王普紅，余建華，李志軍，鄭清元

(北京防化研究院，北京 102205)

有機(jī)磷農(nóng)藥主要指磷(膦)酸酯，硫逐磷酸酯，磷酰酯類有機(jī)磷化合物，因其殺蟲(chóng)效率高，對(duì)植物的藥害小，在環(huán)境中持久性低等特點(diǎn)，成為我國(guó)目前最常用一類農(nóng)藥，在各種農(nóng)作物生產(chǎn)中尤其是蔬果生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用。但是在生產(chǎn)及使用過(guò)程中也不可避免的會(huì)出現(xiàn)許多問(wèn)題:如這些農(nóng)藥帶有揮發(fā)性，在噴灑時(shí)可隨風(fēng)飄散，落在葉面上可隨蒸騰氣流進(jìn)入大氣，在土壤表層時(shí)也可經(jīng)日照蒸發(fā)到大氣中，大風(fēng)揚(yáng)起農(nóng)田的塵土也帶著殘留的農(nóng)藥形成大氣顆粒物漂浮在空中;大氣中的農(nóng)藥可隨風(fēng)長(zhǎng)距離地遷移，由農(nóng)村到城市，由農(nóng)業(yè)區(qū)到非農(nóng)業(yè)區(qū)，甚至到無(wú)人區(qū)，因此對(duì)空氣中有機(jī)磷農(nóng)藥的濃度監(jiān)測(cè)具有十分重要的意義。傳統(tǒng)的農(nóng)藥檢測(cè)方法有:氣相色譜一質(zhì)譜聯(lián)用法［1］、高效液相色譜法［2］、酶抑制法［3］、生 物 傳 感 器 法［4－6］、酶 聯(lián) 免 疫 吸 附 測(cè) 定 技 術(shù)(ELISA)法［7］等。但是這些方法不同程度存在設(shè)備昂貴，樣品前處理方法繁瑣、分析周期長(zhǎng)、選擇性較差等缺點(diǎn)。2001年，Abbott研究小組首先在Science上報(bào)道［8］采用液晶化學(xué)傳感器檢測(cè)有機(jī)磷化合物甲基磷酸二甲酯(DMMP)的技術(shù)，該法利用檢測(cè)目標(biāo)分子與傳感器敏感膜發(fā)生鍵合作用時(shí)，液晶膜的顏色和亮度發(fā)生變化來(lái)達(dá)到檢測(cè)目標(biāo)物的目的，由于該法操作簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，靈敏度高，已經(jīng)受到了科技工作者的廣泛關(guān)注。在隨后的研究中，Yang［9－10］、Cadwell［11］和趙建軍［12］等對(duì)此類化學(xué)傳感器的制備方法進(jìn)行改進(jìn)并成功用于有機(jī)磷化合物DMMP以及神經(jīng)性毒劑塔崩(GA)、沙林(GB)、梭曼(GD)以及維?？怂?VX)的檢測(cè)。但上述文獻(xiàn)報(bào)道的此類傳感器制備過(guò)程中，均使用蒸鍍金膜的方法制備功能性基底，該法工藝復(fù)雜、成本較高，不易推廣使用;Bungabong等［13］采用液晶5CB中參雜Cu2+制備此類液晶化學(xué)傳感器，但該法制備靈敏度較高的傳感器所需時(shí)間較長(zhǎng)，且傳感器恢復(fù)性較差。

本文采用微接觸印刷法等技術(shù)制備成對(duì)有機(jī)磷化合物有特異選擇性的新型液晶化學(xué)傳感器并成功應(yīng)用于有機(jī)磷農(nóng)藥的檢測(cè)。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，該種傳感器制備工藝簡(jiǎn)單，成本較低，靈敏度較高，檢測(cè)過(guò)程現(xiàn)象明顯且能夠多次重復(fù)使用，在有機(jī)磷農(nóng)藥檢測(cè)中有著廣闊的應(yīng)用前景。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

聚二甲基硅氧烷(PDMS):預(yù)聚物Sylgard184(A)和 Sylgard184(B)(Dow Corning公司)，硫酸(AR，北京化工廠)，雙氧水(AR，北京化工廠)，無(wú)水甲醇(AR，北京化工廠)，3－［2－(2－氨基乙基氨基)乙基氨基］丙基－三甲氧基硅烷(AEEPMS，Aldrich公司)，甲基膦酸二甲酯(DMMP，防化研究院提供，純度＞98%)，液晶 E7(石家莊實(shí)力克公司)，銅網(wǎng)(75 目，厚度約50 μm)。

