基于共价有机聚合物级联结构MnO₂纳米片的荧光-比色双模式传感系统,用于高灵敏度检测有机磷农药

时间:2026年1月6日
来源:Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy

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本方法采用红荧光共价有机聚合物TEPBY-DTDA与具有氧化酶模拟活性的MnO₂纳米片级联构建双模式探针,通过抑制有机磷农药(OPs)对乙酰胆碱酯酶(AChE)的活性并调控MnO₂纳米片水平,实现荧光比色和颜色指示双重检测。在0.1-1500 μg/L范围内呈现线性响应,荧光检测限0.058 μg/L,颜色检测限0.04 μg/L,具有高灵敏度和抗干扰能力,为MFH材料中农药残留监测提供新策略。

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Suyu Li|Yuzhen Wang|Huilin Liu|Baoguo Sun
中国轻工业数字智能与动态感知食品质量重点实验室,北京工商大学,北京100048,中华人民共和国

摘要

为了实现对药用和食品同源物(MFH)原料中有机磷农药(OPs)的准确视觉识别,本研究使用了红色荧光共价有机聚合物TEPBY-DTDA与具有氧化酶模拟活性并抑制荧光效应的MnO2纳米片层,从而实现了比色法和比率荧光检测。有机磷农药会抑制乙酰胆碱酯酶(AChE)的活性,进而减少硫胆碱(TCh)的生成,并调节残留的MnO2纳米片层浓度。随着OPs浓度的升高,探针的荧光从红色变为黄色,并伴随溶液变黄。以三唑磷、甲基对硫磷(MP)、氯吡硫磷和磷酰胺为代表有机磷农药,该探针在0.1–1500 μg/L的浓度范围内产生了稳健的线性信号。荧光检测的最低限(LOD)为0.058 μg/L,而比色法的最低限为0.04 μg/L。该探针表现出优异的选择性和强大的抗干扰能力。因此,这种传感策略不仅扩展了MFH材料质量监测的工具箱,而且对提高食品安全协议具有重大潜力。

