農田環境中農藥殘留比例型熒光傳感系統研究

徐霞紅 權浩然 何開雨 王 柳 王新全 王 強

(浙江省農業科學院農產品質量標準研究所， 杭州 310021)

0 引言

農業生產中各種投入品的大量使用及工業生產中污染物大量排放帶來的農產品化學污染物殘留問題不容忽視。有機磷農藥(OPPs)是一類廣泛應用于防治植物病蟲害的農藥，是果蔬農產品中存在的典型化學污染物[1]。OPPs的半衰期較長，使用不當會導致在農產品、環境和水中殘留嚴重。OPPs對乙酰膽堿酯酶(AChE)活性具有不可逆的抑制能力，干擾人體重要器官的功能，最終導致呼吸麻痹、中毒[2]。水中存在的有機磷農藥殘留主要來自田間噴灑農藥，雨水的沖洗使農藥滲透進入水渠、河流及地下水中。水是人類賴以生存的重要自然資源，水體的破壞對人類等生物體產生極大的傷害[3]。因此，監測農業環境中有機磷農藥殘留對從種養源頭管控農產品安全具有重大意義。

目前，OPPs常用的檢測方法有液相色譜、氣相色譜、氣相色譜-質譜聯用、液相色譜-質譜聯用等依賴大型儀器的實驗室精準監測手段[4-6]，大型儀器難以攜帶，在農業環境現場快速監測中應用受限。國內外應用于農藥殘留快速檢測的主流技術為酶抑制法和免疫法，分別使用膽堿酯酶和抗體作為分子識別探針[7-9]?；诿庖叻ǖ目鞕z技術利用抗原-抗體間的特異性分子識別而建立，特異性強、商品化技術成熟。但是由于農藥分子量偏小，抗體創制難、不易獲得，并且農藥種類繁多，無法通過免疫分析解決其他無抗體農藥及多殘留同時檢測的問題。我國現階段普遍采用的農殘速測儀和速測卡基于乙酰膽堿酯酶抑制作用而建立的快速分析技術，能在較短時間內完成大量樣品的初篩，但酶活性有時會受到一些農產品基質成分的抑制，易產生假陽性，對有機磷和氨基甲酸酯類農藥的檢出限均為mg/kg級別，對含量更低、一些國家強制禁用及高毒的農藥(甲基對硫磷、對硫磷、毒死蜱等)則不能檢出。因此，開發新型檢測技術與儀器、提高檢測靈敏度和可靠性是目前快速檢測農藥殘留、降低食品安全風險和進行早期預警的關鍵。

熒光檢測具有靈敏度高、簡單、高效等優勢，其中比例型熒光檢測抗干擾能力強，不受熒光探針濃度影響，可實現可視化檢測。熒光金屬-有機框架材料(Metal-organic frameworks, MOFs)具有孔隙度高、比表面積大、納米空腔效應等優勢，可通過吸附和包埋的方式固定與富集大量分子，也易合成與修飾[10]，是構成比例型熒光體系的優勢材料[11]。熒光MOFs的獨特多孔性利于富集反應物、增加反應位點，其優異的包埋和后修飾能力能靈活包埋其他熒光探針或蛋白等物質，結合自身性質，可望集成識別-信號輸出功能構建化學傳感系統。已有研究表明，MOFs能針對某些農藥殘留產生特異性熒光淬滅效應，在2 min內實現甲基對硫磷、對硫磷的現場快速檢測，并能在果蔬樣品上實現原位熒光成像分析[12-14]。

本文基于鋯離子和1,2,4,5-四(4-羧苯基)苯(H4TCPB)合成藍色熒光MOFs材料Zr-TCPB，并與紅色熒光量子點QDs(熒光發射峰Em為625 nm)組裝成雙熒光QDs@MOFs復合物，基于Zr-TCPB對有機磷農藥的特異性熒光淬滅效應，構建比例型熒光化學傳感器系統，以期實現有機磷農藥的快速、靈敏、可視化檢測。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

氯化鋯(ZrCl4)、1,2,4,5-四(4-羧苯基)苯(H4TCPB)購自Sigma Aldrich公司。苯甲酸和二甲基甲酰胺(DMF)購自生工生物技術公司，羥基水溶性量子點QD-625(紅色熒光)購自武漢珈源量子點技術開發有限責任公司，有機磷農藥標準品如內吸磷、三唑磷、治螟磷、滅線磷、甲基異柳磷、氧樂果、水胺硫磷、甲胺磷、甲拌磷、馬拉硫磷、蠅毒磷、苯線磷、特丁硫磷、地蟲磷等均購于北京北方偉業計量技術研究院。采用微孔板檢測儀Gene5(美國伯騰)記錄熒光光譜以及紫外-可見光譜。采用SU8010型場發射掃描電子顯微鏡(日立公司，日本)和FEI Tecnai G2 F20型高分辨場發射透射電子顯微鏡(FEI公司，美國)獲得掃描電子顯微鏡(SEM)及透射電子顯微鏡(TEM)圖像。

