液晶化學傳感器制備及在有機磷農藥檢測中的應用研究*

王普紅，余建華，李志軍，鄭清元

(北京防化研究院，北京 102205)

有機磷農藥主要指磷(膦)酸酯，硫逐磷酸酯，磷酰酯類有機磷化合物，因其殺蟲效率高，對植物的藥害小，在環境中持久性低等特點，成為我國目前最常用一類農藥，在各種農作物生產中尤其是蔬果生產中得到廣泛的應用。但是在生產及使用過程中也不可避免的會出現許多問題:如這些農藥帶有揮發性，在噴灑時可隨風飄散，落在葉面上可隨蒸騰氣流進入大氣，在土壤表層時也可經日照蒸發到大氣中，大風揚起農田的塵土也帶著殘留的農藥形成大氣顆粒物漂浮在空中;大氣中的農藥可隨風長距離地遷移，由農村到城市，由農業區到非農業區，甚至到無人區，因此對空氣中有機磷農藥的濃度監測具有十分重要的意義。傳統的農藥檢測方法有:氣相色譜一質譜聯用法［1］、高效液相色譜法［2］、酶抑制法［3］、生 物 傳 感 器 法［4－6］、酶 聯 免 疫 吸 附 測 定 技 術(ELISA)法［7］等。但是這些方法不同程度存在設備昂貴，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］采用液晶化學傳感器檢測有機磷化合物甲基磷酸二甲酯(DMMP)的技術，該法利用檢測目標分子與傳感器敏感膜發生鍵合作用時，液晶膜的顏色和亮度發生變化來達到檢測目標物的目的，由于該法操作簡單，價格低廉，靈敏度高，已經受到了科技工作者的廣泛關注。在隨后的研究中，Yang［9－10］、Cadwell［11］和趙建軍［12］等對此類化學傳感器的制備方法進行改進并成功用于有機磷化合物DMMP以及神經性毒劑塔崩(GA)、沙林(GB)、梭曼(GD)以及維埃克斯(VX)的檢測。但上述文獻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，且傳感器恢復性較差。

本文采用微接觸印刷法等技術制備成對有機磷化合物有特異選擇性的新型液晶化學傳感器并成功應用于有機磷農藥的檢測。經研究發現，該種傳感器制備工藝簡單，成本較低，靈敏度較高，檢測過程現象明顯且能夠多次重復使用，在有機磷農藥檢測中有著廣闊的應用前景。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

聚二甲基硅氧烷(PDMS):預聚物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(75 目，厚度約50 μm)。

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

1.2 液晶化學傳感器的制備

液晶化學傳感器的制備分為PDMS印章制備、微接觸印刷法制備有機膜、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 液晶化學傳感器制備流程圖

1.2.1 PDMS 印章的制備

將PDMS預聚物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固定的方法［11］:將潔凈的銅網固定于載玻片表面，用毛細管取約0.5 μL的液晶E7涂于銅網格表面制備液晶膜，多余液晶用毛細管另一端除去。

1.3 液晶化學傳感器檢測有機磷農藥研究

將制備的液晶化學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。采用自制發生裝置對一系列低濃度的有機磷農藥氣流(氣流流速1 L/min)進行檢測，采用N2流進行液晶化學傳感器恢復處理，整個過程觀察液晶織構的變化，數碼相機記錄整個過程(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630倍，起偏鏡與檢偏鏡之間的夾角為90°。圖片采用數碼相機拍攝。

圖2 氣體測試系統示意圖

2 結果與討論

2.1 原子力顯微鏡表征基底表面結構

在微接觸法印刷溝槽的過程中，當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會在載玻片表面發生化學反應，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結構形貌圖

圖3為印刷溝槽后基底表面結構的AFM三維表面形貌圖，由圖可知，印刷溝槽后的玻璃基質表面有非常規整的微米級波紋狀溝槽出現;且印制的溝槽寬度約為1.95 μm，溝槽深度約91.37 nm。基質表面具有明顯的各項異性，具備實驗研究的各項要求。

2.2 液晶化學傳感器檢測敵敵畏現象及機理研究

采用自制氣體發生裝置發生濃度為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，并用數碼相機記錄檢測檢測全過程。

