基于铂纳米粒子修饰卟啉锆金属有机框架球体的马拉硫磷非酶比色检测方法

《Talanta》：Non-enzymatic colorimetric strategy for malathion detection based on Pt nanoparticles decorated porphyrin Zr metal-organic framework spheres

　　

摘要

食品和水中存在马拉硫磷残留物引发了公众的广泛担忧。在此，我们通过原位还原法制备了以PCN-224为载体的铂纳米酶，多孔卟啉骨架与铂位点共同促进电子转移，形成更多活性中心，从而显著提升了其模拟氧化酶的活性。所获得的PCN-224@Pt无需过氧化氢即可直接将无色的TMB氧化为蓝色的oxTMB，而马拉硫磷在纳米酶表面的特异性吸附会屏蔽活性位点，抑制催化反应。据此，我们构建了一种比色传感器，可在0.01至2.5微克/毫升的线性检测范围内灵敏检测马拉硫磷，最低检测限为6.62纳克/毫升。此外，该传感器在食品和水样中表现出较高的选择性和稳定性，回收率在90.1%至107.7%之间（相对标准偏差小于9.31%）。这一策略为构建用于直接检测马拉硫磷的纳米酶探针提供了新思路，适用于食品和水环境中的可视化分析。

引言

有机磷农药因其极高的杀虫效果而被广泛应用于现代农业，对于保障食品安全以及控制病虫害具有不可或缺的作用[1]、[2]。其中，马拉硫磷可用于防治果蝇和棉铃虫[3]。然而，不当使用有机磷农药会导致水果、蔬菜及水体中残留物日益严重，进而对人类健康构成威胁。世界卫生组织指出，每年约有15亿儿童因食用受污染的食物而患腹泻，导致超过300万人死亡[4]。流行病学研究证明，即使暴露于低浓度的马拉硫磷中，长期接触也可能引发多种疾病，如生殖系统紊乱、癌症及神经系统疾病[5]。美国食品药品监督管理局规定，食品中马拉硫磷的最大残留限量为8毫克/升[6]。因此，亟需开发快速且灵敏的分析方法来检测食品中的马拉硫磷残留，以保护公众健康。

目前，检测有机磷农药的主要方法是高效液相色谱法和气相色谱-质谱法等先进的仪器分析技术[7]、[8]。尽管这些方法准确度高、灵敏度好，但存在预处理步骤繁琐、操作耗时以及需要专业设备和人员等问题，难以用于现场快速筛查[9]。荧光法和电化学法也展现出极高的灵敏度和较低的检测限[10]、[11]、[12]，但体系pH值、温度以及共存的荧光杂质等因素会影响荧光信号的稳定性，而且高性能纳米材料修饰电极的制备过程较为复杂，难以保证不同批次产品的一致性。因此，开发更简单、更高效且灵敏度更高的检测方法仍是该领域的关键挑战。由于具备灵活性、可视化及便携性等优点，比色法已成为一种适合现场筛查的用户友好型低成本替代方案[13]、[14]、[15]。目前，大多数研究集中在检测能够抑制丁基胆碱酯酶、乙酰胆碱酯酶、胆碱氧化酶和过氧化物酶等天然酶活性的有机磷农药上[16]、[17]、[18]、[19]。不过，基于酶的方法不仅会增加检测成本和复杂性，还受反应体系pH值的限制[20]。近年来，具有类似酶的催化活性的纳米材料——纳米酶，因其易于大规模制备、稳定性高且催化活性可调控等优点，在生物传感领域受到了广泛关注[21]、[22]。此外，关于无需酶即可检测马拉硫磷的文献较少，这类方法通常用于检测其他农药[23]、[24]。如何设计具有高催化活性的纳米酶，从而建立无需酶的活性抑制策略来实现马拉硫磷的实时检测，仍是一个重要课题。

