基于二维光子晶体水凝胶适体的农药多菌灵可视化检测新方法

《Microchemical Journal》：Two-dimensional photonic hydrogel aptasensors for selective detection of pesticide carbendazim

本研究针对农药多菌灵（CBZ）传统检测方法成本高、耗时长的问题，开发了一种基于适配体构象变化和光子晶体信号的便携式检测平台。通过将CBZ特异性DNA适配体集成到聚（丙烯酰胺-共-丙烯酸）水凝胶中，构建了二维光子晶体水凝胶（2DPCH）适体传感器。该传感器在CBZ存在时，适配体折叠导致水凝胶收缩，使Debye衍射环直径发生可见变化，实现了1.0×10?2-1.0×10?1 μM的线性检测范围和2.8 nM的检测限，为食品和环境样品中农药残留的便携检测提供了有效解决方案。

　　

在现代农业中，农药作为保护作物免受病虫害侵袭的重要工具被广泛使用。然而，农药的过度使用会导致其在环境和农产品中的残留，进而通过食物链富集，对人类健康构成威胁。其中，多菌灵（carbendazim, CBZ）作为一种广谱性苯并咪唑类杀菌剂，因其具有较长的环境持久性，被世界卫生组织列为危险物质。传统的CBZ检测方法如液相色谱-质谱法、高效液相色谱法等虽然灵敏度高，但依赖大型仪器、操作复杂且成本高昂，难以满足现场快速检测的需求。因此，开发一种简单、快速、灵敏的CBZ检测新方法具有重要意义。

在这项发表于《Microchemical Journal》的研究中，研究人员成功构建了一种基于二维光子晶体水凝胶（two-dimensional photonic crystal hydrogel, 2DPCH）的适体传感器，用于选择性检测CBZ。该传感器巧妙地将CBZ特异性DNA适体与具有刺激响应性的聚（丙烯酰胺-共-丙烯酸）水凝胶相结合，并嵌入有序排列的聚苯乙烯微球形成二维光子晶体结构。当CBZ与适体特异性结合时，会引起适体构象从伸展状态转变为卷曲结构，这种构象变化对水凝胶聚合物网络产生机械应力，导致水凝胶收缩，从而改变光子晶体的晶格间距，最终表现为Debye衍射环直径的可见增大。这种将分子识别事件直接转换为宏观光学信号的设计，实现了对CBZ的高灵敏、高选择性检测。

研究采用的关键技术方法包括：通过自组装法制备有序的二维光子晶体阵列；采用"三明治"法制备2DPCH薄膜；通过碳二亚胺化学将氨基末端的DNA适体共价固定到水凝胶网络；利用扫描电子显微镜表征材料形貌；通过测量Debye衍射环直径变化实现CBZ的定量检测。实际样品分析采用市售苹果表皮和土壤样本。

材料表征

扫描电子显微镜结果显示，制备的聚苯乙烯微球呈现高度有序的紧密堆积排列，形成2DPC后转变为周期性的非紧密堆积结构，表明水凝胶成功保持了光子晶体的有序结构。红外光谱证实适体成功共价固定到水凝胶网络中，为传感器的特异性识别奠定了基础。

实验条件优化

研究人员系统优化了水凝胶单体比例、交联剂用量、适体浓度等关键参数。发现丙烯酰胺与丙烯酸的单体比例为19:1，交联剂N，N'-亚甲基双丙烯酰胺浓度为2.5 wt%，适体浓度为2.0 μM时，传感器表现出最佳的响应性能。这些优化条件确保了水凝胶具有良好的响应性和机械稳定性。

分析性能评估

在最优条件下，传感器对CBZ的检测线性范围为1.0×10^?2至1.0×10^?1 μM，检测限低至2.8 nM。传感器还表现出优异的选择性，对吡虫胺、氟噻唑等常见农药几乎无响应。同时，传感器具有良好的抗干扰能力，在存在多种干扰物的情况下仍能保持对CBZ的特异性识别。稳定性测试表明，传感器在储存7天后性能无明显下降。

实际样品分析

将传感器应用于苹果表皮和土壤样品中CBZ的检测，加标回收率在96.0%-104.5%之间，相对标准偏差小于4.5%，表明该方法在实际样品检测中具有较好的准确度和精密度，能够满足实际应用需求。

本研究成功开发了一种基于2DPCH的适体传感器，实现了对CBZ的高选择性、高灵敏度检测。该传感器将适体的特异性识别能力与光子晶体的光学信号放大功能有机结合，通过适体构象变化调控水凝胶体积，进而改变光子晶体的光学特性，最终将分子识别事件转换为可视化的Debye衍射环变化。这种方法无需复杂仪器，操作简便，成本低廉，为农药残留的现场快速检测提供了新的技术平台。更重要的是，这种设计理念可以扩展到其他农药的检测，只需更换相应的特异性适体即可，具有很好的普适性。该研究为开发新型便携式生物传感器提供了新思路，在食品安全监测和环境检测领域具有广阔的应用前景。