1mol/L PBS缓冲液中考察了不同pH值的缓冲溶液对FNT响应电流的影响。如图10所示，在pH 4.0～9.0的范围内，FNT的电流值先增大后减小，并在pH为7.0时达到最大。这是因为中性缓冲溶液的条件下，更有利于杀螟硫磷还原反应的进行。因此选择0.1mol/LpH 7.0PBS缓冲液进行后续实验。

此外，如图11所示，随着pH的增大，峰电位不断负移。两者之间呈现出良好的线性关系：E(V)＝-0.0373pH-0.4698(r

实验例八 施加电位和富集时间

图12为施加电位和开路电位(OCP)对杀螟硫磷响应电流的影响。从图中可以看出，当处在开路电位时，FNT的响应电流最大。因此，我们选择在开路电位的条件下富集杀螟硫磷。图13探究了富集时间与FNT响应电流的关系。随着时间的增长，峰电流在60s时接近饱和。因此，选择60s作为杀螟硫磷的最佳累积时间。

实验例九 标准曲线

图14为用N-CMK-3@IL/GCE检测不同浓度杀螟硫磷时的方波伏安图，峰电流随着FNT浓度的增加而增加，在0.5～100μg/L的范围内，呈现出良好的线性关系：I(μA)＝0.0321c(μg L

表1比较了不同传感器对杀螟硫磷的分析参数。与以往的报道相比，该传感器展现出更好的灵敏度和更低的检测限。

表1不同传感器检测杀螟硫磷的分析参数比较

实验例十 重现性、稳定性和干扰研究

为了检测N-CMK-3@IL/GCE的重现性，将6支以同样工艺制备的传感器放在含有20μg/L FNT的0.1mol/LpH 7.0的PBS缓冲液中进行检测，其相对标准偏差(RSD)为1.11％，表明该传感器具有良好的重现性。

将N-CMK-3@IL/GCE在室温下放置一个月后，测得其电流值仅比初始电流下降了10％，表明该传感器具有良好的稳定性。

同时，对N-CMK-3@IL/GCE传感器的抗干扰能力进行了测定。分析结果表明，1000倍浓度的Ca

实验例十一

采用标准加入法考察了N-CMK-3@IL/GCE在实际运用中的可行性。从市场购买了生菜、白菜和青菜，将其研磨成汁，过滤静置后提取上清液。然后将蔬菜提取液用0.1mol/LpH7.0的PBS缓冲液稀释50倍。检测结果如表2所示，我们在蔬菜样品中并未检出杀螟硫磷，其加标回收率为96.9％-104.9％。这表明我们所构建的传感器具有良好的应用前景。

表2 N-CMK-3@IL/GCE测定蔬菜样品中的杀螟硫磷(n＝3

实验例十二 离子液体含量的优化

如图16所示，讨论了功能化离子液体的体积浓度分别1％,3％,5％,7％,10％(其他制备条件同实验例一)对传感器性能的影响。当功能化离子液体的含量由1％增加到5％时，峰电流明显增加；而当功能化离子液体的含量由5％增加到10％时，峰电流发生下降。这是因为适量的IL可以有效的提高电子转移速率，而过量的IL会增大背景电流，从而导致FNT的响应电流减小。因此体积浓度5％的功能化离子液体被作为制备N-CMK-3@IL/GCE的最优体积浓度。

实验例十三 N-CMK-3含量的优化

图17讨论了在5％IL含量下，N-CMK-3的用量对FNT电流的影响。当N-CMK-3的用量为1mg/ml时，杀螟硫磷的峰电流响应达到最大。这可解释为以下为两个原因：其一，N-CMK-3的孔状结构为电极提供了更大的比表面积；其二，氮原子的掺杂为CMK-3提供了更多的电化学活性中心。然而过多的N-CMK-3同样会增大背景电流，因此1mg/ml被选作最合适的修饰剂量。

综上所述，本发明成功制备了N-CMK-3改性功能化离子液体复合材料用于修饰玻碳电极，构建了一种可直接检测杀螟硫磷的无酶传感器。将N-CMK-3独特的多孔结构与功能化离子液体优越的导电性相结合，使传感器对杀螟硫磷展现出良好的吸附和催化性能，检测限可低至0.1μg/L。传感器具有良好的稳定性和选择性，能够成功运用于蔬菜样品的检测，具有广阔的应用前景。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。