一种基于分子印迹技术的荧光传感方法，用于检测氨基草甘膦

《Microchemical Journal》：A molecularly imprinted fluorescence strategy for sensing Glufosinate ammonium

基于分子印迹聚合物的双荧光探针快速检测技术及其在草莓样品中的应用研究。摘要：构建了CdTe量子点包覆二氧化硅（MIP-CdTe QDs@SiO?）和乙烯膦酸修饰石墨量子点（MIP-GQDs@VPA）两种新型荧光传感器，利用表面分子印迹技术实现GLA的高选择性富集和快速检测（5分钟响应），检测限分别达到0.0090 mg L?1和0.010 mg L?1，7次循环后性能稳定，草莓样品检测回收率95.5%-103.4%。

　　

王文彦|易贵|夏琦|肖立琼|王德凯|王斌|秦海娇|郭亚萍|谢连武

中国中南林业科技大学化学与化学工程学院木质油资源利用国家重点实验室，长沙410004

摘要

为了解决在复杂基质中快速且高灵敏度检测草甘膦铵（GLA）的挑战，本研究基于硅芯分子印迹聚合物（MIP）构建了两种新型荧光传感器。这些传感器通过将MIP层包裹在SiO₂纳米颗粒上来实现，SiO₂纳米颗粒作为选择性“分子门”，用于特异性识别和富集GLA。利用两种互补的荧光探针——包裹在SiO₂外的碲化镉量子点（CdTe QDs@SiO₂，基于增强效应）和 vinylphosphonic 酸功能化的石墨烯量子点（GQDs@VPA，基于猝灭效应）——我们实现了目标分析物的灵敏定量。这种双信号策略通过为单一分析物生成两个独立的读数，提供了内置的自验证机制，从而显著提高了检测可靠性。所提出的传感器表现出优异的性能参数，包括5分钟的快速响应时间和0.0090 mg L^?1和0.010 mg L^?1的检测限（分别针对CdTe QDs@SiO₂和GQDs@VPA）。MIP对结构类似物具有优异的选择性，并且具有良好的重复使用性（7次循环）。当应用于草莓样品时，传感器的回收率与HPLC相当，达到95.5%–103.4%。本工作开发的稳健检测平台为食品安全和环境监测领域提供了一种新型、高效且可靠的精确检测策略。

引言

根据化学结构，农药主要分为四大类：有机磷类、氨基甲酸酯类、有机氯类和拟除虫菊酯类。有机磷类占全球农药市场的40%以上，是最广泛使用的类别[1]。草甘膦铵（GLA）是全球第二大除草剂，是一种广谱有机磷类除草剂，具有高水溶性和光稳定性，其在土壤中的半衰期小于10天[2]。尽管它被认为是一种环保产品，但过量使用会导致作物中残留的GLA和有毒代谢物（如N-乙酰草甘膦），对人类造成神经毒性和有机毒性风险。关于GLA，中国的食品安全标准GB2763–2016规定番茄、柑橘和茶叶的最大残留限量为0.5 mg kg^?1，香蕉和木瓜为0.2 mg kg^?1，而食品法典委员会的指导标准范围为0.02至8 mg kg^?1[3]。这些监管限值强调了可靠检测方法的必要性。

近年来，已经成功开发了多种GLA残留检测分析技术，包括超高性能液相色谱-三重四极杆质谱联用（UPLC-MS/MS），其检测限（LOD）为0.12 μg L^?1[4]；无需衍生化的离子色谱-串联质谱（IC-MS/MS），LOD为0.027 μg L^?1[5]；超声辅助衍生化后结合高效液相色谱（HPLC），LOD为1 μg L^?1[6]；以及HPLC-串联质谱联用（HPLC-MS/MS），LOD为0.8 μg L^?1[7]。虽然这些方法具有高灵敏度和准确性，但通常成本较高、技术复杂且耗时较长[8]，难以满足快速检测的需求。因此，开发简单、快速且灵敏的替代检测技术具有重要意义。

荧光光谱法的吸引力在于其操作简便、响应迅速和成本较低[9]。在荧光探针中，量子点（QDs）因其可调发射光谱、高光稳定性和易于合成等独特优势而成为理想候选者[10][11]。QDs合成中使用的关键材料包括基于镉的化合物[12][13][14][15][16]（如CdS和CdSe）和基于碳的纳米材料[17]（如碳点）。值得注意的是，碲化镉量子点（CdTe QDs）具有狭窄的体带隙（1.5 eV）、较大的激发玻尔半径（7.3 nm）以及显著的量子尺寸效应，能够实现从绿色到红色波长的尺寸依赖性发射调节[18]。碳点的一个子集——石墨烯量子点（GQDs）在量子纳米材料领域取得了重大突破。GQDs保留了石墨烯的层状结构，但横向尺寸减小，并富含表面羧基和羟基，使其非常适合表面功能化、细胞成像[19]和环境监测[20][21]。

