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，因其殺蟲效率高，對植物的藥害小，在環(huán)境中持久性低等特點，成為我國目前最常用一類農(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)及使用過程中也不可避免的會出現(xiàn)許多問題:如這些農(nóng)藥帶有揮發(fā)性，在噴灑時可隨風(fēng)飄散，落在葉面上可隨蒸騰氣流進(jìn)入大氣，在土壤表層時也可經(jīng)日照蒸發(fā)到大氣中，大風(fēng)揚起農(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)，甚至到無人區(qū)，因此對空氣中有機(jī)磷農(nóng)藥的濃度監(jiān)測具有十分重要的意義。傳統(tǒng)的農(nóng)藥檢測方法有: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 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、選擇性較差等缺點。2001年，Abbott研究小組首先在Science上報道［8］采用液晶化學(xué)傳感器檢測有機(jī)磷化合物甲基磷酸二甲酯(DMMP)的技術(shù)，該法利用檢測目標(biāo)分子與傳感器敏感膜發(fā)生鍵合作用時，液晶膜的顏色和亮度發(fā)生變化來達(dá)到檢測目標(biāo)物的目的，由于該法操作簡單，價格低廉，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。但上述文獻(xiàn)報道的此類傳感器制備過程中，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間較長，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。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，該種傳感器制備工藝簡單，成本較低，靈敏度較高，檢測過程現(xiàn)象明顯且能夠多次重復(fù)使用，在有機(jī)磷農(nóng)藥檢測中有著廣闊的應(yīng)用前景。

1 實驗部分

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 活性位點的組裝

配置50 mmol/L的高氯酸銅乙醇溶液;將印制過有機(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，采用N2流進(jìn)行液晶化學(xué)傳感器恢復(fù)處理，整個過程觀察液晶織構(gòu)的變化，數(shù)碼相機(jī)記錄整個過程(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，硅氧烷分子上的羥基會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異性，具備實驗研究的各項要求。

2.2 液晶化學(xué)傳感器檢測敵敵畏現(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液晶膜的變化，并用數(shù)碼相機(jī)記錄檢測檢測全過程。

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DDVP蒸汽過程中液晶膜的織構(gòu)連續(xù)變化圖。液晶膜在未接觸到DDVP蒸汽時，偏光顯微鏡在直光條件下觀測到整體呈暗色(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(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，液晶膜的彩色條紋開始慢慢消褪(圖4E至圖4G)，當(dāng)N2作用57s時，液晶膜又恢復(fù)到了始狀態(tài)(圖4H)，此時顯微鏡在錐光狀態(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DDVP氣體時，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)。在這個過程中結(jié)合上去的DDVP分子以及偏轉(zhuǎn)液晶分子又對周圍液晶分子造成擠壓，以及基質(zhì)表面溝槽對于液晶分子的作用，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，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)傳感器檢測不同種類的有機(jī)磷農(nóng)藥

采用與上述實驗相同的方法先后發(fā)生濃度約為0.1 g/m3的久效磷、甲基對硫磷、樂果、希螟松等有機(jī)磷農(nóng)藥，對液晶化學(xué)傳感器的性能進(jìn)行表征，檢測現(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)傳感器可對上述幾種農(nóng)藥均可進(jìn)行檢測圖6(A'、B'、C'、D');檢測完成后，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。

圖6 液晶化學(xué)傳感器檢測不同種類的有機(jī)磷農(nóng)藥

2.4 傳感器性能

2.4.1 傳感器的最低檢測限

在發(fā)生有機(jī)磷農(nóng)藥過程中，逐級減小目標(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目標(biāo)物的最低檢測限，如表1所示。

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

2.4.2 傳感器的重復(fù)使用性

采用Photoshop軟件對液晶化學(xué)傳感器檢測目標(biāo)物的圖片進(jìn)行“圖像相對平均灰度值(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0.114 g/m3的DDVP蒸汽時，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)時間和恢復(fù)時間