1.2 實驗方法

1.2.1材料合成

Zr-TCPB的制備：將H4TCPB 50 mg，氯化鋯70 mg，苯甲酸2 700 mg，DMF 20 mL與水10 mL超聲混合15 min，放入聚四氟乙烯反應釜中在120℃條件下反應24 h，自然冷卻后用DMF洗滌2次，甲醇洗滌1次，在60℃條件下干燥12 h，得白色粉末狀Zr-TCPB材料。

QDs@MOFs的制備：取適量的Zr-TCPB溶于水中，超聲混合均勻后加入QDs再超聲混合，高速離心去上清液，用超純水洗滌3次，干燥備用。

1.2.2熒光檢測

取上述備用QDs@MOFs分散液使用PBS(0.1 mol/L，pH值為6.0)稀釋一定質量濃度后，取10 μL QDs@MOFs分散液，加入一定質量濃度(0.005～2 mg/L)的90 μL有機磷農藥，混勻后在微孔板檢測儀中檢測熒光強度。在特異性探討實驗中，將10 μL QDs@MOFs與90 μL不同種類的農藥(均為0.25 mg/L)：甲基對硫磷、對硫磷、內吸磷、三唑磷、治螟磷、滅線磷、甲基異柳磷、氧樂果、水胺硫磷、甲胺磷、甲拌磷、馬拉硫磷、蠅毒磷、苯線磷、特丁硫磷、地蟲磷進行混合，以PBS為空白對照，混勻3 min后在微孔板檢測儀中檢測熒光強度。

2 結果與分析

2.1 材料表征

Zr4+和H4TCPB在熱溶劑條件下最終制得白色粉末狀Zr-TCPB MOFs材料，在254 nm紫外激發波長條件下產生強烈的藍色熒光，而QDs@MOFs由于包裹了紅色熒光QDs-625，熒光表現出強紫紅色(圖1a)。圖1b為Zr-TCPB和QDs@MOFs的SEM及TEM表征圖，電鏡圖表明Zr-TCPB為片狀晶體聚集而成的花朵形貌，平均尺寸在0.9 μm左右，QDs@MOFs由于包裹了QDs，表面片層變為顆粒形貌，從圖1b可以看出，MOFs復合材料中已嵌入大量的QDs顆粒。

圖1 MOFs材料的形貌表征圖Fig.1 Morphology pictures of MOFs materials

2.2 條件優化

一定質量濃度(0.1 mg/L)的甲基對硫磷與QDs@MOFs混合后，立即置于微孔板檢測儀中讀取254 nm激發下的400 nm處熒光強度。淬滅效率計算式為

Q=(I0-It)/I0×100%

(1)

式中I0——初始發射峰強度

It——加入甲基對硫磷后的發射峰強度

如圖2所示，隨著時間的增加，熒光強度在2 min內下降迅速，并在3 min后達到平衡，說明農藥對MOFs的熒光淬滅作用在3 min能完成并達到穩定狀態，因此，后續實驗選擇3 min作為最佳反應時間。另一方面，為實現對有機磷農藥的靈敏檢測，QDs@MOFs的濃度優化通過甲基對硫磷與不同質量濃度的QDs@MOFs復合物溶液混合后的熒光變化來實現。如圖3所示，隨著QDs@MOFs質量濃度的增加，400 nm熒光淬滅程度先增加后降低，在QDs@MOFs的質量濃度為25 μg/mL時，淬滅效率達到最高，后續實驗選用QDs@MOFs的最佳質量濃度為25 μg/mL。

圖2 熒光動力學曲線Fig.2 Fluorescence kinetics curve

圖3 不同QDs@MOFs質量濃度下的熒光淬滅效率Fig.3 Fluorescence quenching efficiency at different concentrations of QDs@MOFs

2.3 比例型熒光分析

QDs@MOFs復合材料具有2個熒光發射峰，分別為Zr-TCPB藍色熒光與QDs的紅色熒光。由于甲基對硫磷對Zr-TCPB的熒光淬滅作用，導致QDs@MOFs的藍色熒光(發射峰400 nm)強度降低，通過藍色熒光與紅色熒光變化的比例，可計算出甲基對硫磷的殘留水平，從而建立基于QDs@MOFs雙色比例型熒光分析的農藥定量傳感體系。如圖4a所示，當加入不同質量濃度(0～2 mg/L)的甲基對硫磷后，隨著農藥質量濃度增加，QDs@MOFs在400 nm處的熒光發生顯著降低，QDs在625 nm處熒光也有下降趨勢，總體上熒光強度隨著農藥質量濃度的增加而降低，最終表現出由強紫紅色向弱紅色熒光轉變。相類似的，甲基對硫磷可淬滅Zr-TCPB的藍色熒光，因此所得到的數據與甲基對硫磷類似(圖4b)。依據農藥質量濃度與熒光強度的對應關系，得到甲基對硫磷和對硫磷的檢測標準曲線，如圖4c所示，淬滅效率隨甲基對硫磷、對硫磷的對數質量濃度增加而增加。線性擬合方程分別為

y=31.424x+84.191 (R2=0.993 0)
y=34.564x+83.76 (R2=0.990 3)

