从简化预处理到灵敏分析：一种免固定阴极光电化学方法用于磺酰脲类除草剂残留及其累积检测

《ACS Omega》：From Simplified Pretreatment to Sensitive Analysis: An Immobilization-Free Cathodic Photoelectrochemical Assay for Sulfonylurea Herbicide Residue and Its Accumulation

　　

复杂基质中农业化学品的灵敏和选择性检测需要在不降低性能的前提下简化工作流程。通过结合光电化学（PEC）分析固有的高灵敏度和酶促识别的高选择性，研究人员开发了一种免固定PEC检测方法，用于磺酰脲类除草剂氯磺隆（Chs），省略了纯化步骤并简化了分析流程。具体而言，研究人员构建了BiOI纳米片（NFs）/NiO异质结作为传感平台，在溶解氧（O₂）存在下产生强且稳定的阴极光电流。乙酰乳酸合酶（ALS）的催化反应消耗O₂，猝灭光电流响应。相反，当加入模型目标Chs（一种代表性的磺酰脲类除草剂和ALS的有效抑制剂）时，信号得以恢复。通过监测酶促反应前后的光电流变化，Chs在0.25–100 μg/L的线性范围内被定量，检出限（LOD）为0.16 μg/L。该检测方法通过将酶直接加入电解质中，避免了繁琐的探针固定步骤，显著简化了检测方案。此外，通过省略传统的纯化程序，整个工作流程得到进一步优化。该方法成功应用于检测小麦粉中的Chs残留以及评估其在小麦幼苗中的累积，其准确性和可靠性通过高效液相色谱（HPLC）验证。这项工作实现了高灵敏且免固定的Chs PEC分析，并为选定农业样品中磺酰脲类除草剂的检测提供了一种可行方法，具有简化的预处理过程和增强的分析效率。

论文解读

一、研究背景与问题
磺酰脲类除草剂（如氯磺隆Chs）因高效、低用量在全球广泛应用，但其高水溶性和极性导致环境残留持久，对非靶标生物（藻类、鱼类、哺乳动物）产生毒性，且土壤残留会危害后茬作物。现有检测方法（HPLC、LC-MS、酶联免疫等）需昂贵仪器、复杂前处理且灵敏度受限。光电化学（PEC）分析虽具高灵敏、低成本优势，但传统PEC传感器依赖探针（适配体、酶等）固定于电极，过程繁琐、重复性差且降低通量。此外，实际样品前处理中的纯化步骤耗时耗力。因此，亟需开发一种免固定、简化前处理的PEC方法，实现磺酰脲类除草剂残留的灵敏检测。

二、研究内容与结论
研究人员构建了基于BiOI NFs/NiO异质结的阴极PEC传感平台，利用ALS酶促耗氧及Chs对ALS的抑制作用，建立了免固定检测方法。该法无需探针固定，直接向电解液中加入酶，并省略传统纯化步骤，成功检测小麦粉和小麦幼苗中Chs残留及累积，线性范围0.25–100 μg/L，LOD达0.16 μg/L，经HPLC验证准确可靠。该工作实现了高灵敏、免固定的Chs分析，为磺酰脲类除草剂快速检测提供了可行方案，相关成果发表在《ACS Omega》。

三、关键技术方法
1. **材料制备**：通过水热法在FTO导电玻璃上合成NiO纳米片，再经BiI₃溶液浸泡及沸水处理制备BiOI NFs/NiO异质结。
2. **PEC检测体系**：以BiOI NFs/NiO为工作电极、Pt丝为对电极、Ag/AgCl为参比电极，在0 V偏压下、PBS（pH 7.4）电解液中记录410 nm光照下的阴极光电流。利用ALS催化底物丙酮酸钠（SP）耗氧导致光电流下降，而Chs抑制ALS活性使光电流恢复，定量分析Chs。
3. **实际样品处理**：小麦粉经乙腈提取后直接稀释100倍（省略纯化）进行PEC检测；小麦幼苗以二氯甲烷提取后稀释100倍。小麦幼苗累积实验在含不同浓度Chs的土壤中培养14天后取样测定。