圖4 液晶化學傳感器在DDVP作用下以及在N2作用下液晶膜的變化情況

圖4是液晶化學傳感器在檢測DDVP蒸汽過程中液晶膜的織構連續變化圖。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)，調至錐光狀態后可以看到清晰的“黑色十字”出現(圖4A中插圖);當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N2作用57s時，液晶膜又恢復到了始狀態(圖4H)，此時顯微鏡在錐光狀態下，又可觀察到“黑色十字”出現(圖4H中插圖)。

液晶化學傳感器的工作機理為:當端基為氨基的有機膜采用Cu2+修飾后，液晶分子的端基—CN與Cu2+發生弱的鍵合作用，使得液晶分子垂直排列(如圖5(a));當其檢測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的磷酯鍵較強的配位作用所取代［8］，使得與Cu2+發生配位作用的液晶分子排列取向發生偏轉。在這個過程中結合上去的DDVP分子以及偏轉液晶分子又對周圍液晶分子造成擠壓，以及基質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化(如圖5(b))。而當傳感器接觸到N2時，有機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，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。

圖5 液晶型化學傳感器檢測有機磷農藥蒸汽流機理示意圖

2.3 液晶化學傳感器檢測不同種類的有機磷農藥

采用與上述實驗相同的方法先后發生濃度約為0.1 g/m3的久效磷、甲基對硫磷、樂果、希螟松等有機磷農藥，對液晶化學傳感器的性能進行表征，檢測現象如圖6(A、B、C、D)所示。經研究發現，該種液晶化學傳感器可對上述幾種農藥均可進行檢測圖6(A'、B'、C'、D');檢測完成后，在 N2的作用下，傳感器可恢復到初始狀態圖 6(A”、B”、C”、D”)。從而表明，該種液晶化學傳感器可用作有機磷農藥的廣譜、快速檢測。

圖6 液晶化學傳感器檢測不同種類的有機磷農藥

2.4 傳感器性能

2.4.1 傳感器的最低檢測限

在發生有機磷農藥過程中，逐級減小目標物濃度，考察能夠使得液晶膜發生變化的有機磷農藥蒸汽的最低值即該傳感器檢測目標物的最低檢測限，如表1所示。

表1 液晶化學傳感器檢測不同類有機磷農藥最低檢測限

2.4.2 傳感器的重復使用性

采用Photoshop軟件對液晶化學傳感器檢測目標物的圖片進行“圖像相對平均灰度值(gw)”分析［14］，考察該種傳感器的重復使用性。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，又逐漸回復到初始狀態;繼續通入DDVP的蒸汽，又可以發現液晶膜的亮度發生變化。由此現象表明，該種傳感器可以重復使用。連續檢測五十次以上，發現該液晶化學傳感器還可以繼續工作，進而表明其重復使用性較好。

圖7 液晶化學傳感器連續檢測0.114g/m3的DDVP液晶膜透光度的變化曲線圖

2.4.3 傳感器的響應時間和恢復時間

由圖8可知，液晶化學傳感器在檢測敵敵畏蒸汽時，其響應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分子產生弱鍵合作用，當該分子的量達到某一閾值時，液晶分子開始發生偏轉;當DDVP濃度逐漸增大時，達到該值所需的時間越來越短，相應的響應時間也越來越短。與其相反的是，傳感器的恢復時間隨著DDVP蒸汽濃度的增加而增長。這是由于當檢測較大濃度的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，相應脫附過程所需時間較長，即恢復時間也較長。

圖8 液晶化學傳感器檢測不同濃度的DDPV時響應時間和恢復時間的變化曲線圖

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，采用液晶化學傳感器對其進行檢測，均未發現有特異現象出現。

表2 液晶化學傳感器抗干擾性能表

2.4.5 傳感器的溫度適應性及穩定性

液晶化學傳感器在組裝完成后，性質較為穩定，在液晶E7呈向列相液晶態(－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皿中至于室溫下三個月后取出對DDPV進行檢測，液晶化學傳感器仍能正常工作，表明該傳感器具有較好的溫度適應性和穩定性。

3 結論

采用微接觸印刷法、自組裝法和銅網固定法制備了液晶化學傳感器并成功應用于含磷農藥的檢測中。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藥的檢測，且該種傳感器較為靈敏、響應較快、并可重復使用，多種常見有機溶劑未能對檢測過程產生干擾作用。

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