液晶化学传感器制备及在有机磷农药检测中的应用研究*

王普红，余建华，李志军，郑清元

(北京防化研究院，北京 102205)

有机磷农药主要指磷(膦)酸酯，硫逐磷酸酯，磷酰酯类有机磷化合物，因其杀虫效率高，对植物的药害小，在环境中持久性低等特点，成为我国目前最常用一类农药，在各种农作物生产中尤其是蔬果生产中得到广泛的应用。但是在生产及使用过程中也不可避免的会出现许多问题:如这些农药带有挥发性，在喷洒时可随风飘散，落在叶面上可随蒸腾气流进入大气，在土壤表层时也可经日照蒸发到大气中，大风扬起农田的尘土也带着残留的农药形成大气颗粒物漂浮在空中;大气中的农药可随风长距离地迁移，由农村到城市，由农业区到非农业区，甚至到无人区，因此对空气中有机磷农药的浓度监测具有十分重要的意义。传统的农药检测方法有:气相色谱一质谱联用法［1］、高效液相色谱法［2］、酶抑制法［3］、生 物 传 感 器 法［4－6］、酶 联 免 疫 吸 附 测 定 技 术(ELISA)法［7］等。但是这些方法不同程度存在设备昂贵，样品前处理方法繁琐、分析周期长、选择性较差等缺点。2001年，Abbott研究小组首先在Science上报道［8］采用液晶化学传感器检测有机磷化合物甲基磷酸二甲酯(DMMP)的技术，该法利用检测目标分子与传感器敏感膜发生键合作用时，液晶膜的颜色和亮度发生变化来达到检测目标物的目的，由于该法操作简单，价格低廉，灵敏度高，已经受到了科技工作者的广泛关注。在随后的研究中，Yang［9－10］、Cadwell［11］和赵建军［12］等对此类化学传感器的制备方法进行改进并成功用于有机磷化合物DMMP以及神经性毒剂塔崩(GA)、沙林(GB)、梭曼(GD)以及维埃克斯(VX)的检测。但上述文献报道的此类传感器制备过程中，均使用蒸镀金膜的方法制备功能性基底，该法工艺复杂、成本较高，不易推广使用;Bungabong等［13］采用液晶5CB中参杂Cu2+制备此类液晶化学传感器，但该法制备灵敏度较高的传感器所需时间较长，且传感器恢复性较差。

本文采用微接触印刷法等技术制备成对有机磷化合物有特异选择性的新型液晶化学传感器并成功应用于有机磷农药的检测。经研究发现，该种传感器制备工艺简单，成本较低，灵敏度较高，检测过程现象明显且能够多次重复使用，在有机磷农药检测中有着广阔的应用前景。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

聚二甲基硅氧烷(PDMS):预聚物Sylgard184(A)和 Sylgard184(B)(Dow Corning公司)，硫酸(AR，北京化工厂)，双氧水(AR，北京化工厂)，无水甲醇(AR，北京化工厂)，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，纯度＞98%)，液晶 E7(石家庄实力克公司)，铜网(75 目，厚度约50 μm)。

XP－201偏光显微镜(江南仪器厂，配有数码相机接口)，数码相机(尼康4500)，微米级沟槽的单晶硅模版(清华大学微电子研究所刻制)。

1.2 液晶化学传感器的制备

液晶化学传感器的制备分为PDMS印章制备、微接触印刷法制备有机膜、活性位点的组装以及液晶膜的制备等四步，制备流程如图1所示。

图1 液晶化学传感器制备流程图

1.2.1 PDMS 印章的制备

将PDMS预聚物Sylgard 184A和Sylgard 184B按体积比为10∶1比例混合，浇筑到具有微沟槽的硅模版上，静置2 h;待其中气泡完全消失，将硅模板放入烘箱中于60℃下加热1 h;冷却后，将PDMS印章从硅模版上剥落并切割成1 cm×2 cm的条状物备用。

1.2.2 微接触印刷法制备有机膜

将AEEPMS配置成浓度为1 mmol/L的无水甲醇溶液;将普通载玻片(2.5 cm×7.5 cm)切成1 cm×1 cm的小块后用新配置的Piranha溶液(V(H2SO4)∶V(H2O2)=7∶3)浸泡30 min，然后用高纯水将其冲洗干净;将印章PDMS浸于AEEPMS的甲醇溶液中2 min，取出后用N2吹干，然后与洁净的载玻片接触30 s后剥离，最后将载玻片放入烘箱中与110℃下老化1 h。

