植物贴身监测神器：量子点水凝胶解析农药降解进程

农药在农业生产中广泛应用以保护作物免受病虫害侵害，显著提高了农产品的产量和质量，但农药的滥用导致其在水、土壤和农产品中残留，对生态环境、食品安全和生命安全造成严重危害。以福美双为例，它作为常用的二硫代氨基甲酸酯类农药，通过破坏病原体的细胞膜和代谢途径来控制真菌病害，然而由于误用、难降解、半衰期长且易迁移，已被证实是一种广泛存在于环境和食品中的持久性污染物，对生物的生殖、发育和免疫等具有潜在毒性，暴露于福美双可能增加患眼、皮肤和肝脏疾病的风险。因此，开发灵敏、准确的传感器用于定量监测环境和食品样品中的福美双等农药残留至关重要。

传统的福美双分析方法通常需要色谱等昂贵的大型设备，存在成本高、样品前处理复杂、需要专业人员操作等局限性，不利于资源匮乏地区的现场检测。尽管研究人员已开发出基于比色、荧光和电化学技术的低成本、便捷的现场检测传感器，但仍面临诸多挑战，如大多数传感器依赖有毒金属离子、分析在溶液中进行需专用仪器，且缺乏对作物上农药的原位、现场非破坏性检测方法。水凝胶因其三维多孔结构、柔性和仿生特性，成为开发现场检测传感器的理想材料，尤其是荧光水凝胶传感器，具有响应快、操作简单、可视化等优势，结合智能手机的数据处理能力，有望实现农药的原位、现场定量分析。

方案1.制备CdTeCDs@PVA@AG的草图，用于以非破坏性方式监测农药的动态降解。

研究内容

图1.CdTe量子点的结构与性能表征

选用CdTe量子点作为信号分子，通过水热反应制备，以硫醇（MPA、GSH、L-cys）为稳定剂，NaBH₄为还原剂，得到平均粒径约5nm的典型点状量子点。

图2.CdTe量子点与thiram反应后的荧光变化

荧光表征显示，MPA、GSH和L-cys修饰的CdTe量子点分别在633、596和629nm处发射明亮红光，且荧光强度随激发波长增加而减弱，但波长几乎不变，表明无波长依赖性。

其中MPA修饰的CdTe量子点发射波长最长、强度最高，是农药残留检测的理想选择。当与福美双反应时，量子点荧光随福美双浓度增加而逐渐猝灭，基于Stern-Volmer方程计算得出MPA修饰的CdTe量子点对福美双的检测限低至0.016μM，响应时间仅2分钟，且对福美双具有高选择性和抗干扰能力。

图3.CdTe量子点、thiram及其混合物进行了紫外-可见吸收表征

选择MPA修饰的CdTe量子点，与PVA和AG混合，通过冻融法制备CdTeQDs@PVA@AG水凝胶。该水凝胶具有未破损的三维多孔网络结构，透光率大于94.7%，在365nm光激发下发射明亮红光，且存储14天后荧光信号仅轻微减弱，稳定性优异。

图4.基于CdTeqds的水凝胶性质研究

 水凝胶具有类似生物组织的柔韧性，可弯曲、拉伸和压缩而不影响形状和荧光，能紧密粘贴在茄子、辣椒等农产品表面。此外，水凝胶具有亲水性和渗透性，抗污能力强，在多种干扰物质存在下仍能保持稳定的荧光信号，pH值影响研究表明其在中性至弱碱性条件下性能稳定。

图5.CdTeQDs@PVA@AG对锡兰的分析性能

基于智能手机辅助的成像和数据处理能力，CdTeQDs@PVA@AG水凝胶可实现福美双的简便、快速和可视化分析。福美双扩散进入水凝胶与CdTe量子点作用，导致红色荧光猝灭，智能手机采集荧光图像并转换为RGB值，其中B×G值与福美双浓度在1-200μM范围内呈线性关系，检测限为0.27μM。选择性研究表明，水凝胶对福美双具有良好的特异性，在多种干扰物质存在下仍能准确检测福美双。存储稳定性研究显示，水凝胶在4℃黑暗环境中存储15天后，对200μM福美双的响应几乎不变。实际应用中，水凝胶在茄子和葡萄提取液中对福美双的回收率为94-104.7%，相对标准偏差低于6.0%，准确性高。

图6.监测农产品中硫的降解

CdTeQDs@PVA@AG水凝胶可用于监测喷洒在小白菜表面的福美双的降解情况。通过将水凝胶粘贴在小白菜叶表面，随着时间推移，荧光颜色从红逐渐变亮，B×G响应逐渐降低，表明福美双浓度逐渐降低，正在降解。计算得出福美双的半衰期为1.94天，约5天后几乎完全降解，降解行为符合准一级动力学方程。该方法实现了对农产品中农药降解的原位、非破坏性监测，为研究农药降解行为和判断农产品安全间隔期提供了有力工具。

 本研究成功开发了CdTe量子点负载的水凝胶（CdTeQDs@PVA@AG）作为可穿戴荧光装置，用于原位、非破坏性监测植物中的福美双残留。该水凝胶结合了CdTe量子点对福美双的特异性响应和PVA-AG双网络水凝胶的柔韧性、高粘附性和抗干扰能力，可通过智能手机将荧光图像转换为数字信息，实现福美双的定量检测，检测限为0.27μM。此外，水凝胶可紧密粘贴在小白菜叶表面，成功监测福美双的动态降解过程，半衰期为1.94天。该研究为开发植物可穿戴传感器用于作物生长过程中农药残留的长期监测提供了新思路，有助于智能农业的发展和农药相关食品安全监管。

  原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202423643