一种快速检测环境中磺酰脲类除草剂的传感器及其检测方法

1.本发明属于环境磺酰脲类除草剂检测技术领域，具体涉及一种利用颜色传感器快速检测环境中磺酰脲类除草剂的传感器及其检测方法。


背景技术：

2.磺酰脲类除草剂是一种高效、广谱、高选择性的除草剂，主要用于防除阔叶杂草和禾本科杂草，对于一年或多年生杂草有特效。但由于长期大量使用，既引起杂草对磺酰脲类除草剂产生抗药性，又导致其在农田主壤中长期积累。研究表明，磺酰脲类除草剂在土壤中的降解方式主要有化学水解和生物降解，但其降解速度受化合物结构、土壤ph值、温湿度、土壤有机物含量等影响较大。不同磺酰脲类除草剂具有不同的残效期，残效期较长的除草剂即使在土壤中微量残留，也会对后茬敏感农作物、环境以及人体健康造成较大的影响。因此，建立一种简便、快速、灵敏、高效的环境中磺酰脲类除草剂的分析方法具有重要意义。
3.目前，测定环境中磺酰脲类除草剂主要有高效液相色谱法(hplc)、气相色谱法(gc)、色质联谱法(lc/ms)、酶联免疫法和生物测定法。
4.其中hplc、gc等方法需光导检测器，不易普及推广。磺酰脲化合物热不稳定，不能用gc直接分析测定，必须用重氮甲烷衍生化后才能测定。hplc、gc、lc/ms等法均有明显的不足，对色谱柱要求较高，单个样品测定耗时较长。
5.酶联免疫法是采用化学发光免疫法测定磺酰脲类除草剂，检测限可达0.1～0.3μg/l，但酶联免疫法专一性强，只能检测特定结构的化合物，且抗体的制备相当困难。
6.生物测定法是用敏感植物做指示植物，效果较直接，它包括土培生物测定、水培生物测定、土壤提取液生物测定和细胞培养生物测定。但土培生物测定、土壤提取液生物测定反映的是土壤中有效态磺酰脲类除草剂，而不是总残留，且周期较长。
7.综述可知，目前现有的磺酰脲类化合物的检测方法有的比较费时，有的前处理过程复杂，有的需要依赖昂贵的大型仪器等，不易推广和普及，因此急需开发一种相对简便且快速灵敏的检测方法。
8.通过研究考察，利用颜色传感器可实现对磺酰脲类除草剂的定量反映，从而实现磺酰脲类除草剂的快速、灵敏、便捷的检测。


技术实现要素：

9.为了解决上述问题，本发明目的在于开发一种利用颜色传感器快速检测环境中磺酰脲类除草剂的传感器及其检测方法。
10.为实现上述目的，本发明采用技术方案为：
11.一种快速检测环境中磺酰脲类除草剂的检测方法，将颜色传感器浸至待检测样品中，利用传感器表面特异性识别磺酰脲类除草剂，并通过光源照射对传感器识别的磺酰脲类除草剂所引起衍射光变化呈现的颜色变化，实现对磺酰脲类除草剂的定性和/或定量的检测。
12.所述颜色传感器为三维具有周期性排布孔洞结构的薄膜；且，孔洞能够特异性识别磺酰脲类除草剂。
13.所述颜色传感器为于基体表面自主装排布sio2微球，并于基体与sio2微球之间填充识别磺酰脲类除草剂的聚合物，聚合完成后使基材以其上排布的sio2微球脱落，并反复清洗，即获得三维具有周期性排布孔洞结构的颜色传感器。
14.所述聚合物灌入至基体与sio2微球之间，而后于55-75℃下聚合反应2-6h，聚合反应后经有机溶剂反复冲洗，使基体与sio2微球之间形成三维大孔结构空洞，而后利用4％-10％氢氟酸将sio2微球腐蚀去除，即得三维具有周期性排布孔洞结构的颜色传感器。
15.所述有机溶剂为甲醇和乙酸的混合溶液，其中，甲醇和乙酸的体积比1:8-1:20。
