创新的适配传感器设计用于检测氯吡硫磷：结合碳纳米纤维、掺杂碳点和金纳米颗粒

《Seminars in Vascular Surgery》：Innovative aptasensor design for chlorpyrifos detection: Combining carbon nanofibers, doped carbon dots, and gold nanoparticles

氯吡甲胺检测、电化学aptasensor、金纳米颗粒、氮硫共掺杂碳点、碳纳米纤维、电化学阻抗、高灵敏度、农产品检测

　　氯吡虫啉（Chlorpyrifos，简称CPF）是一种广泛应用于农业领域的有机磷农药，其主要作用是通过抑制乙酰胆碱酯酶的活性，干扰害虫的神经系统功能，从而导致其死亡。尽管这种农药在农业中具有重要的应用价值，但其残留物即使在极低浓度下，也可能对生态环境和人类健康造成潜在威胁。例如，CPF的残留可能引发神经毒性、基因毒性以及生殖毒性等问题，尤其对孕妇和新生儿的影响更为显著。此外，它还可能对心脏功能产生不良影响，并存在致癌和致突变的风险。因此，开发一种能够高效、准确地检测CPF残留的方法，对于保障食品安全和环境保护具有重要意义。

当前，CPF的检测通常依赖于高效液相色谱（HPLC）、气相色谱（GC）和气相色谱-质谱联用（GC-MS）等高精度技术。然而，这些方法存在一定的局限性，如设备昂贵、操作复杂、需要专业人员以及耗时较长。因此，研究者们正在寻求更为简便、经济且适用于现场检测的替代方案。其中，电化学方法因其快速响应、高灵敏度以及易于与生物识别元件结合的特性，逐渐成为研究热点。电化学传感器结合了生物分子识别能力与电化学信号转换的优势，为快速、低成本的检测提供了可能性。

在生物识别元件中，适配体（aptamer）因其独特的结构和功能，被广泛应用于电化学传感器的构建。适配体是一种单链DNA或RNA分子，能够通过特定的三维构象识别并结合目标分子，包括小分子化合物、蛋白质、细胞等。适配体在生物传感器中的优势包括分子量小、易于修饰、具有良好的适应性和稳定性，以及制造过程简单。这些特性使其成为构建高灵敏度和高选择性的传感器的理想选择。

为了进一步提升适配体传感器的性能，研究人员致力于开发新型纳米材料作为传感平台。这些材料通常具有较大的比表面积、优异的导电性以及丰富的表面官能团，能够有效增强适配体的结合能力与稳定性。特别是，金属纳米颗粒与碳基纳米材料的复合结构，因其增强的导电性、催化活性和目标分子识别效率，成为当前研究的重点方向。金纳米颗粒（AuNPs）因其良好的导电性、生物相容性以及表面修饰能力，常被用于电化学传感器的构建。

本研究提出了一种基于纳米复合材料的新型适配体传感器，用于检测CPF残留。该传感器平台由AuNPs、氮硫共掺杂碳点（N, S-CDs）和碳纳米纤维（CNFs）组成。研究团队通过简单的水热法合成了氮硫共掺杂碳点，并将其与聚丙烯腈（PAN）纤维结合，采用静电纺丝技术制备了N, S-CDs/CNFs复合材料。随后，通过热处理引入磷元素，制备了P@N, S-CDs/CNFs复合材料。为了增强适配体的结合能力，研究者将金纳米颗粒通过滴涂法固定在该复合材料修饰的玻璃碳电极（GCE）表面，最终实现了对CPF的高灵敏度检测。

为了验证该传感器的有效性，研究团队首先对纳米材料的合成过程进行了表征，包括扫描电子显微镜（FESEM）、X射线衍射（XRD）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）。FESEM图像显示了N, S-CDs、N, S-CDs/CNFs和P@N, S-CDs/CNFs的微观结构，表明这些材料在形态和组成上具有良好的均匀性和稳定性。XRD图谱则揭示了这些材料的结晶性和类石墨结构，而FTIR光谱则进一步验证了其表面化学键的组成与变化。此外，能量色散X射线光谱（EDX）分析和元素分布图表明，磷元素成功掺杂进入了PAN基体中，进一步增强了材料的性能。

