纳米酶助力农药快检，环境监测新突破

【关键技术突破 助力农业生态环保】

自动化检测：精准识别农药

农药是农业生产中不可或缺的重要投入品,可以有效提高农作物产量,保护农作物免受虫害和病原菌的侵害。但长期以来,大量滥用农药带来的环境污染问题一直困扰着我们。如何在确保农业生产的同时,最大限度地减少农药对生态环境的影响,是当前亟待解决的关键问题。

一项新型"酶级着色传感器"最新研究成果为这一问题提供了有希望的解决方案。该技术由中国农业科学院、清华大学、中国科学院等单位的科研团队联合开发,在实现高灵敏度、高选择性农药检测的同时,还能大大简化检测流程,为现场快速检测提供新的技术支持。

方案一 (a)Ce N₄-SAzymes合成过程的示意图。(b)说明使用CeN₄-SAzymes作为有机磷比色检测的传感系统的原理和过程。

【原理揭秘：从"单原子酶"入手】

该检测技术的核心是基于一种新型"单原子纳米酶"(SAzyme)。所谓"单原子"是指这种纳米酶中的活性中心只包含单个金属原子,而不是传统的金属纳米颗粒或团簇。相比之下,单个金属原子可以最大限度地发挥其催化性能,成为新一代高效酶模拟体系。

在本项研究中,科研团队精心设计并合成了一种基于铈元素的单原子纳米酶(CeN₄-SAzyme)。通过理论计算和实验验证,他们发现这种CeN₄-SAzyme具有独特的结构特征:铈原子对称地与四个氮原子配位,形成CeN₄结构单元。这种特殊的结构赋予了CeN₄-SAzyme显著的过氧化物酶样活性,能够高效地催化过氧化氢(H₂O₂)的氧化还原反应,从而引发检测用底物(TMB)发生可视化的颜色变化。

相比之下,其他类型的单原子纳米酶通常同时具有多种酶样活性,如过氧化物酶活性、氧化酶活性和过氧化氢酶活性等,这会导致检测过程中的干扰和背景信号较高。而CeN₄-SAzyme则展现出更加特异的过氧化物酶活性,大大提高了检测的灵敏度和选择性,为下一步的应用奠定了坚实的基础。

【关键应用：快速检测有机磷农药】

基于CeN₄-SAzyme独特的催化特性,科研团队进一步构建了一种"酶级着色传感器",实现了对有机磷农药(OPs)的高灵敏度、高选择性检测。

有机磷农药作为广泛应用的一类杀虫剂,具有高效、低成本等特点,在农业生产中得到了广泛使用。然而,长期大量使用有机磷农药也给环境和人体健康带来了严重的危害。因此,如何快速准确检测有机磷农药残留量,成为亟待解决的重要问题。

该"酶级着色传感器"巧妙地利用了乙酰胆碱酯酶(AChE)与胆碱氧化酶(ChO_x)构建的酶级联反应,以及CeN₄-SAzyme过氧化物酶样活性,通过一步检测即可快速监测有机磷农药的残留情况。具体来说,首先AChE会被有机磷农药所抑制,进而影响AChE-ChO_x级联反应过程中H₂O₂的生成。而CeN₄-SAzyme能够高度特异性地催化H₂O₂氧化TMB底物,引发可见光的颜色变化。由此,我们就可以通过检测溶液颜色的变化情况,快速准确地判断样品中有机磷农药的含量。

这种基于"酶级着色传感"的方法不仅灵敏度高,还能大大简化检测流程,无需专业仪器设备即可快速完成现场检测,极大地提高了检测的便利性和实用性。同时,该传感器对各类干扰物如重金属离子、糖类等都具有良好的抗干扰能力,为农药残留快速检测提供了可靠的技术手段。

【应用前景：精准监测助力环保】

除了有机磷农药的检测,这项"酶级着色传感器"技术还可广泛应用于多种生物分子和化学物质的检测与监控,为生态环境保护提供有力支撑。

一方面,该传感器可用于快速检测环境中其他重要的化学污染物,如重金属离子、内分泌干扰物等。通过灵活组装不同的酶级联反应,结合CeN₄-SAzyme的特异性催化,就能实现对各类重点监管物质的高灵敏、高选择性检测。这将大幅提高环境监测的及时性和准确性,为精准治理提供可靠依据。

另一方面,这种"酶级着色传感器"还可应用于生物样品中关键生物分子的检测与分析。例如,可通过监测生物体内过氧化氢的含量,间接评估细胞氧化应激状态,为疾病预防与诊断提供新的检测手段;或者利用该传感器检测糖类代谢酶的活性,为糖尿病等代谢疾病的精准诊断和管理带来新的突破。

总的来说,这项基于"单原子纳米酶"的"酶级着色传感"技术,不仅在农药残留检测领域展现了强大的应用潜力,而且未来在环境监测、生物医疗等更广泛的领域也必将发挥重要作用。通过进一步优化和改进,相信这项技术必将为构建更加绿色、健康的生态环境贡献出应有的力量。

图1 (a)Ce/Zn-ZIF-80.1的SEM和放大的SEM(插图)图像。(b)CeN₄-sazyme 800/0.1的TEM和HR-TEM(插图)图像。(c)CeN₄-sazyme 800/0.1的HAADF-STEM和EDS绘图图像。(d-e)CeN₄-sazyme 800/0.1的交流HAADF STEM图像(d)和所示区域的放大视图(e)。黄色圆圈标记的亮点代表Ce物种。(f)cen 4-sazyme 800/0.1在d中的相应强度图

图2 (a)CeN₄-sazyme 800/0.1的N1 s XPS光谱。CeN₄-SAzymeT/0.1的O1 s (b)和Ce 3d (c) XPS谱。(d)CeN₄-SAzymeT/0.1和参考样品的实验Ce L₃-edge XANES光谱。插图:放大的Ce L₃边XANES光谱。(e)CeN₄-sazy met/0.1的傅里叶变换(FT) EXAFS光谱以及R空间中的参考样品。(f)在R空间中CeN4-SAzyme_800/0.1的FT-EXAFS拟合曲线。插图:CeN₄结构的示意图。(g)在k空间中CeN₄-SAzyme800/0.1的FTEXAFS拟合分析。CeN₄-SAzymeT/0.1的(h-i) WT-EXAFS曲线，T = 800°C(h)和1000°C(i)。

图3 (a)制造顺序催化传感系统的示意图。(b)通过绘制650 nm处的吸光度对H₂O₂浓度的曲线来拟合线性校准曲线。插图:含不同浓度H₂O₂的系统彩色图像。(c)在GOx和/或葡萄糖存在下被CeN₄-SAzyme_800/0.1氧化的TMB的紫外-可见吸收光谱。(d)通过绘制650 nm处的吸光度对GOx活性的对数函数来拟合线性校准曲线。插图:具有不同GOx活动的系统彩色图像。(e)在AChE-ChOx级联和/或敌敌畏存在下，由CeN₄-SAzyme_800/0.1氧化的TMB的紫外-可见吸收光谱。(f)通过绘制650 nm处的吸光度对ACh浓度的对数函数来拟合线性校准曲线。插图:具有不同浓度ACh的系统彩色图像(n=3)。

参考文献：https://doi.org/10.1016/j.nantod.2024.102236