利用普拉利多胺（Pralidoxime）进行探针修饰的溶液门控石墨烯场效应晶体管，用于无需酶辅助的有机磷农药检测

《Microchemical Journal》：Pralidoxime-probed solution-gated graphene field-effect transistors for enzyme-free organophosphorus pesticide detection

基于溶液门石墨场效应晶体管与石墨-MXene-二氧化铈纳米复合材料的有机磷农药高灵敏度检测方法，通过普拉洛西姆分子探针实现酶自由检测，检测限低至0.24 pM，线性范围1×10-12至1×10-7 M。

　　

马胜楠|王海瑞|徐娜|吴建峰|张雪琳|常丽敏|徐占林|谢建伟

教育部环境保护材料制备与应用重点实验室，吉林师范大学化学学院，中国长春130103

摘要

传统的有机磷农药（OPs）电化学检测方法主要依赖于基于乙酰胆碱酯酶的传感策略，但这些方法通常存在操作稳定性差和灵敏度有限的问题。本文提出了一种全新的无酶传感机制，该机制基于带有石墨烯-MXene-二氧化铈（Gr-M-Ce）纳米复合层的溶液门控石墨烯场效应晶体管（SGGT），通过分子门控机制实现了对OPs的超灵敏和宽谱检测。在该平台上，使用吡拉西啶（PAM）作为广谱分子探针，它能够与OPs中常见的磷酸酯基团发生反应。当暴露于OPs时，PAM迅速被磷酸化形成电化学惰性衍生物（PAM-OPs），该衍生物吸附在Gr-M-Ce表面并选择性抑制其对PAM的氧化催化作用。这种化学转化-催化抑制级联效应导致SGGT的栅源路径发生有效的门控调制，这种调制被设备转换并放大，从而产生明显的源漏电流（I_DS）变化。因此，该传感器在1×10^-12至1×10^-7 M的宽线性范围内实现了超高灵敏度，检测限低至0.24 pM。更重要的是，这项工作建立了一种通用的分子门控策略，将溶液相化学识别与基于晶体管的信号放大集成在一起，为构建高性能无酶传感器提供了新的设计原理。

引言

农药在现代农业中被广泛用于控制害虫和提高作物产量[1]。然而，过度使用农药可能导致神经毒性、内分泌紊乱甚至增加致癌风险[2]。其中，有机磷农药（OPs）由于其高毒性和快速扩散性而特别值得关注。急性接触OPs会通过激活免疫细胞引发炎症反应，对多个器官和组织造成广泛损害[3]、[4]。因此，开发高灵敏度和低检测限的OPs监测方法对于确保食品安全至关重要。

传统的色谱技术，如气相色谱（GC）[5]、[6]、液相色谱-质谱（LC-MS）[7]、[8]、气相色谱-质谱（GC-MS）[9]、[10]和高效液相色谱-质谱（HPLC-MS）[11]、[12]，虽然能够提供可靠的分析结果，但存在样品预处理复杂、操作耗时和仪器成本高的问题。相比之下，电化学传感器具有简单、响应迅速和高灵敏度的优势，适用于现场农药检测。基于酶的电化学传感器通过抑制乙酰胆碱酯酶活性来定量OPs，已得到广泛研究[13]、[14]。然而，酶的固有不稳定性和易失活性，以及传统电化学平台的灵敏度有限，严重限制了它们的实际应用。因此，基于先进转换架构的无酶电化学传感器的开发具有重要意义。

溶液门控石墨烯场效应晶体管（SGGT）作为一种多功能电化学传感平台，最近受到了广泛关注[15]、[16]、[17]、[18]、[19]。通过结合电化学传感器的优势和场效应晶体管的固有信号放大功能，SGGT对界面电荷扰动表现出极高的灵敏度。单层石墨烯通道具有高载流子迁移率和完全暴露的碳晶格，使其对局部静电变化具有超高的响应性，特别适合生化检测[20]、[21]、[22]、[23]。因此，在SGGT的栅极区域加入无酶的选择性识别模块是开发高性能OPs农药传感器的合理策略。吡拉西啶（PAM）是一种常用的OPs中毒解毒剂，它能与OPs化合物发生反应并在反应后失去电化学活性[24]、[25]。这一独特性质使PAM能够作为定量检测OPs的示踪底物。通过将这种特定反应与SGGT的栅极调制相结合，可以实现一种基于肟的无酶传感策略。

本文介绍了一种基于PAM的SGGT传感器，用于OPs的电化学检测。栅极电极经过石墨烯-MXene-二氧化铈（Gr-M-Ce）三元纳米复合层的功能化处理，这种复合层协同结合了石墨烯的高导电性、MXene的强金属离子亲和性和CeO₂的固有催化活性。该混合电极不仅能有效催化PAM的电化学氧化，还能吸附与其与OPs反应生成的最终产物。这些具有高电化学稳定性的吸附物质部分占据了复合表面的催化位点，从而为OPs检测提供了直接且可量化的信号。以氯吡硫磷作为模型分析物，开发的SGGT传感器在1×10^-12至1×10^-7 M的范围内表现出宽线性响应，检测限低至0.24 pM，并具有高稳定性、选择性和重复性。这项工作成功展示了一种新型无酶传感机制，有效结合了分子探针驱动的信号转换和SGGT技术的固有信号放大功能。

材料与装置

化学试剂和表征技术的详细步骤见补充信息。

二氧化铈（CeO₂的合成

二氧化铈（CeO₂是通过水热法合成的[26]。简要来说，0.434克Ce(NO₃)₃·6H₂O和4.8克NaOH分别溶解在5毫升和35毫升的超纯水中。完全溶解后，将两种溶液混合并搅拌30分钟。然后将混合物转移到聚四氟乙烯内衬的高压釜中，在100°C下加热24小时。

材料表征

合成的CeO₂、MXene、M-Ce和Gr-M-Ce的形貌通过扫描电子显微镜（SEM）进行了观察。如图1a所示，CeO₂呈现出明确的一维棒状形态，这是由于水热合成过程中晶体定向生长所致。图1b揭示了MXene的手风琴状层状结构，由堆叠和部分剥离的纳米片组成。在复合材料合成过程中，CeO₂纳米棒与MXene之间存在强烈的界面相互作用

结论

我们开发了一种基于带有Gr-M-Ce纳米复合层的SGGT的高灵敏度OPs检测平台。通过使用PAM作为特异性分子识别探针，该传感器实现了无酶检测OPs的功能。三元Gr-M-Ce复合体对PAM氧化表现出优异的电催化活性，这得益于其各组分之间的协同作用。检测机制依赖于OPs与PAM之间的快速反应，生成电化学惰性的PAM-OPs

CRediT作者贡献声明

马胜楠：撰写——初稿、验证、实验研究。王海瑞：撰写——审稿与编辑、项目管理、概念构思。徐娜：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、实验研究。吴建峰：方法学研究。张雪琳：方法学研究、数据管理。常丽敏：指导。徐占林：资源获取、方法学研究、资金申请。谢建伟：指导。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究工作。

致谢

本工作得到了吉林省科技发展计划（YDZJ202401097ZYTS）和国家自然科学基金（青年项目：52202238）的财政支持。