在电化学性能测试中，研究团队采用了循环伏安法（CV）和电化学阻抗谱（EIS）两种方法。EIS通过测量电极表面的阻抗变化，能够有效评估适配体的结合情况和传感器的响应能力。结果显示，随着CPF浓度的增加，电极表面的阻抗值（Rct）逐步上升，表明CPF分子与适配体之间的相互作用增强了传感器的阻抗响应。CV曲线进一步展示了这一现象，随着CPF浓度的增加，电极表面的氧化还原峰电流发生变化，表明传感器能够准确识别目标分子。

在优化实验条件方面，研究团队系统地评估了适配体浓度、CPF与适配体的孵育时间、适配体和AuNPs的用量对传感器性能的影响。结果表明，适配体的最佳浓度为2 μM，CPF的最佳孵育时间为60分钟，适配体和AuNPs的最佳用量均为10 μL。这些优化条件确保了传感器在实际应用中具有最佳的灵敏度和选择性。

在实际样品检测中，研究团队对黄瓜、番茄和生菜等农产品进行了检测。通过标准加入法，将不同浓度的CPF标准溶液加入到样品提取液中，并利用该传感器进行检测。检测结果表明，该传感器在实际样品中表现出良好的重现性和稳定性，回收率在97.80%至104.6%之间，相对标准偏差（RSD）在1.26%至2.73%之间。这些数据表明，该传感器在实际应用中具有较高的准确性和可靠性。

此外，研究团队还对传感器的选择性进行了评估。通过检测其他常见农药（如敌敌畏、马拉硫磷和敌百虫）的干扰效应，结果表明该传感器对CPF具有较高的选择性，即使在这些干扰物质浓度远高于CPF的情况下，也能有效区分CPF与其他农药。这表明该传感器在复杂样品中仍能保持良好的性能。

该研究的结论表明，所开发的适配体传感器具有优异的检测性能，包括极低的检测限（0.033 fg/mL）、宽广的线性检测范围（0.1 fg/mL至800 pg/mL）以及良好的选择性。通过将AuNPs与N, S-CDs/CNFs结合，该传感器不仅提高了检测灵敏度，还增强了适配体的结合能力和稳定性。此外，该传感器在实际样品中表现出良好的重现性和稳定性，能够满足食品检测和环境监测的实际需求。

本研究的创新点在于利用静电纺丝技术制备了具有高比表面积和良好导电性的纳米复合材料，并通过磷掺杂进一步优化了其性能。同时，通过引入AuNPs，提升了适配体在电极表面的结合效率，从而增强了整个传感系统的灵敏度和稳定性。这种结合多种纳米材料的传感策略为未来的CPF检测提供了新的思路，也为其他农药残留检测传感器的开发提供了参考。

研究团队的贡献表明，该传感器在理论和实践层面均具有重要价值。通过系统的材料合成、表征和性能优化，该研究不仅验证了纳米复合材料在电化学传感器中的应用潜力，还展示了其在实际环境中的适用性。该传感器的高灵敏度和选择性使其成为检测低浓度CPF残留的有力工具，能够有效支持食品安全和环境保护的相关工作。

总的来说，这项研究为氯吡虫啉的检测提供了一种新型、高效且经济的解决方案。通过结合多种纳米材料的优势，研究团队成功构建了一种能够满足实际检测需求的电化学适配体传感器。该传感器的高灵敏度、宽检测范围和高选择性，为CPF残留的快速、准确检测提供了可靠的技术支持。未来，该技术有望在食品检测、环境监测和生物医学领域得到更广泛的应用。