基于密封非均相纳米酶构建荧光/比色双模式传感器用于食品中毒死蜱残留监测

研究背景

有机磷农药（OPs）因其高效和广谱性在农业中被广泛使用，其中毒死婢是最常用的OP之一，尽管其在食品生产中发挥了重要作用，但过量残留导致了严重的环境污染，进而对人类健康产生负面影响。因此，监测毒死婢残留对于确保食品和环境安全至关重要。传统的检测方法如高效液相色谱法、气相色谱法和气相色谱-质谱法虽然有效，但通常成本高、耗时长，且需要专业人员操作。相比之下，光学方法因其简单、经济和高灵敏度而受到关注。近年来，人工纳米酶因其丰富的催化位点和优异的酶活性而成为颜色传感器的候选者。金属有机框架（MOFs）作为一类多孔晶体材料，因其活性位点多、可调孔隙率和稳定结构而被广泛应用于催化和传感。本研究构建了一种氯吡脲响应的纳米系统，以实现对农业蔬菜中氯吡脲的双模态检测。这项研究为纳米酶的可控开关催化性能和识别能力提供了新策略，并为未来基于MOF的高性能多模态污染物监测探索提供了启示。

实验原理

如图1，该检测体系合成了一种密封的非均质纳米酶。其中，核心的CeOx纳米酶作为仿生过氧化物酶催化无色TMB生成蓝色产物，用于比色信号报告。然后在CeOx表面合理修饰以Cu²⁺为中心的掺杂染料的ZIF型MOF壳。由于能量转移效应，染料的荧光被内层和外层双重淬灭，为后续的传感提供了低荧光背景。同时，由于ZIF外壳的阻断，限制了CeOx核的过氧化物酶模拟能力。l-抗坏血酸-2-磷酸（AAP）在碱性磷酸酶（ALP）的催化下水解生成抗坏血酸（AA），生成的AA可以还原CeOx@fZIF的ZIF壳中的Cu²⁺，并诱导壳的解离。ALP响应壳的坍塌导致CeOx催化活性的激活，用于比色oxTMB的产生和被封装的染料的释放，用于荧光恢复。毒死蜱对ALP活性的切换抑制改变了级联催化双模信号，实现了高效的OPs检测荧光-比色双模信号，保证了可靠性，满足了多种检测条件的要求。

图1 荧光/比色双模式非均质纳米酶传感器对蔬菜中毒死婢的灵敏检测示意图。

研究内容及结果

（1）CeOx@fZIF的制备及表征：采用六水硝酸铈（III）氧化法制备CeOx。然后，将染料作为信号功能单元同步引入CeOx核外Cu（II）为中心的ZIF型MOF的薄层生长中，形成CeOx@fZIF。得到的核壳CeOx@fZIF保留了直径为17 nm的CeOx的球形形貌，TEM图像显示有3 nm的均匀的ZIF层（图1A）。暗场扫描元素映射验证了核壳结构。Cu、C和N元素分布在整个纳米结构中，而Ce元素位于核心（图1B和C）。动态光散射分析分析结果表明CeOx@fZIF的水动力直径粒径从19 nm增加到32 nm，进一步证实了核壳结构。同时采用x射线光电子能谱（XPS），XRD，FT-IR光谱进一步验证了Cu²⁺为中心的ZIF壳层的成功生长。相较于CeOx@ZIF，在485 nm处出现了一个吸收峰，与游离染料的吸收一致（图2C）。值得注意的是，观察到~10 nm的红移，这是由于染料被包裹在ZIF壳中。同时，染料荧光在CeOx@fZIF外壳包封后急剧下降（图2D），猝灭荧光甚至低于纯ZIF中负载染料构建的fZIF，这是由于ZIF外部和内部CeOx核心双重猝灭所致。CeOx@fZIF较低的荧光为后续的传感提供了低信号背景。

（2）双模式传感检测的可行性分析及条件优化：当毒死蜱抑制ALP的去磷酸化催化作用时，CeOx@fZIF的解离和荧光增强受到抑制。同样，酶反应动力学检测结果表明在CeOx@fZIF中活化的CeOx纳米酶对底物具有较强的亲和力和高效的过氧化物酶样活性。毒死蜱的加入抑制了ALP的酶活性，阻止了CeOx的释放，从而导致比色下降。因此，通过监测CeOx@fZIF-基纳米体系的荧光及比色信号变化，可以很容易地实现毒死蜱的检测。为提高构建的传感体系的性能，对培养时间、pH、AAP浓度等实验条件进行了优化，得到最优孵育时间为70 min，pH为8.0，AAP为60 μM。

（3）抗坏血酸磷酸盐和碱性磷酸酶活性的影响：在优化的实验条件下，记录了CeOx@fZIF/AAP对不同活性ALP的荧光光谱和吸收光谱。结果表明，这两种模式在检测ALP活性时可以自我校正并相互证实。

（4）双模式检测毒死婢：结果表明荧光模式检出限为0.2 ng/mL，比色模式检出限为15 ng/mL。

（5）抗干扰验证：结果表明构建的传感体系具有优异的抗干扰性能。

（6）真实样本检测：将不同浓度毒死婢加入稻田水、黄瓜、稻田土和小白菜样本中，平均回收率分别为97.03%~104.35%、100.18%~104.59%、93.84%~103.26%和97.22%~98.19%。精密度均在7.76%以内，表明该荧光传感系统在实际样品中具有灵敏检测毒死蜱的潜力。结果表明，CeOx@ZIF/AAP/ALP体系受植物色素和其他真实样品基质的干扰较小，可用于农业样品中毒死蜱的灵敏检测。

研究结论

总的来说，本研究建立了一种ZIF封闭的混合纳米酶传感器，用于快速双模态检测蔬菜中毒死婢的生物积累，具有优异的灵敏度和稳定性。以Cu²⁺为中心的ZIF作为毒死蜱可控开关，触发壳的坍塌，并恢复来自CeOx纳米酶的染料荧光和比色信号。利用毒死蜱独特的抑制ALP催化作用和CeOx@fZIF纳米酶随后解除封闭的能力，该纳米杂交系统可以检测毒死婢，并通过ALP/CeOx纳米酶级联催化分析其总生物积累。CeOx@fZIF的低双模态信号背景使得荧光检测限低至0.2 ng/mL，比色检测限低至15 ng/mL。此外，在实际样品中观察到令人满意的回收率，进一步强调了该纳米系统在快速检测农业样品（包括水稻、黄瓜、青菜和稻田土壤）中的潜在多功能性。通过跟踪毒死婢在青菜中的生物积累，证实了其适用性，并与HPLC分析结果一致，进一步表明该传感系统在实际应用中的巨大潜力。更重要的是，纳米酶上构建的ZIF作为识别开关，为构建基于MOF的可靠传感器在智能农业、环境监测和食品安全监控领域提供了有效的思路。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.157693