利用类多酶金属有机框架纳米酶区分多种农药

《Journal of Hazardous Materials》：Discrimination of Multiplex Pesticides Using a Multienzyme-like Metal-organic Framework Nanozyme

农药残留检测中，Cu/Ce–MOF纳米酶通过多酶样活性构建三通道传感器阵列，实现六种农药（最低0.5μg/mL）的同步鉴别，并成功应用于复杂混合物和真实样本检测。

　　

黄颖|刘晨曦|熊颖|文倩|李旺|任家丽|钟海燕

中国中南林业科技大学湖南林业食用资源安全与加工重点实验室，长沙410004

摘要

农药残留对公共健康构成严重威胁，因此需要开发快速可靠的分析方法来确保食品安全。为了同时区分多种农药，研究人员合成了一种具有多种酶样活性（包括过氧化物酶活性、氧化酶活性和漆酶活性）的新型Cu/Ce–MOF纳米酶。通过利用不同农药对这些活性的不同调控作用，建立了一个三通道传感阵列，能够同时区分六种农药，最低分辨浓度为0.5 μg/mL。该传感阵列具有较宽的分辨浓度范围（0.5–35 μg/mL），并且能够成功区分结构相似的化合物（如草甘膦和草铵膦）等复杂农药混合物。此外，该方法具有出色的抗干扰能力和很强的实际应用性（适用于玉米、燕麦和枣等样品）。这种方法为识别多种农药提供了一种简单有效的策略，对加强食品安全监管具有重大潜力。

引言

农药是现代农业中必不可少的工具，可以有效控制害虫侵扰，减少作物损失，并提高农产品的质量[1]。然而，农药的持续和过度使用引发了严重的环境和公共健康问题。除了造成广泛的生态污染外，农药残留还带来严重的健康风险，包括急性和慢性毒性[2]、肝毒性[3]、肾毒性[4]、神经毒性[5]以及致癌性[6][7]。因此，加强农药监测对于减轻农药残留带来的风险和保护公共健康至关重要。

传统的农药检测方法（如气相色谱法[8]、高效液相色谱法[9]和色谱-质谱联用法[10][11]）因其高准确性和灵敏度而被广泛使用。然而，这些方法依赖于复杂的仪器设备、繁琐的预处理过程以及受过培训的专业人员，不适合快速现场检测。随着公众对食品安全意识的提高，对于可现场部署且高效快速的农药筛查技术的需求也在不断增加。为此，研究人员开发了多种传感平台，包括比色[12]、荧光[13]和电化学[14]生物传感器，用于快速检测农药残留。

尽管取得了显著进展，但大多数现有的快速检测方法仍然存在局限性，通常只能针对单一农药或特定类别的农药。例如，酶抑制法虽然对有机磷和氨基甲酸酯类农药有效，却无法检测其他主要农药类别（如有机氯和拟除虫菊酯[15][16]）。此外，由于有机磷和氨基甲酸酯类农药都是通过酶抑制机制起作用的，因此难以区分它们，这在多残留分析中构成了重大挑战。鉴于多重检测需求的增加，基于传感阵列的方法作为一种有前景的替代方案应运而生，可以通过交叉反应机制同时区分多种农药。

传感阵列由多个传感元件组成，每个元件对不同分析物表现出不同的响应。不同的分析物在阵列中会产生特征性的响应模式，而同一分析物在不同传感器之间也可能产生不同的响应[17][18]。通过捕捉这些独特模式并进行多变量统计分析（如线性判别分析[LDA]和层次聚类分析[HCA]），可以实现多种分析物的同时区分。

金属有机框架（MOFs）是一类多孔晶体材料，由金属离子或簇与有机配体配位形成周期性网络结构[19]。由于可用的金属种类和有机配体种类繁多，MOFs的性质具有高度可调性，使其在催化[20]和传感[22]应用中得到广泛应用。

许多传感阵列使用不同的纳米材料来构建多通道检测系统[23]。然而，合成多种纳米材料会增加实验复杂性、延长制备时间并提高成本。相比之下，利用单一纳米材料的内在多响应特性可以开发出多功能传感阵列，简化实验设计并降低成本，同时保持高检测效率[24]。

基于这些原理，首次合成了一种具有多种酶模拟特性的新型Cu/Ce–MOF纳米酶。随后利用其内在的漆酶活性、氧化酶活性和过氧化物酶活性开发了一个传感阵列，以实现多种农药的同时区分（方案1）。结果表明，不同农药对Cu/Ce–MOF纳米酶的多酶模拟活性产生了不同的调节作用。通过分析这三种酶活性下的不同响应，生成了每种农药的特征指纹图谱。多变量统计分析（包括LDA和HCA）成功实现了多种农药的同时区分。进一步评估混合农药样品和抗干扰能力验证了该传感平台的稳健性。本研究不仅提供了一种设计多功能纳米酶的实用策略，还为农药残留监测建立了一种可靠的方法，为更有效的环境和食品安全监测系统奠定了基础。

化学试剂和仪器

2-甲基咪唑（2-MI）、3,3',5,5'-四甲基联苯胺（TMB）和2-吗啉乙磺酸一水合物（MES）购自上海麦克林生化科技有限公司（中国上海）。Ce(NO₃)₃·6H₂O和甲磺隆（MET）购自阿拉丁化学有限公司（中国上海，纯度98%）。2,4-二氯苯酚（2,4-DP）、4-氨基安替比林（4-AP）和氟磺隆（HAL）购自上海泰坦科技有限公司（中国上海，纯度96%）。草甘膦

Cu/Ce–MOFs的表征

双金属Cu/Ce–MOFs在室温下使用Cu²⁺和Ce³⁺作为金属源，2-MI作为有机配体合成。为了表征合成的双金属MOFs，采用了SEM和EDS技术分析材料的表面形态和元素组成。这种方法对于明确复合材料的合成过程和元素分布至关重要[31][32]。SEM图像显示Cu/Ce–MOFs（图1A）、Ce–MOFs（图1D）和Cu–MOFs（

结论

本研究基于新型Cu/Ce–MOF纳米酶构建了一个三通道传感阵列，能够同时区分六种农药（GLP、GLA、DIM、HAL、MAL和MET）。该方法利用单一纳米材料固有的漆酶活性、氧化酶活性和过氧化物酶活性作为指示指标。通过分析不同农药对这些酶样活性的不同影响，构建了特征指纹图谱。结合LDA和HCA分析，该传感阵列

环境影响

农药残留对生态系统和人类健康构成严重威胁。然而，多种农药的同时识别尚未得到足够的关注。本研究开发了一种新型传感阵列，用于多重农药的快速识别，实现了简单的环境监测。

作者贡献声明

熊颖：撰写 – 审稿与编辑，实验研究。刘晨曦：撰写 – 审稿与编辑，实验研究。黄颖：撰写 – 初稿撰写，实验研究。李旺：撰写 – 审稿与编辑，概念构思。文倩：撰写 – 审稿与编辑，实验研究。钟海燕：监督指导。任家丽：撰写 – 审稿与编辑，概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了湖南省科技创新计划（2025WK4010、2024JK2157和2024JK2158）的支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。