为了提高检测选择性，将荧光探针与分子印迹技术结合已成为一个重要的研究方向。分子印迹聚合物（MIPs）是一种合成工程材料，其内部结构模仿目标分子的几何形状和功能基团，从而能够在复杂基质中实现高度选择性的吸附[22]。许多研究集中在将高性能荧光探针（如碳点[23]、CdTe QDs[24]和ZnS QDs[25]）嵌入MIPs中。然而，荧光纳米材料在聚合和模板去除过程中常常会发生显著的荧光猝灭，导致检测灵敏度大幅降低。

为了解决这些挑战，本研究提出了一种创新的“分离”富集-检测策略：使用表面印迹的MIPs作为独立的、高度选择性的富集单元，与荧光QD探针在空间和功能上分离。这种设计有三个关键优势：1）完全避免了聚合过程对荧光信号的干扰，确保了检测灵敏度；2）充分利用了MIPs对GLA的特异性识别能力；3）通过采用表面印迹技术，克服了传统MIPs的局限性（如质量传递缓慢和模板去除困难），显著提高了原子经济性，并符合绿色合成的原则[27][28][29]。

具体而言，本研究利用具有优异生物相容性和易于功能化的SiO₂纳米颗粒作为载体，制备了对GLA具有高选择性的表面印迹聚合物微球（MIPs）。基于此，构建了两种互补的荧光传感检测系统：基于碲化镉（CdTe）量子点包裹在二氧化硅上的分子印迹聚合物微球核壳结构（MIP-CdTe QDs@SiO₂）系统和基于vinylphosphonic 酸修饰的石墨烯量子点的分子印迹聚合物微球（MIP-GQDs@VPA）系统，用于GLA的特异性富集和快速、高灵敏度检测。

在检测过程中，GLA首先被MIPs特异性吸附和富集。洗脱后，使用基于荧光增强和猝灭响应的两种互补荧光探针进行检测——分别为CdTe QDs@SiO₂和GQDs@VPA。与其他分析方法相比，所开发的GLA检测方法（MIP-CdTe QD@SiO₂和MIP-GQDs@VPA，图1）保持了高选择性和灵敏度，同时在操作简便性、分析速度和成本方面具有优势。因此，本研究为GLA的快速分析建立了一种实用可行的方法。

部分摘录

化学品

乙醇、氨水溶液（NH₃·H₂O）、正硅酸四乙酯（TEOS）、偶氮异丁腈（AIBN）、vinylphosphonic 酸（VPA）、无水柠檬酸、乙腈、醋酸和氢氧化钠（NaOH）由上海药用化学试剂有限公司提供。3-(异丁基丙烯酰氧)丙基三乙氧基硅烷（MPS）、丙烯酰胺（AM）、N,N'-亚甲基双丙烯酰胺（MBA）、碲粉、氯化镉（CdCl₂、硼氢化钠（NaBH₄）、盐酸（HCl）等。

MIP的合成与表征

表面分子印迹聚合是一种利用纳米颗粒（如SiO₂）作为载体来合成MIPs的技术。在这种方法中，分子识别位点分布在材料表面，有效解决了传统印迹聚合物的问题，如模板分子洗脱困难和质量传递速率慢[23]。在本研究中，SiO₂通过MPS进行了修饰。

结论

总之，通过整合CdTe QDs@SiO₂、GQDs@VPA和分子印迹聚合物（MIPs），开发了两种高精度和选择性的荧光传感系统，用于GLA的痕量分析。首先，使用SiO₂作为载体、AM作为功能单体、AIBN作为引发剂和MBA作为交联剂，合成了对GLA具有特异性识别的表面分子印迹聚合物（MIP）。吸附性能研究表明，该MIP表现出优异的性能

CRediT作者贡献声明

王文彦：撰写——原始草稿、验证、正式分析、方法学。易贵：撰写——原始草稿、正式分析。夏琦：撰写——原始草稿、概念构思。肖立琼：撰写——原始草稿、数据整理。王德凯：撰写——原始草稿、数据整理。王斌：研究、撰写——审阅与编辑。秦海娇：概念构思、撰写——审阅与编辑。郭亚萍：正式分析、撰写——审阅与编辑。谢连武：撰写——审阅与

未引用的参考文献

[3]

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者感谢木质油资源利用国家重点实验室、湖南省自然科学基金（2024JJ8079, 2024JJ8257）以及中南林业科技大学“科鸣食品”研究生科技创新基金（2024KMCX019）的财政支持。