Please use this identifier to cite or link to this item:
https://repo.snau.edu.ua:8080/xmlui/handle/123456789/11234
Title: | Comparative evaluation of different methods of determining pesticide residues in plant product |
Other Titles: | Порівняльна оцінка різних методів визначення залишків пестицидів у рослинній продукції |
Authors: | Li, Fang Лі, Фанг |
Keywords: | Pesticide residue insecticides Carbendazim Imidacloprid Methyl parathion Electrochemical sensing analysis Conductive carbon materials Biomass-derived porous carbon залишки пестицидів інсектициди карбендазим імідаклоприд метилпаратіон електрохімічний сенсорний аналіз електропровідні вуглецеві матеріали пористий вуглець з біомаси |
Issue Date: | 2023 |
Publisher: | SNAU |
Citation: | Li Fang. Comparative evaluation of different methods of determining pesticide residues in plant product [Electronic resource] : dissertation for obtaining the scientific degree of Doctor of Philosophy in specialty : 202 «Plant protection and quarantine» / Fang Li. – Sumy : Sumy National Agrarian University, 2023. – 172 р. |
Abstract: | Pesticides have played an important role in improving the crop yield and eliminating the pests and diseases in modern agricultural production. However, the improper use of pesticides often leads to the excessive pesticide residues, which cause serious harm to human health and ecological environment. As we all known, leafy vegetables have obvious seasonality and economy, and the planting scale is not as large as that of grain crops, and their growth cycle is short, so the requirements for external environmental conditions are stricter. Therefore, the differences and laws of pesticide absorption and transport of leafy vegetables are studied, which are important for pesticide pollution control. Additionally, it is particularly urgent to develop a simple, efficient, and low-cost detection technology for analysing the pesticide residues to strictly control the excessive pesticide residues. Compared with traditional detection methods, the electrochemical sensing analysis technology has several advantages such as high efficiency, simple analysis operation, and inexpensive measurement equipment. In this work, the differences of pesticide absorption and transfer in different leaf vegetables were studied, and the dynamic absorption and accumulation rules were explored in hydroponic lettuce. Otherwise, a series of electrochemical sensor by using several nanocomposite materials as modification materials of sensing electrodes were proposed for the pesticide detection. Under the optimal conditions, the fabricated electrochemical sensors showed highly sensitive pesticide detection performance with satisfactory recovery rates and low limit of detection (LOD) values. The good repeatability, reproducibility, stability, and anti-interference can be achieved at the fabricated sensors. Moreover, the accurate and sensitive quantitative analysis performance can be obtained at the fabricated sensor for the detection of pesticide residues in real samples. The main research contents are as follows: (1) IMI was taken as the test pesticide, and Lettuce, pakchoi-Shanghaiqing, pakchoi-Jimaocai, GaoGeng Cabbage and Greengrocery were taken as the experimental objects, focusing on the differences of IMI pesticide absorption and transfection in different leafy vegetables, and exploring the dynamic absorption and accumulation law. The results showed that the roots of vegetable could absorb pesticides in culture water, and then transfer to stem, leaves, old leaves, new leaves and other parts. The residue of IMI in different parts of lettuce was different. With the increase of days, IMI was continually accumulated in the leaves, and the residual concentration of IMI in the leaves was gradually higher than that in other parts, and the concentration of old leaves was higher than that in new leaves. (2) Carboxylated multi-walled carbon nanotubes (MWCNT-COOH) showed high electrical conductivity and good dispersing property