1.2.3 活性位点的组装

配置50 mmol/L的高氯酸铜乙醇溶液;将印制过有机膜的载玻片放入其中浸泡1 h，取出后用高纯水冲洗，N2吹干。

1.2.4 液晶膜的制备

液晶膜的制备采用铜网固定的方法［11］:将洁净的铜网固定于载玻片表面，用毛细管取约0.5 μL的液晶E7涂于铜网格表面制备液晶膜，多余液晶用毛细管另一端除去。

1.3 液晶化学传感器检测有机磷农药研究

将制备的液晶化学传感器置于偏光显微镜下，分别以直光和锥光方式观察液晶织构。采用自制发生装置对一系列低浓度的有机磷农药气流(气流流速1 L/min)进行检测，采用N2流进行液晶化学传感器恢复处理，整个过程观察液晶织构的变化，数码相机记录整个过程(如图2所示)。偏光显微镜工作条件为:直光条件下，放大倍数100倍，起偏镜与检偏镜之间的夹角为90°;锥光条件下，放大倍数630倍，起偏镜与检偏镜之间的夹角为90°。图片采用数码相机拍摄。

图2 气体测试系统示意图

2 结果与讨论

2.1 原子力显微镜表征基底表面结构

在微接触法印刷沟槽的过程中，当AEEPMS的甲醇溶液涂在印章表面后，空气中存在的微量水分使得AEEPMS分子中Si－X键水解生成羟基。印章与基片保持紧密贴合时，硅氧烷分子上的羟基会与基片表面的羟基反应生成Si－O－Si，从而键合到玻璃表面。由于印章表面带有沟槽，在印制过程中，只有印章上突起的部分上涂抹的硅氧烷分子才有机会在载玻片表面发生化学反应，所以微接触印刷后的载玻片表面覆盖有一层具有微米级沟槽的AEEPMS自组装膜(如图3所示)。

图3 玻璃基底表面AFM结构形貌图

图3为印刷沟槽后基底表面结构的AFM三维表面形貌图，由图可知，印刷沟槽后的玻璃基质表面有非常规整的微米级波纹状沟槽出现;且印制的沟槽宽度约为1.95 μm，沟槽深度约91.37 nm。基质表面具有明显的各项异性，具备实验研究的各项要求。

2.2 液晶化学传感器检测敌敌畏现象及机理研究

采用自制气体发生装置发生浓度为0.112 g/m3的敌敌畏(DDVP)蒸汽，以1 L/min的流速吹向液晶膜，采用偏光显微镜在直光条件下观测液晶膜的变化，并用数码相机记录检测检测全过程。

图4 液晶化学传感器在DDVP作用下以及在N2作用下液晶膜的变化情况

图4是液晶化学传感器在检测DDVP蒸汽过程中液晶膜的织构连续变化图。液晶膜在未接触到DDVP蒸汽时，偏光显微镜在直光条件下观测到整体呈暗色(图4A)，调至锥光状态后可以看到清晰的“黑色十字”出现(图4A中插图);当液晶膜与气体慢慢作用8 s后液晶膜逐渐亮了起来(图4B)，液晶膜整体黑色逐渐被彩色条纹所取代(图4B至图4D);停止通入含有敌敌畏的空气流改为N2作用下时，液晶膜的彩色条纹开始慢慢消褪(图4E至图4G)，当N2作用57s时，液晶膜又恢复到了始状态(图4H)，此时显微镜在锥光状态下，又可观察到“黑色十字”出现(图4H中插图)。

液晶化学传感器的工作机理为:当端基为氨基的有机膜采用Cu2+修饰后，液晶分子的端基—CN与Cu2+发生弱的键合作用，使得液晶分子垂直排列(如图5(a));当其检测DDVP气体时，液晶分子与自组装膜上Cu2+的之间的弱键合作用被Cu2+与DDVP的磷酯键较强的配位作用所取代［8］，使得与Cu2+发生配位作用的液晶分子排列取向发生偏转。在这个过程中结合上去的DDVP分子以及偏转液晶分子又对周围液晶分子造成挤压，以及基质表面沟槽对于液晶分子的作用，使得液晶分子整体垂直排列方式向平行排列转化(如图5(b))。而当传感器接触到N2时，有机磷化合物分子逐渐从自组装敏感膜离去，液晶分子与敏感膜弱的键合作用恢复，液晶重新成为垂直排列，因此我们又可以看到暗色液晶膜的出现。

