双量子点荧光二维探针马拉硫磷与乙硫磷识别定量检测方法及装置

摘要

本发明特别涉及一种双量子点荧光二维探针马拉硫磷与乙硫磷识别定量检测方法及装置，该方法包括如下步骤：(A)开启激发光源，激发光源均匀射向第一比色皿和第二比色皿；(B)向第一、二比色皿中分别加入两种量子点溶液后用光谱仪采集两个比色皿的荧光光谱并分析得到荧光峰值和峰位；(C)加入被测溶液后再分析得到荧光峰值和峰位；(D)计算峰值比率和发射峰红移值：(E)将所得值与二维探针标准曲线进行比较得到有机磷农药种类和浓度信息。这里通过引入峰值比率和发射峰红移值两维变量实现对农药种类和浓度的识别，识别的结果准确度和精确度都非常的高；同时，处理过程相对简单，大幅提高了检测的速度。

说明书

技术领域

本发明涉及有机磷农药痕量检测技术领域，特别涉及一种双量子点荧光二维探针马拉硫磷与乙硫磷识别定量检测方法及装置。

背景技术

有机磷农药广泛应用于农作物病虫害防治，为农业带来了巨大经济效益的同时，也引起了水、土壤与农作物中残留。这些残留会损害到人、动物健康，也会造成农产品贸易经济损失。对有机磷农药残留的快速检测是避免上述损害的关键技术手段。目前，有机磷农药残留检测方法如色谱-质谱与免疫测定等已取得较大进展，但存在操作复杂、耗时长及试剂消耗大等缺点，难以满足农药残留快速准确的实际检测要求。量子点荧光方法具有前处理简单、分析快速以及试剂消耗低等优点，适合应用于有机磷农药残留的快速检测。然而，常规量子点检测是针对一类农药，在农药种类识别方面存在一定的局限性，因此建立一种特异性好、灵敏度高的检测方法及装置是具有重要意义的。

发明内容

本发明的首要目的在于提供一种双量子点荧光二维探针马拉硫磷与乙硫磷识别定量检测方法，能够快速、精准的检测出有机磷农药的种类和浓度。

为实现以上目的，本发明采用的技术方案为：一种双量子点荧光二维探针马拉硫磷与乙硫磷识别定量检测方法，包括如下步骤：(A)开启激发光源，激发光源均匀射向第一比色皿和第二比色皿；(B)向第一比色皿中加入含有量子点苯并二吡啶并酚嗪的溶液，并向第二比色皿中加入含有量子点3，6-二甲基-苯并二吡啶并酚嗪的溶液，用光谱仪采集两个比色皿的荧光光谱并分析，得到第一比色皿发出的荧光峰值Y₁₁和荧光峰位P₁₁以及第二比色皿发出的荧光峰值Y₂₁和荧光峰位P₂₁；(C)向第一比色皿和第二比色皿中同时加入被测溶液，等待设定的时间后，再次用光谱仪采集两个比色皿的荧光光谱并分析，得到第一比色皿发出的荧光峰值Y₁₂和荧光峰位P₁₂以及第二比色皿发出的荧光峰值Y₂₂和荧光峰位P₂₂；(D)按如下公式计算峰值比率和发射峰红移值：

(E)将K₁、K₂、H₁、H₂的值与二维探针标准曲线进行比较得到有机磷农药种类和浓度信息，其中，二维探针标准曲线根据有机磷农药的种类和量子点溶液的种类分为多条曲线且每条曲线均以有机磷农药的浓度为横坐标、以峰值比率和发射峰红移值为纵坐标绘制而成。

与现有技术相比，本发明存在以下技术效果：这里根据两种量子点对马拉硫磷和乙硫磷的响应的不同，引入峰值比率和发射峰红移值两维变量实现对农药种类和浓度的识别，识别的结果准确度和精确度都非常的高；同时，两维变量的处理是通过与内置的二维探针标准曲线进行比较来实现的，处理过程相对简单，处理的数据量也相对较少，从而大幅提高了检测的速度。