due to the one-dimensional hollow conductive carbon structure and carboxyl functionalization. MWCNT-COOH was used to modify the glassy carbon electrode (GCE) for the fabrication of MWCNT-COOH/GCE sensor towards carbendazim (CBZ). The presence of carboxyl group improved the dispersion degree of carbon nanotubes to a certain extent, which could realize the uniform distribution of carbon material, and the one-dimensional hollow conductive carbon structure contributes to the efficient charge transport on the sensing electrode surface, which could enhance the electrochemical response. Under the optimal conditions, the fabricated MWCNT-COOH/GCE sensor exhibited good CBZ detection performance with low LOD value (6.7nm). The good practical feasibility can be obtained at the fabricated sensor for the detection of CBZ in cabbage, cucumber and potato samples with low RSD from 1.95% to 4.78% and good recoveries from 93.6 to 104.4%, and then the results are evaluated by using HPLC to confirm the accuracy of CBZ electrochemical detection. (3) Biomass-derived porous carbon possessed abundant low-cost biomass carbon source. Soybean-derived porous carbon (SDPC) with three-dimensional (3D) interconnected porous structure was prepared by using the expired soybean as carbon source through a high-temperature carbonization process. SDPC was used to modify the glassy carbon electrode (GCE) for the fabrication of SDPC/GCE sensor towards imidacloprid (IMI). The 3D interconnected porous structure of SDPC significantly improved the electrical conductivity and good absorption capability for IMI due to the interconnected carbon conductive network and large specific surface area. Under the optimal conditions, the fabricated SDPC/GCE sensor exhibited a low LOD value (5.18 nM) in wide IMI linear concentration range of 0.3-75 μM. The good practical feasibility can be obtained at the fabricated sensor for the detection of IMI in tomato and cucumber samples, and then the results are evaluated by using HPLC to confirm the accuracy of IMI electrochemical detection. (4) The pesticide electrochemical detection performance can be improved based on the synergistic effect of nanocomposite sensitizer. The multifunctional nanocomposite of superconductive carbon black (SCB) and ZrO2 was prepared by a simple and efficient ultrasound-assisted strategy. The SCB@ZrO2 nanocomposite was used to modify the glassy carbon electrode (GCE) for the fabrication of SCB@ZrO2/GCE sensor towards methyl parathion (MP). SCB nanoparticles showed high electrical conductivity, which promoted the efficient charge transport, and ZrO2 nanoparticles possessed strong affinity towards the phosphorus groups of MP, which enhanced the accumulation ability of MP. Under the optimal conditions, the fabricated SCB@ZrO2/GCE sensor exhibited a low LOD value (0.045 μM) in MP linear concentration range of 0.03-10 μM. The good practical feasibility can be obtained at the fabricated sensor for the detection of MP in lettuce, cucumber and tomato samples, and then the results are evaluated by using HPLC to confirm the accuracy of MP electrochemical detection. (5) The expired sugarcane juice (SJ)-derived porous carbon spheres (PCS) were prepared by hydrothermal method and furhter modified with β-cyclodextrin (β-CD). The SJPCS@β-CD nanocomposite was used to modify the glassy carbon electrode (GCE) for the fabrication of SJPCS@β-CD/GCE sensor towards methyl parathion (MP). SJPCS with interconnected porous structure exhibits excellent electrical conductivity, strong adsorption property, and high specific surface area, while β-CD with molecular recognition property achieves the uniform dispersion of SJPCS and promotes the recognition and adsorption of MP molecules. Thanks to the synergistic combination of SJPCS and β-CD, the SJPCS@β-CD/GCE sensor exhibited respectable MP determination performance with low limit of detection of 5.87 nM in the MP concentration range of 0.01-10 μM. For the MP detection in vegetables (onion, cabbage, spinach), the fabricated sensor showed good practicability with adequate relative standard deviation of 1.06% to 4.25% and satisfactory recoveries of 96.5 to 100.5%, and then the results are evaluate by using HPLC to confirm the accuracy of IMI electrochemical detection. A promising strategy for the rapid determination of methyl parathion in food products was developed. |