16.所述聚合物为磺酰脲类除草剂经甲基丙烯酸，溶解，4℃冷藏10-16h，而后加入乙二醇二甲基丙烯酸酯和偶氮二异丁腈，再经溶解，即得聚合物溶液，待用；其中，除草剂与甲基丙烯酸的摩尔比例为1:4-1:6，除草剂与乙二醇二甲基丙烯酸酯的摩尔比例为1:4-1:20，除草剂与偶氮二异丁腈的摩尔比例为1:8-1:10。
17.所述基体表面的球形纳米孔洞结构为将纳米粒径sio2微球经有机溶剂分散均匀，而后将基体浸入分散液中，在湿度40-70％rh，气压600～800hpa，室温下恒温静置7-10天，待有机溶剂挥发完后使得基体表面自主装周期性排列生长sio2微球；在完成聚合物填充后将sio2微球去除即得传感器中球形纳米孔洞结构。
18.其中，二氧化硅分散至有机溶剂中获得分散液，分散液中二氧化硅质量分数在1％—4％；有机溶剂为无水乙醇或甲醇。
19.所述颜色传感器浸至于待检测样品中，使待检测的磺酰脲类除草剂分子吸附于传感器表面孔洞，达到吸附平衡，在色温3000-4000k白光照射下，由孔洞吸附目标物的变化所产生入射光波长引起颜色变化，再与标准颜色参数对比，即可实现对磺酰脲类除草剂的定性和/或定量的检测。
20.进一步的说：
21.(1)样品制备：将待测样品溶于有机溶剂中，超声提取3-5min，用400-2000目样品筛过滤；
22.(2)目标除草剂吸附：将颜色传感器浸入步骤(1)制备的样品提取液10-20min，使得吸附目标除草剂并达到平衡；
23.(3)颜色比对：用去离子水冲洗传感器表面附着的样品液，通过与标准颜色参数进行对比，颜色对应的除草剂浓度值即为待测样品除草剂含量。
24.所述标准颜色参数的制备
25.步骤一：将磺酰脲类除草剂标准样品溶于有机溶剂中，超声提取3-5min，用400-2000目标准样品筛过滤；其中，有机溶剂为1％乙酸-乙腈。
26.步骤二：对上述获得标准样品提取液进行梯度稀释，梯度为10-12-10-2
g/l，且溶液梯度间隔至少为10-2
倍；
27.步骤三，将颜色传感器依次浸入浓度从低到高变化的磺酰脲类除草剂标准样品提取液中至达到平衡、冲洗，采集记录传感器颜色和与之相对应的除草剂浓度，设定传感器标准颜色参数。
28.所述待测样品溶于有机溶剂中，其中有机溶剂为甲醇、乙醇、乙酸、乙酸-乙腈、氨
水-乙腈或三氯甲烷。
29.所述磺酰脲类除草剂包括但不限于氯嘧磺隆、苯磺隆、氯磺隆、苯磺隆、砜嘧磺隆、烟嘧磺隆、吡嘧磺隆、苄嘧磺隆或甲嘧磺隆。
30.一种传感器，颜色传感器为颜色传感器为所述颜色传感器为三维具有周期性排布孔洞结构的薄膜；且，孔洞能够特异性识别磺酰脲类除草剂。
31.检测原理：
32.在传感器具有的周期性球形纳米孔洞结构表面合成有对磺酰脲类除草剂具有特异性识别的孔穴，当孔穴吸附目标磺酰脲类除草剂分子后则会改变纳米孔洞结构的几何参数，进而改变光线波长引起传感器表面颜色变化，最终通过颜色变化规律反映出对磺酰脲类除草剂的吸附量，实现对磺酰脲类除草剂的快速检测。
33.本发明的优点：
34.本发明颜色传感器用于快速检测环境中磺酰脲类除草剂其具有快速响应性和颜色自表达性的特点，通过表观颜色变化规律反映定性和/或定量的对磺酰脲类除草剂的检测，本发明方法具有快速、便捷、可视化等特点，在磺酰脲类除草剂的快速检测领域具有重要的应用价值；具体为：
35.1.本发明涉及的对环境中磺酰脲类除草剂快速检测方法前处理简单耗时短，检测过程易操作其成本低，可针对单种磺酰脲类除草剂的定性定量检测，实现对目标除草剂的应急性筛查和检测。本发明弥补了当前磺酰脲类除草剂检测技术的缺陷。
36.2.本发明涉及的颜色传感器可通过表面颜色变化规律快速反映除草剂残留浓度，具有裸眼可视性，通过和传感器预设标准颜色参数对比，能快速检测环境样品磺酰脲类除草剂的含量。
