超灵敏双模式检测：三金属有机框架衍生双原子纳米酶赋能克百威现场特异性检测

1.引言

克百威是广泛使用的氨基甲酸酯类广谱杀虫剂，虽能有效防治棉花、水稻等作物虫害，但毒性较强，过量摄入可致急慢性中毒。它具有空气传播特性，喷洒时易扩散至周边环境，威胁生态与人类健康却常被忽视。常规检测方法精准但依赖大型设备和专业人员，不适合现场检测；现有基于乙酰胆碱酯酶抑制的技术选择性不足，无法特异性识别克百威。且柔性传感器纸基载体信号提升机制不明，双原子催化剂在农药检测中应用刚起步，故亟需可现场特异性检测克百威的高灵敏度技术。

本研究开发了基于PtCu_SA@TriMOF双原子纳米酶的PCSSIF传感器：利用其高过氧化物酶（POD）活性，结合克百威在酸性条件下水解产生的硫化物（[SH]）的双重抑制作用（清除•OH并抑制Pt-Cu活性位点），实现特异性检测；通过柔性纸基载体的高分散性和自制智能读取装置（可切换比色/光热模式），构建级联信号增敏体系，解决现场检测的灵敏度与便携性难题。

图1：(A)PtCu_SA@TriMOF的合成过程。(B)PCSSIF传感器对西维因的特异性检测机制。(C)级联信号灵敏化示意图。

2.结果与讨论

PtCu_SA@TriMOF的表征与分析：PtCu_SA@TriMOF呈规则六边形，Cu、Pt单原子通过N原子锚定，无金属-金属键，分散均匀稳定。经TEM、EDS、XPS、XANES等表征，证实其结构及元素组成，且具有高过氧化物酶活性，催化效率优于单原子纳米酶。

图2.PtCu_SA@TriMOF的表征与分析。(A)PtCu_SA@TriMOF的TEM图像。(B)PtCu_SA@TriMOF分散体的EDS元素图像（C、N、O、Cu、Pt），比例尺：500nm。(C)PtCu_SA@TriMOF的HAADF-STEM图像。(D)MOF、Cu_SA@BiMOF、Pt_SA@BiMOF和PtCu_SA@TriMOF的光学及TEM图像，比例尺：500nm。(E)MOF、Cu_SA@BiMOF、Pt_SA@BiMOF和PtCu_SA@TriMOF的FTIR谱。(F)XPS全扫描分析，1：PtCu_SA@TriMOF，2：Cu_SA@BiMOF，3：Pt_SA@BiMOF，4：MOF。(G–I)PtCu_SA@TriMOF的高分辨率Zn2p、Pt4f和Cu2pXPS谱拟合。(J)Cu箔和PtCu_SA@TriMOF的归一化X射线吸收近边结构（XANES）光谱。(K)Cu箔和PtCu_SA@TriMOF的Cu R-edge EXAFS r-空间谱。(L)Cu箔在r-空间中的拟合曲线及相应的Cu R-edge EXAFS。(M–N)PtCu_SA@TriMOF在k空间和r空间中的拟合曲线及相应的Cu K、R-edge EXAFS。(O–P)Cu箔和PtCu_SA@TriMOF参考样品的Cu K-edge EXAFS信号的WT。(Q)Pt箔和PtCu_SA@TriMOF的归一化XANES光谱。(R)Pt箔和PtCu_SA@TriMOF的Pt R-edge  EXAFS r-空间谱。(S)Pt箔在r空间中的拟合曲线及相应的Pt R-edge EXAFS。(T–U)PtCu_SA@TriMOF与k空间和r空间的相应Pt K边、R边EXAFS曲线拟合。(V–W)参考样品Pt箔和PtCu_SA@TriMOF的Pt K边EXAFS信号的WT。

PtCu_SA@TriMOF驱动的增强信号协同探索：PtCu_SA@TriMOF具有强过氧化物酶（POD）活性，60℃、pH=3.5时活性最优，对H₂O₂和TMB亲和力强（Km值分别为0.41mM和0.60mM）。DFT计算证实双原子协同作用降低H₂O₂解离能垒，催化效率显著高于单原子纳米酶，且稳定性良好。

图3.PtCu_SA@TriMOF驱动的增强信号协同探索。(A)PtCu_SA@TriMOF在不同条件下的催化活性，(1):H₂O₂，(2):TMB，(3):H₂O₂+TMB，(4):PtCu_SA@TriMOF+TMB，(5):PtCu_SA@TriMOF+H₂O₂+TMB。(B)PtCu_SA@TriMOF催化温度的优化。(C)催化缓冲液的pH选择。(D)DMPO在(1):PtCu_SA@TriMOF+H₂O₂和(2): PtCu_SA@TriMOF+H₂O₂+carbosulfan孵育后的EPR谱。(E)以H₂O₂为底物的PtCu_SA@TriMOF的双倒置图。(F)以TMB为底物的PtCu_SA@TriMOF的双倒置图。(G)催化过程中H₂O₂浓度依赖性研究。(H)催化过程中PtCu_SA@TriMOF浓度依赖性研究。(I)催化过程中PBS、MOF、Cu_SA@BiMOF、Pt_SA@BiMOF和PtCu_SA@TriMOF在不同时间的OD_654nm值。(J,K)在660nm激光照射下不同条件下催化产物的温度变化，(1):HAc-NaAc缓冲液，(2):TMB+HAc-NaAc，(3): H₂O₂+TMB+HAc-NaAc，(4): PtCu_SA@TriMOF+ H₂O₂+TMB+HAc-NaAc。(L)四次循环oxTMB的光热稳定性探索。(M)在POD催化过程中对Cu_SA@BiMOF、Pt_SA@BiMOF和PtCu_SA@TriMOF进行DFT计算，(i)：H₂O₂在Cu_SA@BiMOF、Pt_SA@BiMOF和PtCu_SA@TriMOF上解离成2OH*的电荷差分密度，POD类似反应路径的催化机理(ii)Pt_SA@BiMOF，(iii)Cu_SA@BiMOF，以及(iv) PtCu_SA@TriMOF，以及(v)Pt_SA@BiMOF、Cu_SA@BiMOF和PtCu_SA@TriMOF上POD的催化自由能。(N) PtCu_SA@TriMOF增强信号输出的示意图。(O)Pt_SA和Cu_SA协同增加酶活性的示意图。