XP－201偏光顯微鏡(江南儀器廠，配有數(shù)碼相機(jī)接口)，數(shù)碼相機(jī)(尼康4500)，微米級(jí)溝槽的單晶硅模版(清華大學(xué)微電子研究所刻制)。

1.2 液晶化學(xué)傳感器的制備

液晶化學(xué)傳感器的制備分為PDMS印章制備、微接觸印刷法制備有機(jī)膜、活性位點(diǎn)的組裝以及液晶膜的制備等四步，制備流程如圖1所示。

圖1 液晶化學(xué)傳感器制備流程圖

1.2.1 PDMS 印章的制備

將PDMS預(yù)聚物Sylgard 184A和Sylgard 184B按體積比為10∶1比例混合，澆筑到具有微溝槽的硅模版上，靜置2 h;待其中氣泡完全消失，將硅模板放入烘箱中于60℃下加熱1 h;冷卻后，將PDMS印章從硅模版上剝落并切割成1 cm×2 cm的條狀物備用。

1.2.2 微接觸印刷法制備有機(jī)膜

將AEEPMS配置成濃度為1 mmol/L的無(wú)水甲醇溶液;將普通載玻片(2.5 cm×7.5 cm)切成1 cm×1 cm的小塊后用新配置的Piranha溶液(V(H2SO4)∶V(H2O2)=7∶3)浸泡30 min，然后用高純水將其沖洗干凈;將印章PDMS浸于AEEPMS的甲醇溶液中2 min，取出后用N2吹干，然后與潔凈的載玻片接觸30 s后剝離，最后將載玻片放入烘箱中與110℃下老化1 h。

1.2.3 活性位點(diǎn)的組裝

配置50 mmol/L的高氯酸銅乙醇溶液;將印制過(guò)有機(jī)膜的載玻片放入其中浸泡1 h，取出后用高純水沖洗，N2吹干。

1.2.4 液晶膜的制備

液晶膜的制備采用銅網(wǎng)固定的方法［11］:將潔凈的銅網(wǎng)固定于載玻片表面，用毛細(xì)管取約0.5 μL的液晶E7涂于銅網(wǎng)格表面制備液晶膜，多余液晶用毛細(xì)管另一端除去。

1.3 液晶化學(xué)傳感器檢測(cè)有機(jī)磷農(nóng)藥研究

將制備的液晶化學(xué)傳感器置于偏光顯微鏡下，分別以直光和錐光方式觀察液晶織構(gòu)。采用自制發(fā)生裝置對(duì)一系列低濃度的有機(jī)磷農(nóng)藥氣流(氣流流速1 L/min)進(jìn)行檢測(cè)，采用N2流進(jìn)行液晶化學(xué)傳感器恢復(fù)處理，整個(gè)過(guò)程觀察液晶織構(gòu)的變化，數(shù)碼相機(jī)記錄整個(gè)過(guò)程(如圖2所示)。偏光顯微鏡工作條件為:直光條件下，放大倍數(shù)100倍，起偏鏡與檢偏鏡之間的夾角為90°;錐光條件下，放大倍數(shù)630倍，起偏鏡與檢偏鏡之間的夾角為90°。圖片采用數(shù)碼相機(jī)拍攝。

圖2 氣體測(cè)試系統(tǒng)示意圖

2 結(jié)果與討論

2.1 原子力顯微鏡表征基底表面結(jié)構(gòu)

在微接觸法印刷溝槽的過(guò)程中，當(dāng)AEEPMS的甲醇溶液涂在印章表面后，空氣中存在的微量水分使得AEEPMS分子中Si－X鍵水解生成羥基。印章與基片保持緊密貼合時(shí)，硅氧烷分子上的羥基會(huì)與基片表面的羥基反應(yīng)生成Si－O－Si，從而鍵合到玻璃表面。由于印章表面帶有溝槽，在印制過(guò)程中，只有印章上突起的部分上涂抹的硅氧烷分子才有機(jī)會(huì)在載玻片表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，所以微接觸印刷后的載玻片表面覆蓋有一層具有微米級(jí)溝槽的AEEPMS自組裝膜(如圖3所示)。

圖3 玻璃基底表面AFM結(jié)構(gòu)形貌圖

圖3為印刷溝槽后基底表面結(jié)構(gòu)的AFM三維表面形貌圖，由圖可知，印刷溝槽后的玻璃基質(zhì)表面有非常規(guī)整的微米級(jí)波紋狀溝槽出現(xiàn);且印制的溝槽寬度約為1.95 μm，溝槽深度約91.37 nm?；|(zhì)表面具有明顯的各項(xiàng)異性，具備實(shí)驗(yàn)研究的各項(xiàng)要求。