37.3.本发明涉及的颜色传感器对磺酰脲类除草剂具有特异选择吸附性，可避免环境样品基质和相似结构除草剂分子的干扰。
附图说明
38.图1为本发明实施例提供的传感器原理结构图。
39.图2为本发明实施例1中所制备的氯嘧磺隆传感器模板表面微观形貌。
40.图3为本发明实施例1中所制备的氯嘧磺隆颜色传感器微观形貌。
41.图4为本发明实施例1中所制备的氯嘧磺隆传感器预设标准颜色参数。
42.图5为本发明实施例3中所制备的烟嘧磺隆传感器模板形貌。
43.图6为本发明实施例3中所制备的烟嘧磺隆传感器微观形貌。
具体实施方式
44.以下结合实例对本发明的具体实施方式做进一步说明，应当指出的是，此处所描述的具体实施方式只是为了说明和解释本发明，并不局限于本发明。
45.本发明制备具有规则周期性纳米孔洞结构的颜色传感器，传感器可通过孔洞结构参数变化对入射光波长进行调节。在孔洞结构表面合成有对磺酰脲类除草剂具有专一性识别的孔穴，当孔穴吸附目标磺酰脲类除草剂分子后则会改变孔洞结构参数，进而引起传感器表面颜色变化，最终通过颜色变化规律实现对磺酰脲类除草剂的快速检测。
46.本发明方法基于颜色传感器，该传感器可通过表面颜色的变化规律实现对环境样品中磺酰脲类除草剂的快速检测。本发明涉及的环境样品磺酰脲类除草剂检测方法操作简便快速，可实现对单种磺酰脲类除草剂定性定量检测；此外，该方法不受样品基质及温度影响。本发明为环境中磺酰脲类除草剂的检测提供了一种准确、灵敏、快速的新方法。
47.实施例1
48.(1)颜色传感器模板的制备
49.将300nm粒径sio2微球300mg加入到100ml无水乙醇配中，超声分散1h，静置20min后，将载玻片垂直放入其中，恒温25℃放置一周左右，待烧杯中的无水乙醇蒸发完全，使得sio2微球在载玻片表面自行排列形成稳定的周期性排布，即得到sio2传感器模板，微观结构如图2所示。由图2可见，模板sio2微球周期性排列。
50.(2)氯嘧磺隆颜色传感器的制备
51.以氯嘧磺隆为磺酰脲类除草剂代表，制备颜色传感器。
52.取0.02g氯嘧磺隆、加入0.6ml乙腈和25μl甲基丙烯酸于5ml离心管中，超声混合后置于4℃冰箱中12h，然后再加入152μl乙二醇二甲基丙烯酸酯和0.01g偶氮二异丁腈，得到聚合溶液。在上述步骤(1)获得传感器模板两侧紧贴聚甲基丙烯酸甲酯玻片，而后通过未封闭一侧将聚合溶液注入传感器模板与sio2微球夹缝中，然后置于60℃烘箱聚合4h。待聚合完成后，浸泡在5wt％的氢氟酸溶液中直至传感器模板两侧的聚甲基丙烯酸甲酯玻片、传感器模板中的载玻片以及传感器模板上排布的sio2微球脱落，此时在传感器模板与聚甲基丙烯酸甲酯玻片之间形成了具有三维大孔结构薄膜。此后用甲醇-冰乙酸混合液反复冲洗聚甲基丙烯酸甲酯玻片以除去模板分子，即得到氯嘧磺隆颜色传感器，微观结构如图3所示。
53.由图3可见，颜色传感器表面具有周期性球状纳米孔洞结构，这些大孔相互连接更有利于分子的运输。同时按照上述记载过程将氯嘧磺隆由磺酰脲类除草剂中的其它除草剂进行替换也可获得检测对应除草剂的颜色传感器。
54.(3)氯嘧磺隆传感器预设标准颜色参数的获取方法如下：
55.氯嘧磺隆标准液配制：用1％乙酸-乙腈配制一系列氯嘧磺隆梯度浓度标准液，浓度分别为10-10
、10-8
、10-6
、10-4
、10-2
g/l；
56.氯嘧磺隆吸附时间考察：将颜色传感器分别浸入氯嘧磺隆标准液各浓度中直至达到吸附平衡；