本发明的另一个目的在于提供一种双量子点荧光二维探针马拉硫磷与乙硫磷识别定量检测装置，能够快速、精准的检测出有机磷农药的种类和浓度。

为实现以上目的，本发明采用的技术方案为：一种双量子点荧光二维探针马拉硫磷与乙硫磷识别定量检测装置，包括激发光源、第一比色皿、第二比色皿、光谱仪以及处理终端，所述的第一比色皿、第二比色皿中分别盛有含有量子点苯并二吡啶并酚嗪、3，6-二甲基-苯并二吡啶并酚嗪的溶液，激发光源用于产生激光并射向第一比色皿和第二比色皿中激发两个比色皿中量子点的荧光，光谱仪接收荧光并转换成光谱信息输出至处理终端，处理终端根据光谱信息计算出峰值比率和发射峰红移值并与其内存储的二维探针标准曲线进行比较得到有机磷农药种类和浓度信息。

与现有技术相比，本发明存在以下技术效果：这里根据两种量子点对马拉硫磷和乙硫磷的响应的不同，引入峰值比率和发射峰红移值两维变量实现对农药种类和浓度的识别，识别的结果准确度和精确度都非常的高；同时，两位变量的处理是通过与内置的二维探针标准曲线进行比较来实现的，处理过程相对简单，处理的数据量也相对较少，从而大幅提高了检测的速度。

附图说明

图1是本发明的流程示意图；

图2是本发明二维探针标准曲线图；

图3是本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合图1至图3，对本发明做进一步详细叙述。

参阅图1，一种双量子点荧光二维探针马拉硫磷与乙硫磷识别定量检测方法，包括如下步骤：(A)开启激发光源10，激发光源10均匀射向第一比色皿21和第二比色皿22；(B)向第一比色皿21中加入含有量子点苯并二吡啶并酚嗪(BDPPZ)的溶液，并向第二比色皿22中加入含有量子点3，6-二甲基-苯并二吡啶并酚嗪(DM-BDPPZ)的溶液，用光谱仪30采集两个比色皿的荧光光谱并分析，得到第一比色皿21发出的荧光峰值Y₁₁和荧光峰位P₁₁以及第二比色皿22发出的荧光峰值Y₂₁和荧光峰位P₂₁；(C)向第一比色皿21和第二比色皿22中同时加入被测溶液，等待设定的时间后，再次用光谱仪30采集两个比色皿的荧光光谱并分析，得到第一比色皿21发出的荧光峰值Y₁₂和荧光峰位P₁₂以及第二比色皿22发出的荧光峰值Y₂₂和荧光峰位P₂₂；(D)按如下公式计算峰值比率和发射峰红移值：

(E)将K₁、K₂、H₁、H₂的值与二维探针标准曲线进行比较得到有机磷农药种类和浓度信息，其中，二维探针标准曲线根据有机磷农药的种类和量子点溶液的种类分为多条曲线且每条曲线均以有机磷农药的浓度为横坐标、以峰值比率和发射峰红移值为纵坐标绘制而成。这里根据两种量子点对马拉硫磷和乙硫磷的响应的不同，引入峰值比率和发射峰红移值两维变量实现对农药种类和浓度的识别，识别的结果准确度和精确度都非常的高；同时，两位变量的处理是通过与内置的二维探针标准曲线进行比较来实现的，处理过程相对简单，处理的数据量也相对较少，从而大幅提高了检测的速度。上述步骤A中，为了保证激发光源10均匀射向第一比色皿21和第二比色皿22，一般还会对光源进行初始化，检查激发光源10的发光是否正常、均匀和稳定，如果存在问题，就需要检修或更换激发光源10，不论如何，只需要保证激发光源10能够均匀地射向第一比色皿21和第二比色皿22即可。

参阅图2，二维探针标准曲线可以通过标准浓度的有机磷农药溶液进行试验得出，本实施例中优选地，所述的步骤E中，二维探针标准曲线有四个，分别按如下步骤绘制而成：

将已知浓度为y的马拉硫磷农药加入第一比色皿21中，并按照步骤B、C、D式计算出峰值比率k和发射峰红移值h，计算多组数据{y，k}和{y，h}，根据多组数据拟合出第一标准曲线；