2.2 液晶化學(xué)傳感器檢測(cè)敵敵畏現(xiàn)象及機(jī)理研究

采用自制氣體發(fā)生裝置發(fā)生濃度為0.112 g/m3的敵敵畏(DDVP)蒸汽，以1 L/min的流速吹向液晶膜，采用偏光顯微鏡在直光條件下觀測(cè)液晶膜的變化，并用數(shù)碼相機(jī)記錄檢測(cè)檢測(cè)全過(guò)程。

圖4 液晶化學(xué)傳感器在DDVP作用下以及在N2作用下液晶膜的變化情況

圖4是液晶化學(xué)傳感器在檢測(cè)DDVP蒸汽過(guò)程中液晶膜的織構(gòu)連續(xù)變化圖。液晶膜在未接觸到DDVP蒸汽時(shí)，偏光顯微鏡在直光條件下觀測(cè)到整體呈暗色(圖4A)，調(diào)至錐光狀態(tài)后可以看到清晰的“黑色十字”出現(xiàn)(圖4A中插圖);當(dāng)液晶膜與氣體慢慢作用8 s后液晶膜逐漸亮了起來(lái)(圖4B)，液晶膜整體黑色逐漸被彩色條紋所取代(圖4B至圖4D);停止通入含有敵敵畏的空氣流改為N2作用下時(shí)，液晶膜的彩色條紋開(kāi)始慢慢消褪(圖4E至圖4G)，當(dāng)N2作用57s時(shí)，液晶膜又恢復(fù)到了始狀態(tài)(圖4H)，此時(shí)顯微鏡在錐光狀態(tài)下，又可觀察到“黑色十字”出現(xiàn)(圖4H中插圖)。

液晶化學(xué)傳感器的工作機(jī)理為:當(dāng)端基為氨基的有機(jī)膜采用Cu2+修飾后，液晶分子的端基—CN與Cu2+發(fā)生弱的鍵合作用，使得液晶分子垂直排列(如圖5(a));當(dāng)其檢測(cè)DDVP氣體時(shí)，液晶分子與自組裝膜上Cu2+的之間的弱鍵合作用被Cu2+與DDVP的磷酯鍵較強(qiáng)的配位作用所取代［8］，使得與Cu2+發(fā)生配位作用的液晶分子排列取向發(fā)生偏轉(zhuǎn)。在這個(gè)過(guò)程中結(jié)合上去的DDVP分子以及偏轉(zhuǎn)液晶分子又對(duì)周圍液晶分子造成擠壓，以及基質(zhì)表面溝槽對(duì)于液晶分子的作用，使得液晶分子整體垂直排列方式向平行排列轉(zhuǎn)化(如圖5(b))。而當(dāng)傳感器接觸到N2時(shí)，有機(jī)磷化合物分子逐漸從自組裝敏感膜離去，液晶分子與敏感膜弱的鍵合作用恢復(fù)，液晶重新成為垂直排列，因此我們又可以看到暗色液晶膜的出現(xiàn)。

圖5 液晶型化學(xué)傳感器檢測(cè)有機(jī)磷農(nóng)藥蒸汽流機(jī)理示意圖

2.3 液晶化學(xué)傳感器檢測(cè)不同種類的有機(jī)磷農(nóng)藥

采用與上述實(shí)驗(yàn)相同的方法先后發(fā)生濃度約為0.1 g/m3的久效磷、甲基對(duì)硫磷、樂(lè)果、希螟松等有機(jī)磷農(nóng)藥，對(duì)液晶化學(xué)傳感器的性能進(jìn)行表征，檢測(cè)現(xiàn)象如圖6(A、B、C、D)所示。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，該種液晶化學(xué)傳感器可對(duì)上述幾種農(nóng)藥均可進(jìn)行檢測(cè)圖6(A'、B'、C'、D');檢測(cè)完成后，在 N2的作用下，傳感器可恢復(fù)到初始狀態(tài)圖 6(A”、B”、C”、D”)。從而表明，該種液晶化學(xué)傳感器可用作有機(jī)磷農(nóng)藥的廣譜、快速檢測(cè)。

圖6 液晶化學(xué)傳感器檢測(cè)不同種類的有機(jī)磷農(nóng)藥

2.4 傳感器性能

2.4.1 傳感器的最低檢測(cè)限

在發(fā)生有機(jī)磷農(nóng)藥過(guò)程中，逐級(jí)減小目標(biāo)物濃度，考察能夠使得液晶膜發(fā)生變化的有機(jī)磷農(nóng)藥蒸汽的最低值即該傳感器檢測(cè)目標(biāo)物的最低檢測(cè)限，如表1所示。