57.颜色参数采集记录：将颜色传感器用去离子水反复冲洗，用ccd相机在色温3500k左右白光照射下采集传感器于标准溶液中不同浓度下的表面颜色rgb值，标注相对应的氯嘧磺隆浓度即可得氯嘧磺隆传感器预设标准颜色参数，如图4，随着传感器吸附氯嘧磺隆数量的不断增加，传感器表面纳米孔洞半径逐渐减小，传感器表面出射光线的波长逐渐增加，由初始状态的绿色逐渐变为黄色、棕色直至红色；
58.按照上述传感器预设标准颜色参数采集过程将氯嘧磺隆替换成磺酰脲类除草剂的其它除草剂即可获得相应除草剂的传感器预设标准颜色参数。
59.实施例2
60.利用上述实施例获得氯嘧磺隆颜色传感器定性和/或定量检测土壤中的氯嘧磺隆：
61.具体操作如下：
62.土壤样品提取液制备：将土壤样品除去石块、树枝等杂物，捣碎、研磨、混匀，过60目样品筛。取5g溶于20ml 1％乙酸-乙腈中，超声提取5min，用2000目样品筛过滤；
63.氯嘧磺隆吸附：将颜色传感器浸入样品提取液中15min达到吸附平衡；
64.含量检测：将颜色传感器用去离子水冲洗，用ccd相机采集传感器表面颜色rgb值并与预设标准颜色参数对比，可看出与10-4
g/l标注处的颜色参数一致，即土壤样品中氯嘧磺隆含量为10-4
g/l；
65.进而可见所述传感器对环境中磺酰脲类除草剂的检测，采用该传感器及方法前处理简单耗时短，检测过程易操作，可针对磺酰脲类除草剂快速定性定量检测。
66.实施例3
67.(1)颜色传感器模板的制备
68.将250nm粒径sio2微球300mg加入到100ml无水乙醇配中，超声分散1h，静置20min后，将载玻片垂直放入其中，恒温25℃放置一周左右，待烧杯中的无水乙醇蒸发完全，使得sio2微球在载玻片表面自行排列形成稳定的周期性排布，即得到sio2传感器模板，如图5所示。
69.(2)烟嘧磺隆颜色传感器的制备
70.以烟嘧磺隆为磺酰脲类除草剂代表，制备颜色传感器。
71.取0.02g烟嘧磺隆、加入0.6ml乙腈和25μl甲基丙烯酸于5ml离心管中，超声混合后置于4℃冰箱中12h，然后再加入152μl乙二醇二甲基丙烯酸酯和0.01g偶氮二异丁腈，得到聚合溶液。在上述步骤(1)获得传感器模板两侧紧贴聚甲基丙烯酸甲酯玻片，而后通过未封闭一侧将聚合溶液注入传感器模板与sio2微球夹缝中，然后置于60℃烘箱聚合4h。待聚合完成后，浸泡在5wt％的氢氟酸溶液中直至传感器模板两侧的聚甲基丙烯酸甲酯玻片、传感器模板中的载玻片以及传感器模板上排布的sio2微球脱落，此时在传感器模板与聚甲基丙烯酸甲酯玻片之间形成了具有三维大孔结构薄膜。此后用甲醇-冰乙酸混合液反复冲洗有机玻璃以除去模板分子，即得到烟嘧磺隆颜色传感器传感器，微观结构如图6所示。
72.(3)检测土壤中烟嘧磺隆的具体操作如下：
73.土壤样品提取液制备：将土壤样品除去石块、树枝等杂物，捣碎、研磨、混匀，过60目样品筛。取5g溶于20ml 1％乙酸-乙腈中，超声提取5min，用2000目样品筛过滤；
74.烟嘧磺隆吸附：将颜色传感器浸入样品提取液中15min达到吸附平衡；
75.含量检测：将颜色传感器用去离子水冲洗，用ccd相机采集传感器表面颜色rgb值并与预设标准颜色参数对比，可看出传感器颜色无变化(与0g/l标注处的颜色一致)，即土壤样品中烟嘧磺隆含量为0。
76.以上所述实施例，为本发明专利较佳应用案例，但并非对本发明产生任何形式上的限制。按照上述实施例中传感器中加入各种磺酰脲类除草剂，即可获得对应除草剂颜色传感器。进而在实际应用过程中，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例。