图5 液晶型化学传感器检测有机磷农药蒸汽流机理示意图

2.3 液晶化学传感器检测不同种类的有机磷农药

采用与上述实验相同的方法先后发生浓度约为0.1 g/m3的久效磷、甲基对硫磷、乐果、希螟松等有机磷农药，对液晶化学传感器的性能进行表征，检测现象如图6(A、B、C、D)所示。经研究发现，该种液晶化学传感器可对上述几种农药均可进行检测图6(A'、B'、C'、D');检测完成后，在 N2的作用下，传感器可恢复到初始状态图 6(A”、B”、C”、D”)。从而表明，该种液晶化学传感器可用作有机磷农药的广谱、快速检测。

图6 液晶化学传感器检测不同种类的有机磷农药

2.4 传感器性能

2.4.1 传感器的最低检测限

在发生有机磷农药过程中，逐级减小目标物浓度，考察能够使得液晶膜发生变化的有机磷农药蒸汽的最低值即该传感器检测目标物的最低检测限，如表1所示。

表1 液晶化学传感器检测不同类有机磷农药最低检测限

2.4.2 传感器的重复使用性

采用Photoshop软件对液晶化学传感器检测目标物的图片进行“图像相对平均灰度值(gw)”分析［14］，考察该种传感器的重复使用性。由图7可知，传感器在检测0.114 g/m3的DDVP蒸汽时，液晶膜的亮度发生了显著变化，图片的gw由20%很快升至95%;而液晶膜在N2作用下，又逐渐回复到初始状态;继续通入DDVP的蒸汽，又可以发现液晶膜的亮度发生变化。由此现象表明，该种传感器可以重复使用。连续检测五十次以上，发现该液晶化学传感器还可以继续工作，进而表明其重复使用性较好。

图7 液晶化学传感器连续检测0.114g/m3的DDVP液晶膜透光度的变化曲线图

2.4.3 传感器的响应时间和恢复时间

由图8可知，液晶化学传感器在检测敌敌畏蒸汽时，其响应时间随着敌敌畏蒸汽浓度的增加而缩短，这主要是由于在检测过程中传感器的敏感膜与DDVP分子产生弱键合作用，当该分子的量达到某一阈值时，液晶分子开始发生偏转;当DDVP浓度逐渐增大时，达到该值所需的时间越来越短，相应的响应时间也越来越短。与其相反的是，传感器的恢复时间随着DDVP蒸汽浓度的增加而增长。这是由于当检测较大浓度的DDVP蒸汽时，附着在敏感膜表面的敌敌畏分子比检测较低浓度敌敌畏蒸汽时吸附的DDVP分子较多，相应脱附过程所需时间较长，即恢复时间也较长。

图8 液晶化学传感器检测不同浓度的DDPV时响应时间和恢复时间的变化曲线图

2.4.4 传感器的抗干扰能力

采用实验室常见溶剂为干扰剂，对传感器的抗干扰能力进行考察。分别配置较大浓度的甲醇、乙醇、丙酮、正己烷、二氯甲烷、水、乙胺气体，采用液晶化学传感器对其进行检测，均未发现有特异现象出现。

表2 液晶化学传感器抗干扰性能表

2.4.5 传感器的温度适应性及稳定性

液晶化学传感器在组装完成后，性质较为稳定，在液晶E7呈向列相液晶态(－10℃ ～60℃)的条件下，该传感器均能正常工作;将该传感器放入培养皿中至于室温下三个月后取出对DDPV进行检测，液晶化学传感器仍能正常工作，表明该传感器具有较好的温度适应性和稳定性。

3 结论

采用微接触印刷法、自组装法和铜网固定法制备了液晶化学传感器并成功应用于含磷农药的检测中。在检测过程中，以Cu2+为活性位点的液晶传感器可用于多种农药的检测，且该种传感器较为灵敏、响应较快、并可重复使用，多种常见有机溶剂未能对检测过程产生干扰作用。

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