将已知浓度为y的马拉硫磷农药加入第二比色皿22中，并按照步骤B、C、D式计算出峰值比率k和发射峰红移值h，计算多组数据{y，k}和{y，h}，根据多组数据拟合出第二标准曲线；

将已知浓度为y的乙硫磷农药加入第一比色皿21中，并按照步骤B、C、D式计算出峰值比率k和发射峰红移值h，计算多组数据{y，k}和{y，h}，根据多组数据拟合出第三标准曲线；

将已知浓度为y的乙硫磷农药加入第二比色皿22中，并按照步骤B、C、D式计算出峰值比率k和发射峰红移值h，计算多组数据{y，k}和{y，h}，根据多组数据拟合出第四标准曲线。

需要注意的是，上述的第一标准曲线、第二标准曲线、第三标准曲线以及第四标准曲线均有两条，其中一条以浓度为横坐标、以峰值比率为纵坐标，另一条以浓度为横坐标、以发射峰红移值为纵坐标，具体参见附图2。

通过以上步骤，可以将不同浓度的马拉硫磷和乙硫磷分别在第一比色皿21和第二比色皿22中激发出的荧光的峰值比率和发射峰红移值都计算出来。之后拿未知浓度的有机磷农药进行检测时，只需要将检测得到的峰值比率和发射峰红移值与曲线中的数值进行比较，就能反推出有机磷农药的种类和浓度信息，非常的方便。当然，也可以推广应用到更多种含磷硫双键有机磷农药的检测中，只需要按上述步骤生产标准浓度曲线，然后根据曲线和检测得到的峰值比率和发射峰红移值反推出农药种类和浓度。

通过检测到的峰值比率和发射峰红移值与存储的二维探针标准曲线进行比较的方法有很多方法可以实现，本实施例中优选地，所述的步骤E中，按如下步骤处理得到有机磷农药种类和浓度信息：(E1)将K₁代入第一和第三标准曲线中，分别求得有机磷农药浓度y₁、y₃；将K₂代入第二和第四标准曲线中，分别求得有机农药浓度y₂、y₄；(E2)将有机磷农药浓度y₁、y₂、y₃、y₄分别代入第一、第二、第三和第四标准曲线中，分别求出发射峰红移值h₁、h₂、h₃、h₄；(E3)记Δy₁₂＝|y₁-y₂|，Δy₃₄＝|y₃-y₄|，若Δy₁₂＜Δy₃₄，执行步骤E4，若Δy₁₂＞Δy₃₄，执行步骤E5；(E4)判断{H₁、H₂}与{h₁、h₂}和{h₃、h₄}的差值，若{H₁、H₂}与{h₁、h₂}的差值更小，则有机磷农药种类为马拉硫磷，且马拉硫磷的浓度值为(y₁+y₂)/2；若{H₁、H₂}与{h₃、h₄}的差值更小，则重新执行步骤B～步骤D；(E5)判断{H₁、H₂}与{h₁、h₂}和{h₃、h₄}的差值，若{H₁、H₂}与{h₁、h₂}的差值更小，则重新执行步骤B～步骤D；若{H₁、H₂}与{h₃、h₄}的差值更小，则有机磷农药种类为乙硫磷，且乙硫磷的浓度值为(y₃+y₄)/2。

这里检测得到的峰值比率从四个标准曲线中求解各自对应的有机磷农药的浓度y₁、y₂、y₃、y₄，然后再根据浓度求解发射峰红移值h，需要注意的是，这里求解的h₁、h₂、h₃、h₄是有机磷农药浓度对应的理论值，而非检测值。如果有机磷农药是马拉硫磷，那么y₁应该是等于y₂的，y₃和y₄不相等且差值较大，但是考虑到检测时会存在一定的误差，所以实际上y₁和y₂不一定完全相等，可能存在差值，但是差值非常小；同理，如果有机磷农药是乙硫磷，那么应该是y₃约等于y₄，y₁和y₂存在较大差值。所以根据Δy₁₂和Δy₃₄值的大小就能判断出是农药种类。假设判断出的农药种类是马拉硫磷，那么实际上y₁和y₂都是其浓度值，y₁是通过第一比色皿21中的量子点激发出的荧光光谱分析计算得出的，y₂是通过第二比色皿22中的量子点激发出的荧光光谱分析计算得出的。两个结果都有些许误差，这里通过求平均值的方式让误差更小。