線性范圍為0.005～2 mg/L，最低檢測限(LOD)計算公式為

LOD=3N/S

式中N——最低質量濃度農藥下響應的標準偏差

S——校準曲線斜率

計算得到甲基對硫磷的LOD為1.9 μg/L，對硫磷的LOD為4.9 μg/L。本研究開發的QDs@MOFs雙色比例型熒光傳感器對甲基對硫磷、對硫磷的檢測靈敏度優于已報道的同類型傳感器，具體數據如表1所示。

圖4 熒光響應光譜圖Fig.4 Fluorescence response spectra

表1 QDs@MOFs熒光傳感器的檢測性能與文獻方法對比Tab.1 Detection performance of QDs@MOFs fluorescence sensor compared with that of other literature methods

圖5 特異性分析Fig.5 Specificity analysis

2.4 特異性分析

為了進一步探討QDs@MOFs熒光傳感器對農藥殘留檢測的特異性，選用了16種代表性的國家禁限用有機磷農藥，分別為內吸磷、三唑磷、治螟磷、滅線磷、甲基異柳磷、氧樂果、水胺硫磷、甲胺磷、甲拌磷、馬拉硫磷、蠅毒磷、苯線磷、特丁硫磷、地蟲硫磷、對硫磷、甲基對硫磷，在相同檢測條件下，QDs@MOFs熒光傳感器對相同質量濃度(0.25 mg/L)的農藥反應并進行了熒光測定。如圖5所示，除了對硫磷、甲基對硫磷外，其余14種有機磷農藥并未導致QDs@MOFs出現顯著的熒光大幅度降低或增強現象，其中蠅毒磷和苯線磷表現了稍微的熒光強度降低。對硫磷、甲基對硫磷產生如此大幅度的熒光淬滅效應，主要是由于甲基對硫磷和對硫磷中硝基苯基對Zr-TCPB的熒光能量轉移作用導致的淬滅作用。上述結果表明，QDs@MOFs熒光傳感器對甲基對硫磷與對硫磷的檢測具有較高的特異性。

2.5 實際環境水樣分析

為了進一步探討QDs@MOFs熒光傳感器對農藥殘留檢測的實際應用能力，采用環境水樣標準添加法，測定樣品中甲基對硫磷及對硫磷的含量，通過濃度檢測比對及回收率分析，探討QDs@MOFs熒光傳感器的實際樣品檢測能力。將不同質量濃度的甲基對硫磷及對硫磷(0.01、0.1、1 mg/L)添加至河水、自來水及田間水中，3 min后檢測QDs@MOFs的熒光強度，根據線性標準曲線分析得到農藥殘留的質量濃度，平行分析3組數據，計算回收率。如表2所示，甲基對硫磷回收率在93.23%～116.41%，平均相對標準偏差(RSD)為5.29%，對硫磷回收率在92.52%～107.83%，平均RSD為5.74%，上述結果表明，QDs@MOFs熒光傳感器具有良好的可靠性，可適用于實際環境水樣中的甲基對硫磷及對硫磷分析。

表2 實際樣品中甲基對硫磷和對硫磷的檢測結果Tab.2 Detection results of real samples

3 結論

(1)開發了一種比例型熒光QDs@MOFs復合材料，可通過熒光響應用于檢測甲基對硫磷及對硫磷兩種有機磷農藥，其響應速度快，能在3 min完成檢測分析。

(2)由于MOFs的高吸附性能，使得分析物與MOFs的接觸更加充分，從而提高了檢測效率；同時由于紅色熒光量子點的引入，可通過熒光顏色的變化直觀判斷甲基對硫磷及對硫磷兩種有機磷農藥的殘留水平。該熒光傳感器是一種高靈敏度的農藥殘留快速檢測儀器。

(3)甲基對硫磷與對硫磷的檢測限分別為1.9 μg/L和4.9 μg/L，線性檢測范圍為0.005～2 mg/L，該熒光傳感器對甲基對硫磷及對硫磷具有良好的特異性檢測能力。

(4)該熒光分析法能有效用于農業環境水樣中甲基對硫磷及對硫磷的現場快速測定，在環境樣品農藥的快速監測方面具有巨大的應用價值。