Description: | Пестициди відіграють важливу роль у підвищенні врожайності сільськогосподарських культур та контролі шкідників і хвороб у сучасному сільськогосподарському виробництві. Однак порушення регламентів застосування пестицидів часто призводить до надмірного накопичення залишкових кількостей пестицидів, які завдають серйозної шкоди здоров'ю людей та навколишньому середовищу. Листові овочі мають сезонність і економічність, обсяги посівів не такі великі, як у зернових культур, і цикл їх росту короткий, тому вимоги до зовнішніх умов навколишнього середовища суворіші. Науковці вивчають відмінності та закономірності поглинання і транспортування пестицидів листовими овочами, що є важливим для контролю за забрудненням пестицидами. У зв’язку з цим, особливо актуальною є розробка простої, ефективної та недорогої технології виявлення залишків пестицидів, для аналізу рослинної продукції, з метою суворого контролю надлишкової кількості залишків пестицидів. Порівняно з традиційними методами виявлення, технологія електрохімічного сенсорного аналізу має ряд переваг, таких як висока ефективність, простота технології проведення аналізу та недороге обладнання. У цій роботі вивчені відмінності поглинання і перенесення пестицидів у різних листових овочах, а також досліджені особливості динамічного поглинання і накопичення пестицидів у гідропонному салаті. Крім того, для виявлення пестицидів застосували серію електрохімічних сенсорів з використанням декількох нанокомпозитних матеріалів в якості модифікаційних матеріалів чутливих електродів. За оптимальних умов, виготовлені електрохімічні сенсори показали високочутливу ефективність виявлення залишків пестицидів із задовільними показниками значень та з низькою межею виявлення (LOD). Виготовлені сенсори мають хорошу повторюваність, відтворюваність, стабільність та стійкість до перешкод. Крім того, на виготовленому сенсорі можна отримати точні та чутливі результати кількісного аналізу виявлення залишків пестицидів у реальних зразках. Основний зміст дослідження полягає в такому: (1) В якості дослідного пестициду обрано імідаклоприд (ІМІ), а в якості експериментальних об'єктів - салат-латук, пакчой-шанхайцин, пакчой-джимаокай, капуста ГаоГенг та зелені овочі, при цьому основна увага приділялася відмінностям поглинання та розповсюдження пестициду ІМІ в різних листових овочах, а також вивченню особливостей динамічного поглинання та накопичення. Результати показали, що коріння овочів поглинає пестициди з культуральної води, а потім переміщує їх у стебло, листя, старе листя, нове листя та інші частини. Залишок ІМІ в різних частинах салату був різним. Зі збільшенням експозиції ІМІ постійно накопичувався в листі, і залишкова концентрація ІМІ в листі поступово підвищувалась, порівняно з іншими частинами, а концентрація ІМІ в старому листі була вищою, ніж у нових листках. (2) Карбоксильовані багатостінні вуглецеві нанотрубки (MWCNT-COOH) показали високу електропровідність і хороші диспергуючі властивості, завдяки одновимірній порожнистій провідній вуглецевій структурі та карбоксильній функціоналізації. MWCNT-COOH використали для модифікації склоподібного вуглецевого електрода (GCE) при виготовленні сенсора MWCNT-COOH/GCE для виявлення карбендазиму (CBZ). Присутність карбоксильної групи, певною мірою, покращила ступінь дисперсності вуглецевих нанотрубок, що дозволило досягти рівномірного розподілу вуглецевого матеріалу. Одновимірна порожниста провідна вуглецева структура сприяє ефективному транспортуванню заряду на поверхні чутливого електрода, що покращує електрохімічну реакцію. За оптимальних умов виготовлений датчик MWCNT-COOH/GCE демонструє хорошу ефективність виявлення CBZ з низьким