同时，为了进一步确保检测结果的准确性，这里再通过将理论测得的发射峰红移值h₁、h₂、h₃、h₄与实际检测值H₁、H₂进行比较，来进一步确定农药种类判断是否正确。假设之前判断出的农药种类是马拉硫磷，比较时发现{H₁、H₂}与{h₁、h₂}也基本相等，说明检测结果很准确，如果比较时发现{H₁、H₂}与{h₃、h₄}基本相等，那就说明检测结果的误差比较大，需要重新检测。

上述步骤中，也可以通过检测出的发射峰红移值H₁、H₂计算有机磷农药浓度y₁、y₂、y₃、y₄，在根据浓度计算峰值比例k₁、k₂、k₃、k₄，继续通过比较浓度差值Δy₁₂和Δy₃₄的大小来判断农药种类，然后通过{K₁、K₂}与{k₁、k₂}、{k₃、k₄}的差值大小来判断校验检验结果，最后通过求平均值求解农药浓度。由于原理上都是相同的，故这里不再详细赘述。

前面说过了，四条标准曲线可以通过实验的方式得出，本实施例中，通过实验已经得出标准曲线方程可供参考，实际使用时，用户可以自己通过实验的方式获得标准曲线，也可以直接将下列方程作为标准曲线使用。

所述第一标准曲线方程为：

所述第二标准曲线方程为：

所述第三标准曲线方程为：

所述第四标准曲线方程为：

两种量子点苯并二吡啶并酚嗪和3，6-二甲基-苯并二吡啶并酚嗪有很多种方式可以合成，本实施例中提供一种合成方式供参考。优选地，所述的量子点苯并二吡啶并酚嗪通过如下步骤合成：(S11)将1g、5.56mmol的1，10-菲咯啉和5.95g、50mmol的KBr混合；(S12)在0℃下，向混合物中滴加20mL浓硫酸和10mL硝酸；(S13)得到的混合物在80°下回流2小时，然后冷却至室温；(S14)用400mL去离子水稀释冷却后的混合物，并用碳酸氢钠中和；(S15)中和后的产物用二氯甲烷萃取，然后用无水MgSO4干燥；(S16)在旋转蒸发器上除去所有溶剂后，将产物真空浓缩，得到的黄色固体通过甲醇重结晶进行纯化得到1,10-菲咯啉-5,6-二酮；(S17)取0.50g、2.38mmol的1,10-菲咯啉-5,6-二酮在乙醇中回流15分钟；(S18)取0.38g、2.38mmol的2,3-二氨基萘加入到1,10-菲咯啉-5,6-二酮中，再回流4小时，溶液颜色从黄色变为橙色；(S19)使溶液冷却至室温，过滤收集固体产物，并将产物用甲醇洗涤后真空浓缩，然后在乙腈中制备1.4×105M的苯并二吡啶并酚嗪溶液。

进一步地，所述的量子点3,6-二甲基-苯并二吡啶并酚嗪通过如下步骤合成：(S21)取1.16g、5.56mmol的2,9-二甲基-1,10-菲咯啉；(S22)重复步骤S12～S15；(S23)真空浓缩产生黄棕色固体通过甲醇重结晶进行纯化得到2,9-二甲基-1,10-菲咯啉-5,6-二酮；(S24)取1.13g、4.78mmol的2,9-二甲基-1,10-菲咯啉-5,6-二酮在乙醇中回流15分钟直到所有的2,9-二甲基-1,10-菲咯啉-5,6-二酮溶解；(S25)取0.755g、4.78mmol加入到2,9-二甲基-1,10-菲咯啉-5,6-二酮中再回流4小时，溶液颜色从黄色变为橙色；(S26)使溶液冷却至室温，过滤收集固体产物，并将产物用甲醇洗涤后真空浓缩，然后在乙腈中制备1.4×105M的3,6-二甲基-苯并二吡啶并酚嗪溶液。