由圖8可知，液晶化學(xué)傳感器在檢測敵敵畏蒸汽時，其響應(yīng)時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過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，液晶分子開始發(fā)生偏轉(zhuǎn);當(dāng)DDVP濃度逐漸增大時，達(dá)到該值所需的時間越來越短，相應(yīng)的響應(yīng)時間也越來越短。與其相反的是，傳感器的恢復(fù)時間隨著DDVP蒸汽濃度的增加而增長。這是由于當(dāng)檢測較大濃度的DDVP蒸汽時，附著在敏感膜表面的敵敵畏分子比檢測較低濃度敵敵畏蒸汽時吸附的DDVP分子較多，相應(yīng)脫附過程所需時間較長，即恢復(fù)時間也較長。

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

2.4.4 傳感器的抗干擾能力

采用實驗室常見溶劑為干擾劑，對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)傳感器對其進(jìn)行檢測，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月后取出對DDPV進(jìn)行檢測，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)藥的檢測中。在檢測過程中，以Cu2+為活性位點的液晶傳感器可用于多種農(nóng)藥的檢測，且該種傳感器較為靈敏、響應(yīng)較快、并可重復(fù)使用，多種常見有機(jī)溶劑未能對檢測過程產(chǎn)生干擾作用。

［1］Sinha S N，Bhatnagar V K，Doctor P，et al.A Novel Method for Pesticide Analysis in Refined Sugar Samples Using a Gas Chromatography-Mass Spectrometer(GC-MS/MS)and Simple Solvent Extraction Method［J］.Food Chem.，2011，126:379－386.

［2］Sobhanzadeh E，Kartini N，Bakar A，et al.Low Temperature Followed by Matrix Solid-Phase Dispersion-Sonication Procedure for the Determination of Multiclass Pesticides in Palm Oil Using LC-TOF-MS［J］.J.Hazard.Mater.，2011，28:1308－1313.

［3］楊若明，趙新穎，崔香花，等.酶抑制法快速檢定果蔬中的農(nóng)藥殘留［J］.中央民族大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2009，18:11－14.

［4］Rajan，Chand S，Guptaa B D.Surface Plasmon Resonance Based Fiber-Optic Sensor for the Detection of Pesticide［J］.Sens.Actuators B，2007，21:661－666.

［5］劉敬彪，張理兵，黃琦，等.便攜式AChE傳感器系統(tǒng)的開發(fā)與研究［J］.傳感技術(shù)學(xué)報，2008，21:1817－1821.

［6］楊明艷，毛偉，貝偉斌，等.聲表面波DDT有機(jī)氯農(nóng)藥免疫生物傳感器的研究［J］.傳感技術(shù)學(xué)報，2007，20:1－4.

［7］余向陽，駱愛蘭，劉媛，等.擬除蟲菊酯類農(nóng)藥多殘留直接競爭ELISA 建立及初步應(yīng)用［J］.分析測試學(xué)報，2008，27:249－252.

［8］Shah R R，Abbott N L.Principles for Measurement of Chemical Exposure Based on Recognition-Driven Anchoring Transitions in Liquid Crystals［J］.Science，2001，293:1296－1299.

［9］Yang K L，Cadwell K，Abbott N L.Mechanistic Study of the Anchoring Behavior of Liquid Crystals Supported on Metal Salts and Their Orientational Responses to Dimethyl Methylphosphonate［J］.J.Phys.Chem.B，2004，108:20180－20186.

［10］Yang K L，Cadwell K，Abbott N L.Use of Self-Assembled Monolayers，Metal Ions and Smectic Liquid Crystals to Detect Organophosphonates［J］.Sens.Actuators B，2005，104:50－56.

［11］Cadwell K D，Nellis B A，Alf M E，et al.Detection of Organophosphorous Nerve Agents Using Liquid Crystals Supported on Chemically Functionalized Surfaces［J］.Sens.Actuators B，2007，128:91－98.

［12］趙建軍，余建華，潘勇，等.液晶化學(xué)傳感器檢測甲基膦酸二甲酯的研究［J］.分析化學(xué)研究報告，2006，10:1401－1405.

［13］Bungabong M L，Ong P B，Yang K L.Using Copper Perchlorate Doped Liquid Crystals for the Detection of Organophosphonate Vapor［J］.Sens.Actuators B，2010，148:420－426.

［14］熊興良，蔡紹皙，李苑.利用液晶取向變化的光學(xué)免疫檢測方法［J］.高等學(xué)?；瘜W(xué)學(xué)報，2009，30:891－895.