PCSSIF传感器的构建与优化：利用克百威在酸性环境中断裂H–S键产硫化物的特性，结合Ellman法和zeta电位表征传感机制，优化材料浓度150μg/mL、抑制35min、显色15min，将液体检测系统转移到纸基设备实现即时检测。

图4.柔性传感器的构建与优化。(A)酸性条件下s碳硫磷的反应机理。(B)DTNB法检测硫化物化合物，(1):DTNB+碳硫磷(酸化)，(2):DTNB。(C)不同反应条件下的紫外吸收光谱，(1):碳硫磷，(2):碳硫磷+HAc-NaAc(pH=3.5)，(3):碳硫磷+TMB+HAc-NaAc(pH=3.5)，(4):碳硫磷+PtCu_SA@TriMOF+HAc-NaAc(pH=3.5) ，(5):PtCu_SA@TriMOF+H₂O₂+TMB+HAc-NaAc(pH=3.5)，(6):碳硫磷+PtCu_SA@TriMOF+TMB+HAc-NaAc(pH=3.5)，(D)光热信号分散到柔性纸基后不同时间的温度变化。PtCu_SA@TriMOF浓度的优化(E)，抑制时间(F)，和显色反应时间(G)。(H)不同干扰剂对催化活性的干扰，1–9:空白，Cu²⁺，Ni²⁺，Zn²⁺，Cd²⁺，L-赖氨酸，L-组氨酸，苏氨酸，L-半胱氨酸。(I)柔性传感器在不同干扰因素下的信号输出，(1–9):空白，Cu²⁺，Ni²⁺，Zn²⁺，Cd²⁺，L-赖氨酸，L-组氨酸，苏氨酸，L-半胱氨酸。(J)强配体对催化活性的影响。(K)双模式柔性传感器的可行性研究。(L)不同时间下柔性传感器在不同浓度西维因中的原位检测信号。(M)双抑制系统构建的敏感传感开关机制示意图。(N)柔性原位检测传感器的级联信号灵敏化类似多米诺效应示意图。(O)光热模式下柔性纸基底的灵敏度增加。(P)基于柔性纸基底的智能集成设备增强了对比色模式信号的精度。

评估PCSSIF传感器在甲拌磷检测中的性能：PCSSIF传感器检测甲拌磷，比色和光热模式检测限分别为4.2、5.7nM，对8种类似物（包括克百威、敌敌畏，推测还可能有毒死蜱、马拉硫磷、乐果、Diazinon（二嗪磷）、Glyphosate（草甘膦）、Imidacloprid（吡虫啉）等）常见农药无明显响应，10次测定RSD<5%，准确性良好，适用于特异性检测。

图5.检测性能评估。(A)PCSSIF传感器通过级联信号敏化特异性检测碳硫磷的示意图。(B)液体检测策略在不同碳硫磷浓度下显示的紫外吸收光谱。(C)液体比色模式检测不同浓度碳硫磷的线性方程。(D)液体检测环境中的比色模式和光热模式的柔性转换图。(E)液体光热模式检测不同浓度碳硫磷的线性方程。(F)PCSSIF传感器用于原位检测不同浓度碳硫磷的柔性转换。(G)PCSSIF传感器在比色模式下的线性方程。(H)PCSSIF传感器在光热模式下的线性方程。(I)研究PCSSIF传感器对西维因的特异性检测，(i)不同农药对PtCu_SA@TriMOF抑制率的影响，(ii)比色模式下检测不同类型农药的信号输出，(iii)光热模式下检测不同类型农药的信号输出，(iv)研究双模式检测的准确性。

实际样品的应用：将PCSSIF传感器应用于易受克百威污染的土壤、番茄和湖水实际样品，20组样品检测结果准确。加标回收率85%-121%，相对标准偏差2.33%-7.49%，材料生物相容性好，检测成本低，优于传统方法。

图6.实际样品检测能力评估。PCSSIF传感器对20组随机标记的实际样品（nM）的检测能力：(A)土壤，(B)西红柿，(C)湖水。(D–F)三种实际样品的回收率和RSD评估。(G)PtCu_SA@TriMOF的生物相容性评估。(H)不同检测方法的比较。

3.总结

本研究开发的PCSSIF传感器通过双原子纳米酶的高催化活性、双重抑制的特异性机制、纸基载体的级联信号增敏，以及智能装置的模式切换，实现了克百威的超灵敏现场检测。其优势包括：高灵敏度（检测限达nM级）、高特异性（抗干扰能力强）、便携性（柔性纸基+智能手机读取）、低成本（约0.24美元/次检测）。该技术为环境与食品中农药残留的原位特异性检测提供了新范式，未来有望扩展至多种农药的阵列化检测。

论文链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.5c03245