参阅图3，本发明还公开了一种双量子点荧光二维探针马拉硫磷与乙硫磷识别定量检测装置，包括激发光源10、第一比色皿21、第二比色皿22、光谱仪30以及处理终端40，所述的第一比色皿21、第二比色皿22中分别盛有含有量子点苯并二吡啶并酚嗪、3,6-二甲基-苯并二吡啶并酚嗪的溶液，激发光源10用于产生激光并射向第一比色皿21和第二比色皿22中激发两个比色皿中量子点的荧光，光谱仪30接收荧光并转换成光谱信息输出至处理终端40，处理终端40根据光谱信息计算出峰值比率和发射峰红移值并与其内存储的二维探针标准曲线进行比较得到有机磷农药种类和浓度信息。同样地，该装置也是根据两种量子点对马拉硫磷和乙硫磷的响应的不同，引入峰值比率和发射峰红移值两维变量实现对农药种类和浓度的识别，识别的结果准确度和精确度都非常的高；同时，两位变量的处理是通过与内置的二维探针标准曲线进行比较来实现的，处理过程相对简单，处理的数据量也相对较少，从而大幅提高了检测的速度。

优选地，由于光谱仪30一般都通过光纤收集探头60来接收荧光的，为了方便的接收两个比色皿发出的荧光，本实施例中优选地，所述的光谱仪30设置有一台，光谱仪30的响应范围为300～900nm的可见光光纤光谱仪30，第一比色皿21和第二比色皿22发出的荧光依次通过带通滤波片50、光纤收集探头60、光纤70输入至光谱仪30中，带通滤波片50固定在光纤收集探头60上，光纤收集探头60固定在驱动单元80上，驱动单元80驱动光纤收集探头60在两个工作位置之间转换，其中一个工作位置处光纤收集探头60接收第一比色皿21发出的荧光，另一个工作位置处光纤收集探头60接收第二比色皿22发出的荧光。设置驱动单元80之后，可以很方便的对两个比色皿中发出荧光进行接收，使用起来很方便。

驱动单元80的结构有很多种，本实施例中优选采用螺母丝杆结构，具体地，所述的驱动单元80包括步进电机81、丝杆82、丝杆螺母83、固定轴承84以及底座85，底座85上间隔设置两个固定轴承84用于固定丝杆82，位于两个固定轴承84之间的丝杆82上设置有丝杆螺母83，步进电机81输出轴与丝杆82的一端相连，光纤收集探头60固定在丝杆螺母83上；底座85上设置有两个挡块用于限制丝杆螺母83在丝杆82上位置。当丝杆螺母83向一侧运动直到被其中一个挡块挡住后，此时光纤收集探头60正好接收其中一个比色皿发出的荧光，当丝杆螺母83向另一侧运动直到被另一个挡块挡住后，光纤收集探头60正好接收另一个比色皿发出的荧光，这样，就不用精确的控制步进电机的运动了，只需要运动到挡块位置后停止运动即可，实现起来非常方便。

具体地，包括长方形的箱体90，箱体90之间设置有隔板91将箱体90分成两个独立的腔室，箱体90和隔板91均采用不透光的材料制成，避免两个比色皿中发出的荧光互相影响以及环境光的影响造成的检测误差，第一比色皿21和第二比色皿22分别位于其中一个腔室内；箱体90垂直于隔板91的其中一个侧面上固定设置所述的激发光源10，箱体90垂直于隔板91的另一个侧面上开设有两个孔洞分别供第一比色皿21和第二比色皿22中的荧光通过，光纤收集探头60的两个工作位置即正对两个孔洞的位置。驱动单元80整体也可以置于箱体90中，这样虽然结构上复杂点，但是会让检测结果更精确。