金属-配体配位复合物因其可调控的电子特性和明确的配位结构，在化学传感系统的开发中起着至关重要的作用[25]、[26]。在各类纳米酶中，PCN-224是一种由锆元素聚集体和四(4-羧基苯基)卟啉配体构成的稳定卟啉基金属有机框架，已在药物递送、癌症治疗、生物传感及催化等领域展现出广阔的应用前景[27]、[28]。通过在PCN-224表面负载其他物质，还可进一步提升其催化活性，这可能是因为PCN-224具有较大的表面积和多孔结构，且由于金属有机框架中含有锆元素，有助于在催化过程中实现反应物和中间体的高效传质[28]、[29]、[30]。例如，刘等人制备了表面负载PCN-224的铜-铈氧化物纳米颗粒，这类纳米颗粒具有多种模拟酶的功能，可精准检测抗坏血酸和谷胱甘肽的含量[28]。钯、铂和铱等贵金属纳米颗粒由于其丰富的活性位点，也展现出出色的多酶催化活性[31]、[32]、[33]。邹等人构建了PCN-224@IrNCs/D-Arg纳米平台，可用于重塑肿瘤微环境，实现乳腺癌的协同放射敏感化、光动力治疗及一氧化氮疗法[34]。张等人则利用PCN-224作为载体负载铂和葡萄糖氧化酶，再覆盖二氧化锰，以此增强癌症的化学动力学治疗效果[35]。研究表明，纳米酶的结构与其性能密切相关[36]、[37]。目前，关于将铂纳米颗粒固定在PCN-224上，构建用于直接检测马拉硫磷的比色传感平台的报道还十分少见。

基于以上考虑，我们采用简单的水热法合成了PCN-224纳米球，随后通过氧化还原反应在其表面负载铂纳米颗粒。所得的PCN-224@Pt纳米酶因铂纳米颗粒与PCN-224的协同作用而表现出增强的类氧化酶活性，无需过氧化氢即可高效催化3,3',5,5'-四甲基联苯胺的氧化反应。由于PCN-224@Pt纳米酶具有优异的类氧化酶活性，且能与马拉硫磷发生特异性结合，因此所构建的比色传感器对马拉硫磷具有很高的检测灵敏度。此外，该方法在检测水果、蔬菜、冻干食品及水样中的马拉硫磷含量方面也表现出了良好的效果，为快速、直观地检测食品和水样中的马拉硫磷残留提供了一种可行的解决方案。

章节节选

PCN-224与PCN-224@Pt的合成

PCN-224的合成采用了先前报道的方法，并进行了一些微调[38]。简而言之，将22毫克的间体四(4-羧基苯基)卟啉与20.4毫克的八水合氧化锆溶解在16毫升的N,N-二甲基甲酰胺中，然后向其中加入1毫升冰醋酸，再将混合液放入内衬特氟龙的不锈钢高压反应釜中，在130摄氏度下加热10小时，最终得到目标产物。

PCN-224@Pt的特性分析

如图1A所示，PCN-224@Pt纳米酶是通过两步法制备的，首先通过氧化锆与四(4-羧基苯基)卟啉的聚合反应制备出PCN-224。扫描电子显微镜和透射电子显微镜图像显示，所得PCN-224表面较为粗糙，呈均匀的球形，平均粒径约为120纳米。经过原位还原反应后，其形态和尺寸发生了变化。

结论

在本研究中，我们通过简单的原位还原法成功制备出了具有优异类氧化酶活性的PCN-224@Pt纳米酶，进而构建了一种用于直接定量检测马拉硫磷的比色传感器。我们系统研究了铂负载量对催化性能的影响，并对其相应的物理化学性质进行了全面分析。得益于铂纳米颗粒的负载以及PCN-224本身的多孔结构，该传感器具备了良好的检测性能。

CRediT作者贡献说明

陈晓军：论文撰写——审阅与编辑，项目管理。葛丹华：论文撰写——初稿撰写，项目管理，概念构思。王万珠：结果验证。李魁志：结果验证，数据整理。张庆：方法设计，实验研究，统计分析。

利益冲突声明

作者声明不存在任何利益冲突。

利益冲突声明

?作者声明不存在任何可能影响本文研究的已知财务利益关系或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家重点研发计划青年科学家项目（编号：2024YFC3214300）以及南京工业大学的“优秀工程师培养计划”（编号：ZYXM202406）的资助。

张庆|李魁志|王万珠|葛丹华|陈晓军

中国江苏省南京市南京工业大学化学与分子工程学院，智能医疗传感材料与器件江苏省重点实验室，邮编：211800