表1 液晶化學(xué)傳感器檢測(cè)不同類有機(jī)磷農(nóng)藥最低檢測(cè)限

2.4.2 傳感器的重復(fù)使用性

采用Photoshop軟件對(duì)液晶化學(xué)傳感器檢測(cè)目標(biāo)物的圖片進(jìn)行“圖像相對(duì)平均灰度值(gw)”分析［14］，考察該種傳感器的重復(fù)使用性。由圖7可知，傳感器在檢測(cè)0.114 g/m3的DDVP蒸汽時(shí)，液晶膜的亮度發(fā)生了顯著變化，圖片的gw由20%很快升至95%;而液晶膜在N2作用下，又逐漸回復(fù)到初始狀態(tài);繼續(xù)通入DDVP的蒸汽，又可以發(fā)現(xiàn)液晶膜的亮度發(fā)生變化。由此現(xiàn)象表明，該種傳感器可以重復(fù)使用。連續(xù)檢測(cè)五十次以上，發(fā)現(xiàn)該液晶化學(xué)傳感器還可以繼續(xù)工作，進(jìn)而表明其重復(fù)使用性較好。

圖7 液晶化學(xué)傳感器連續(xù)檢測(cè)0.114g/m3的DDVP液晶膜透光度的變化曲線圖

2.4.3 傳感器的響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間

由圖8可知，液晶化學(xué)傳感器在檢測(cè)敵敵畏蒸汽時(shí)，其響應(yīng)時(shí)間隨著敵敵畏蒸汽濃度的增加而縮短，這主要是由于在檢測(cè)過(guò)程中傳感器的敏感膜與DDVP分子產(chǎn)生弱鍵合作用，當(dāng)該分子的量達(dá)到某一閾值時(shí)，液晶分子開(kāi)始發(fā)生偏轉(zhuǎn);當(dāng)DDVP濃度逐漸增大時(shí)，達(dá)到該值所需的時(shí)間越來(lái)越短，相應(yīng)的響應(yīng)時(shí)間也越來(lái)越短。與其相反的是，傳感器的恢復(fù)時(shí)間隨著DDVP蒸汽濃度的增加而增長(zhǎng)。這是由于當(dāng)檢測(cè)較大濃度的DDVP蒸汽時(shí)，附著在敏感膜表面的敵敵畏分子比檢測(cè)較低濃度敵敵畏蒸汽時(shí)吸附的DDVP分子較多，相應(yīng)脫附過(guò)程所需時(shí)間較長(zhǎng)，即恢復(fù)時(shí)間也較長(zhǎng)。

圖8 液晶化學(xué)傳感器檢測(cè)不同濃度的DDPV時(shí)響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間的變化曲線圖

2.4.4 傳感器的抗干擾能力

采用實(shí)驗(yàn)室常見(jiàn)溶劑為干擾劑，對(duì)傳感器的抗干擾能力進(jìn)行考察。分別配置較大濃度的甲醇、乙醇、丙酮、正己烷、二氯甲烷、水、乙胺氣體，采用液晶化學(xué)傳感器對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，均未發(fā)現(xiàn)有特異現(xiàn)象出現(xiàn)。

表2 液晶化學(xué)傳感器抗干擾性能表

2.4.5 傳感器的溫度適應(yīng)性及穩(wěn)定性

液晶化學(xué)傳感器在組裝完成后，性質(zhì)較為穩(wěn)定，在液晶E7呈向列相液晶態(tài)(－10℃ ～60℃)的條件下，該傳感器均能正常工作;將該傳感器放入培養(yǎng)皿中至于室溫下三個(gè)月后取出對(duì)DDPV進(jìn)行檢測(cè)，液晶化學(xué)傳感器仍能正常工作，表明該傳感器具有較好的溫度適應(yīng)性和穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

采用微接觸印刷法、自組裝法和銅網(wǎng)固定法制備了液晶化學(xué)傳感器并成功應(yīng)用于含磷農(nóng)藥的檢測(cè)中。在檢測(cè)過(guò)程中，以Cu2+為活性位點(diǎn)的液晶傳感器可用于多種農(nóng)藥的檢測(cè)，且該種傳感器較為靈敏、響應(yīng)較快、并可重復(fù)使用，多種常見(jiàn)有機(jī)溶劑未能對(duì)檢測(cè)過(guò)程產(chǎn)生干擾作用。

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