значенням LOD (6,7 нм). Виготовлений датчик використовували для виявлення CBZ у зразках капусти, огірків та картоплі. Отримані результати мали низьке відносне стандартне відхилення (RSD) від 1,95% до 4,78% та високу точність визначення від 93,6 до 104,4%. В подальшому результати оцінили за допомогою високоефективної рідинної хроматографії (HPLC) для підтвердження точності електрохімічного виявлення ЦБЗ. (3) Пористий вуглець, отриманий з біомаси, є доступним і дешевим джерелом вуглецю. Пористий вуглець з сої (SDPC) з тривимірною (3D) взаємопов'язаною пористою структурою був отриманий шляхом використання некондиційної сої, як джерела вуглецю, за допомогою високотемпературного процесу карбонізації. SDPC був використаний для модифікації склоподібного вуглецевого електрода (GCE) при виготовленні сенсора SDPC/GCE для визначення імідаклоприду (IMI). Тривимірна взаємопов'язана пориста структура SDPC значно покращила електропровідність та здатність до поглинання ІМІ завдяки взаємопов'язаній вуглецевій провідній системі та великій питомій поверхні. За оптимальних умов виготовлений SDPC/GCE сенсор показав низьке значення LOD (5,18 нМ) в широкому діапазоні лінійних концентрацій ІМІ 0,3-75 мкМ. Виготовлений датчик використовували для виявлення ІМІ у зразках томатів та огірків. Потім оцінили результати за допомогою високоефективної рідинної хроматографії HPLC, щоб підтвердити точність електрохімічного виявлення ІМІ. (4) Ефективність електрохімічного виявлення пестицидів можна покращити на основі синергетичного ефекту нанокомпозитного сенсибілізатора. Багатофункціональний нанокомпозит надпровідної сажі (SCB) та ZrO2 був отриманий за допомогою простої та ефективної технології з використанням ультразвуку. Нанокомпозит SCB@ZrO2 був використаний для модифікації склоподібного вуглецевого електроду (GCE) при виготовленні сенсора SCB@ZrO2/GCE для визначення метилпаратіону (MP). Наночастинки SCB показали високу електропровідність, що сприяло ефективному транспортуванню заряду, а наночастинки ZrO2 мали сильну спорідненість до фосфорних груп МП, що підвищувало здатність до накопичення МП. За оптимальних умов, виготовлений сенсор SCB@ZrO2/GCE демонстрував низьке значення LOD (0,045 мкМ) у лінійному діапазоні концентрацій МП 0,03-10 мкМ. На виготовленому сенсорі отримали добрі результати виявлення МП у зразках салату, огірків і томатів. Потім оцінили результати за допомогою HPLC для підтвердження точності електрохімічного виявлення МП. (5) Пористі вуглецеві сфери (PCS), отримані з простроченого соку цукрової тростини (SJ), готували гідротермічним методом і надалі модифікували β-циклодекстрином (β-CD). Нанокомпозит SJPCS@β-CD використали для модифікації склоподібного вуглецевого електрода (GCE) при виготовленні сенсора SJPCS@β-CD/GCE для визначення метилпаратіону (МП). SJPCS із взаємопов'язаною пористою структурою демонструє відмінну електропровідність, сильну адсорбційну властивість і високу питому поверхню, в той час як β-CD, з властивістю молекулярного розпізнавання, забезпечує рівномірну дисперсію SJPCS і сприяє розпізнаванню та адсорбції молекул МП. Завдяки синергетичному поєднанню SJPCS та β-CD, датчик SJPCS@β-CD/GCE продемонстрував високу ефективність визначення МП з нижньою межею виявлення 5,87 нМ в діапазоні концентрацій МП 0,01-10 мкМ. Для визначення МП в овочах (цибуля, капуста, шпинат) виготовлений сенсор показав хорошу практичність з відносним стандартним відхиленням від 1,06% до 4,25% і задовільною точністю визначення від 96,5 до 100,5%. Потім результати оцінили за допомогою HPLC для підтвердження точності електрохімічного визначення ІМІ. Розроблено перспективну технологію швидкого визначення метилпаратіону в харчових продуктах. |
URI: | https://repo.snau.edu.ua:8080/xmlui/handle/123456789/11234 |
Appears in Collections: | Дисертації та автореферати |
Files in This Item:
File | Description | Size | Format | |
---|---|---|---|---|
Lifang_PhD dissertation_revised_20231020_已签署.pdf | 5,37 MB | Adobe PDF | View/Open |
Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.