功能化离子液体修饰石墨烯构筑的生物传感界面及其在有机磷农药中的应用研究

In this work, we will select a series of -OH, -NH2 functionalized ionic liquid modified graphene materials for the construction of electrochemical biosensing interface, and then study the measuring effectiveness of the fabricated electrochemical biosensor for the trace organophosphorus pesticides in agricultural production. Based on the structure descriptor of the ionic liquid (cationic type, anionic type, structural symmetry, etc) and performance descriptor of the biosensor (sensitivity and stability), in conjunction with organophosphorus descriptor (electrical parameters, steric effect parameters, etc), chemometrics method is used to study the correlation between the descriptor of the functionalized ionic liquid and the performance of the biosensor in order to obtain the "structure-activity" relationship model. Under the instruction of the above correlation model, the performance of the new functionalized ionic liquid is predicted. For a specific analyte, the best functionalized ionic liquid modified graphene material is designed for the fabrication of electrochemical biosensing interface to improve the analytical performance. In the meantime, combined with the advantages of electrochemical methods, such as facile and fast operation, low maintenance cost and ease of miniaturization, a micro-biosensor detection device is designed based on functionalized ionic liquid modified graphene, and a portable, rapid detection method for organophosphorus pesticide residues which can be applied in the source of agricultural products, farmers markets and other places will be established.

本项目拟选取一系列-OH、-NH2功能化离子液体修饰的石墨烯材料，将其用于电化学生物传感界面的构建，研究构制的电化学传感器对农产品生产中痕量有机磷农药的测定效能。根据功能化离子液体的结构描述符（阳离子种类、阴离子种类、结构对称性等）和传感器的性能描述符（灵敏度和稳定性），结合有机磷分析物的描述符（电性参数、立体效应参数等），运用化学计量学方法，探讨功能化离子液体各描述符与传感器性能的相关性，获取离子液体对有机磷类农药测定的"构-效"关系规律。在上述相关性模型指导下，预测新型功能化离子液体的性能，针对特定分析物，设计定制最优的功能化离子液体，将其修饰的石墨烯用于电化学生物传感界面的构建，提高分析效能。同时，结合电化学方法操作简单、成本低、易微型化等优点，设计基于功能化离子液体修饰石墨烯的微型生物传感器检测装置，建立适合于农产品生产源头、农贸市场等场所的一种便携、快速检测有机磷农药残留的方法。

本项目针对目前有机磷农药残留超标问题日益严重，而现有的分析技术不适于现场检测的弊端，利用电化学检测灵敏度高、易于微型化和现场化的优势，从微观水平设计电极功能，将-OH、-NH2功能化离子液体修饰的石墨烯材料（IL-GR）用于生物传感界面的构建，实现有机磷农药的快速灵敏检测，同时运用多元线性回归、主成分分析及偏最小二乘等多元统计方法，获取离子液体对有机磷类农药测定的“构-效”关系规律。具体成果包括：一方面，合成-OH、-NH2功能化离子液体修饰的石墨烯材料（IL-GR），以壳聚糖(CHI)、聚乙烯醇(PVA)、明胶(Gel)、海藻酸钠(SA)为成膜材料，构建基于IL-GR/CHI、IL-GR/PVA、IL-GR/Gel IL-GR/CHI-SA等复合膜的乙酰胆碱酯酶传感器，成功用于有机磷农药毒死蜱、辛硫磷、甲拌磷、西维因、久效磷、甲胺磷、马拉硫磷、甲基对流磷的快速检测研究；同时在该项目的支持下将研究扩展到了制备基于IL-GR和纳米粒子（Au、Au-Pd、Co3O4、NiO）的复合材料构建乙酰胆碱酯酶传感器，成功用于有机磷农药乐果、久效磷、甲拌磷、敌百虫的检测，达到提高检测灵敏度、降低检出限以及可接受的重复性和稳定性的效果。另一方面，选取化学计量学最常用的多元线性回归、偏最小二乘等统计方法，获取离子液体对有机磷类农药测定的“构-效”关系规律。本项目的研究为食品安全检测快速化、微型化的实现提供有力支持。同时也构建了其它纳米电化学发光传感器用于药物槐定碱、盐酸氯丙嗪及双酚A等的研究，拓宽了功能纳米材料的应用领域。