引言

随着公众健康意识的提高,药用和食品同源物(MFH)原料在饮食干预和疾病预防中变得越来越重要[1,2]。黄芪因其免疫调节和提神特性而在欧洲被广泛作为膳食补充剂消费[3]。有机磷农药(OPs)被广泛用于黄芪的种植中,以控制害虫并提高产量[4][5][6]。然而,OPs会在作物中积累,通过食物链进入人体,并抑制乙酰胆碱酯酶(AChE),干扰神经传导,对人类健康和生态安全构成威胁[7][8][9]。中国国家标准和欧盟法规都将OPs的最大残留限量设定为0.01 ppm[10,11]。因此,开发可靠的检测MFH中OPs污染物的方法至关重要。
目前检测有机磷农药(OPs)的方法包括气相色谱(GC)[12]、气相色谱-质谱(GC–MS)[13]和液相色谱-串联质谱(LC-MS/MS)[14,15]。尽管这些技术具有较高的分析性能,但其广泛应用受到高成本、操作复杂性以及需要专业知识和实验室条件的限制[16]。
这促使人们致力于建立简单、快速和实用的OP分析方案。新兴技术如免疫色谱法[17]、化学发光[18]、荧光(FL)传感[19]、比色法[20,21]和电化学(EC)分析[22]在环境污染物监测方面显示出巨大潜力。其中,基于荧光的方法特别有前景,因为它们可以实现高灵敏度检测、快速分析和简单操作。例如,Sun等人开发了一种使用MnO2–AuNCs@ZIF-8纳米复合材料的比率荧光传感器用于检测氯吡硫磷[23],而Zhang等人设计了一种基于碳量子点的纳米荧光探针,具有内部过滤效应,用于检测大米中的甲基对硫磷[24]。Huang等人还报道了具有聚集诱导发射(AIE)特性的TPE–肽生物探针,用于敏感的OP监测[25]。虽然单模荧光分析常常受到环境干扰的限制,且只能提供单一数据维度,但双模检测克服了这些缺点。通过获取多维信号并实现不同读数之间的交叉验证,这种方法显著提高了分析的准确性、可靠性和稳健性。
共价有机聚合物(COPs)由于具有明确的孔隙结构、高表面积和化学稳定性,在传感、催化和能源应用中引起了广泛关注[26][27][28]。它们扩展的π共轭框架赋予了强烈的荧光性能,使COPs成为有前景的传感材料。平面和共轭结构促进了高效的光发射和增强的光致发光[26]。在荧光构建块中,1,3,6,8-四(4-乙炔基苯甲醛)芘(TEBPY)因其对称的共轭芘结构而特别吸引人。例如,Zhang等人通过将TEBPY与2,5-二羟基苯二甲酰肼结合,构建了一种二维荧光COP[29]。
作为二维过渡金属氧化物纳米材料,MnO2纳米片层因其高表面积、优异的电子传输能力和强大的氧化能力而受到广泛研究[30,31]。其片状形态相比棒状或颗粒状结构具有更低的空间阻碍,有利于荧光团和生物分子的吸附[32]。此外,MnO2纳米片层在200–800 nm的宽紫外吸收范围与大多数荧光团的激发或发射带相匹配,这是由于Mn离子和MnO6八面体之间的d-d电子跃迁[33]。MnO2纳米片层通过内部过滤效应(IFE)或荧光共振能量转移(FRET)有效实现了荧光淬灭。例如,Jiang等人利用MnO2纳米片层与[Ru(bpy)3]2+之间的IFE和FRET,开发了一种敏感的荧光传感器,用于检测敌敌畏和氯吡硫磷[8]。此外,MnO2纳米片层表现出类氧化酶的活性,能催化O₂转化为活性氧物种(ROS),包括羟基自由基(•OH)、超氧阴离子自由基(O2•−)和单线态氧(1O2)[34]。利用这一性质,可以将无色的o-苯二胺(OPD)氧化成黄色的2,3-二氨基吩嗪(DAP),后者在410 nm处有强吸收,便于比色传感应用。同样,Shen等人使用PtPdNPs@g-C3N4作为氧化酶模拟物,催化OPD氧化,实现三氯苯酚的双模检测[11]。
基于荧光COPs和多功能纳米酶的互补优势,我们认为将强红色荧光的TEPBY-DTDA COP与同时具有高效荧光淬灭能力和强大氧化酶模拟活性的MnO2纳米片层结合,可以建立一个理想的双模传感平台。在此设计中,MnO2纳米片层不仅作为荧光淬灭剂调节COP的发射,还作为催化单元独立产生比色信号,从而实现两种检测通道之间的内在交叉验证。如图1c所示,在没有OPs的情况下,AChE将ATCh转化为TCh,使MnO2纳米片层还原为Mn2+,恢复TEPBY-DTDA在630 nm处的红色荧光。Mn2+的氧化活性丧失阻止了OPD氧化为黄色荧光DAP,导致570 nm处的发射强度降低,溶液呈现无色。在OPs存在的情况下,AChE的抑制作用减少了TCh的生成,使MnO2纳米片层基本保持完整[36]。剩余的MnO2纳米片层由于光谱重叠淬灭了TEPBY-DTDA在630 nm处的荧光,并同时催化OPD氧化为DAP,在570 nm处产生强黄色荧光,并在410 nm处产生明显的比色响应。这种双信号响应实现了对OPs的敏感、快速和实用检测,为监测MFH中的农药残留提供了一种新策略。

试剂和材料

O-苯二胺(OPD)、乙酰胆碱碘化物(ATCh)、1,4-二氧环己烷、N,N-二甲基甲酰胺(DMAC)、二氯甲烷、乙醇、正丁醇、四氢呋喃(THF)、乙酸、磷酸二氢钠、乙腈和磷酸二氢钠由Innochem有限公司(中国北京)提供。乙酰胆碱酯酶(AChE,来自电鳗,200单位/克)、对苯醌、1,2-二氯苯和硫脲由Macklin生化有限公司(中国上海)提供。参考标准品

TEPBY-DTDA POP的合成与表征

红色荧光共价有机聚合物TEPBY-DTDA是通过TEPBY和DTDA之间的Schiff碱缩合反应合成的。该反应在乙酸的催化下,在溶热条件下进行,如图1a所示。TEPBY的平面、高度共轭结构提供了强荧光,而DTDA的羧基增强了其在水中的分散性。TEPBY-DTDA在530 nm激发下在630 nm处显示出红色发射峰(见图S1)。关键合成步骤

结论

总之,TEPBY-DTDA和MnO2纳米片层被用于构建一种比率荧光和比色双模探针,以实现有机磷农药(OPs)的准确检测。该识别技术依赖于OPs对AChE的抑制作用,这调节了TCh的生成,从而影响了TEPBY-DTDA的荧光和MnO2纳米片层对OPD的氧化酶模拟能力。该探针表现出高灵敏度、明显的荧光和比色响应以及优异的稳定性。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到了国家重点研发计划(编号:2023YFD1601200)的支持。

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