四、研究结果
**3.1 BiOI NFs/NiO电极的结构表征**
通过SEM、TEM、XRD、XPS、接触角测量确认：NiO呈多孔纳米片结构，BiOI NFs均匀覆盖形成异质结，BiOI（110）晶面间距0.284 nm；XRD显示BiOI特征峰，NiO峰消失因X射线穿透限制；XPS证实Bi和I元素存在，O 1s谱峰位变化验证异质结形成；接触角测试表明BiOI NFs/NiO电极具有中等亲水性，利于电解液渗透。

**3.2 BiOI NFs/NiO电极的PEC表征**
UV-vis DRS表明BiOI NFs/NiO在可见光区（400–600 nm）吸收显著增强，带隙由NiO的3.60 eV降至1.97 eV。PEC测试显示：BiOI NFs/NiO阴极光电流（1.21 μA）为纯NiO（0.08 μA）的15倍，归因于窄带隙BiOI与NiO形成II型异质结促进电荷分离。EIS表明复合电极电荷转移电阻降低。脱氧实验显示N₂鼓泡40 min后光电流下降86%，证明溶解O₂是维持阴极光电流的关键电子受体。

**3.3 ALS和Chs浓度的检测**
ALS催化SP与O₂反应生成过乙酸，消耗O₂导致光电流下降80%；加入Chs后，ALS活性受抑，光电流恢复。对照实验确认光电流变化仅源于酶促耗氧。ALS活性在1.25–1250 IU/L范围内与光电流变化率呈线性（R²=0.997），选定1250 IU/L为最适活性。Chs浓度在0.25–100 μg/L范围内与光电流变化率对数呈线性（R²=0.998），LOD为0.16 μg/L，RSD为1.4%。选择性实验表明，仅磺酰脲类除草剂（如甲磺隆、磺磺隆等）能显著恢复光电流，且Chs响应最强。

**3.4 实际样品中Chs的检测**
小麦粉加标实验：经纯化后PEC检测，0.05、0.1、1 mg/kg加标回收率93.4%–102%，RSD 4.49%–8.72%，与HPLC一致。省略纯化步骤后，PEC对低浓度（0.25–10 μg/kg）仍获得97.1%–100%回收率，RSD 3.66%–6.14%。小麦幼苗加标回收率89.2%–100%，RSD 2.30%–7.15%。累积实验显示，随土壤Chs浓度（0.05–0.4 mg/kg）增加，幼苗中Chs累积量从0.017升至0.17 mg/kg，与HPLC结果吻合，且幼苗叶片长度、干重、叶绿素含量均下降，证实Chs抑制生长与光合作用。

五、讨论与结论
讨论部分指出：该方法通过免固定策略和简化前处理，实现了高灵敏度、高通量检测，且适用于复杂基质（小麦粉、幼苗）。选择性实验证明其可作为ALS抑制型除草剂的类特异性筛选工具，同时Chs因与ALS结合亲和力最强而呈现最高响应。与HPLC对比，PEC法在低浓度下仍有良好准确性与重现性，且LOD（0.16 μg/L）优于国标方法（HPLC的0.02 mg/kg及LC-MS的0.005 mg/kg）。累积实验揭示了Chs在小麦中的生物富集效应，强调了残留监测的必要性。结论部分翻译：本研究开发了一种灵敏、免固定的PEC检测方法，用于Chs检测，具有简化预处理和直接操作流程。传感平台基于BiOI NFs/NiO异质结，其阴极光电流与溶解O₂浓度成正比。ALS催化耗氧反应降低光电流，Chs抑制ALS活性恢复信号。在0.25–100 μg/L范围内定量Chs，LOD为0.16 μg/L。该方法通过直接将酶加入电解液免除了固定步骤，并省略传统纯化程序。成功应用于小麦粉中Chs残留及幼苗中残留和累积检测，结果经HPLC验证。该工作实现了高灵敏、免固定的Chs PEC分析，为选定农业样品中磺酰脲类除草剂检测提供了可行方案。