碳点与层状双氢氧化物分子印迹聚合物基荧光传感器用于高灵敏度检测腈菌唑

《Results in Chemistry》：Carbon dots and layered double hydroxide molecularly imprinted polymer-based fluorescence sensor for high sensitivity detection of myclobutanil

　　

三唑类杀菌剂是含1,2,4-三唑环的含氮杂环化合物，具有高效、广谱和长残留活性等特点。腈菌唑（myclobutanil, MYC）是一种典型的三唑类杀菌剂，通过抑制麦角甾醇生物合成而发挥作用，广泛用于防治小麦生长过程中的常见病害。然而，过量或长期摄入MYC残留可能对人体健康造成潜在危害，因为MYC无法被人体有效代谢。因此，建立一种灵敏且选择性的分析方法用于检测小麦中MYC残留具有重要意义。在本研究中，研究人员开发了一种新型荧光传感平台，通过将硅烷功能化碳点（carbon dots, CDs）整合到基于层状双氢氧化物（layered double hydroxides, LDHs）的分子印迹聚合物（molecularly imprinted polymers, MIPs）中，用于MYC的特异性识别和定量检测。采用简便的溶胶-凝胶策略，以MYC为模板分子、3-氨丙基三乙氧基硅烷（APTES）为功能单体、正硅酸四乙酯（TEOS）为交联剂、氨水为催化剂，制备了CDs@LDHs MIP探针。以高荧光CDs作为信号报告分子，该探针通过内滤效应（inner filter effect, IFE）实现了灵敏的荧光响应。得益于分子印迹识别层，CDs@LDHs MIP对MYC表现出优异的选择性和强结合亲和力，以及在复杂基质中令人满意的抗干扰能力。通过结合CDs的优良荧光特性和LDHs的结构优势，所提出的传感器显示出低检测限（9.09 × 10^?3 μg/mL）和宽线性范围（0–0.12 μg·mL^?1）。此外，该传感平台成功应用于实际小麦样品中MYC的测定，结果与高效液相色谱（HPLC）法一致，证明了其高准确性和实际应用潜力。

论文解读

三唑类杀菌剂（triazole fungicides）如腈菌唑（myclobutanil, MYC）在农业中广泛用于防治小麦病害，但其残留可通过食物链进入人体，因无法被有效代谢而对健康构成潜在危害。现有检测方法如高效液相色谱（HPLC）、超高效液相色谱-串联质谱（UHPLC-MS/MS）等虽灵敏度高，但存在操作繁琐、检测周期长、仪器昂贵等局限。因此，开发一种简单、快速、高灵敏且高特异性的传感平台对于MYC的现场检测具有重要意义。本研究将碳点（carbon dots, CDs）、层状双氢氧化物（layered double hydroxides, LDHs）与分子印迹技术（molecular imprinting technology, MIT）相结合，构建了一种新型荧光传感器，用于MYC的高灵敏度检测。该传感器通过内滤效应（inner filter effect, IFE）实现信号转换，兼具CDs的优异荧光特性和LDHs的大比表面积与可调结构，以及分子印迹聚合物（MIP）的特异性识别能力。实验结果表明，该传感器检测限低至9.09×10^?3 μg/mL，线性范围0–0.12 μg·mL^?1，在小麦实际样品中回收率93.6%–99.7%，与HPLC结果一致，验证了其高准确性和实用潜力。该研究为复杂食品基质中农药残留的快速检测提供了新策略，论文发表在《Results in Chemistry》。

研究人员采用的主要关键技术方法包括：1）水热法合成硅烷功能化碳点（CDs），以柠檬酸为碳源、KH792为硅烷偶联剂；2）共沉淀法制备Mg/Fe-层状双氢氧化物（LDHs），以MgCl₂和FeCl₃为金属源，NaOH为碱源；3）溶胶-凝胶法合成CDs@LDHs分子印迹聚合物（MIP），以MYC为模板分子、3-氨丙基三乙氧基硅烷（APTES）为功能单体、正硅酸四乙酯（TEOS）为交联剂、氨水为催化剂，经甲醇-乙酸洗脱去除模板；4）荧光检测平台，激发波长355 nm，通过测量荧光猝灭强度（F₀/F）定量MYC；5）实际样品分析：小麦样品经乙醇提取、超声离心后取上清液进行检测，样本来源于实际小麦（未注明具体产地）。以上方法均基于文献报道的优化条件，省略了试剂配制和培养细节。

研究结果部分：

**3.1 碳点@层状双氢氧化物分子印迹聚合物（CDs@LDHs MIP）的表征**
通过荧光光谱、紫外-可见吸收光谱、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、扫描电子显微镜（SEM）、X射线光电子能谱（XPS）及热重分析（TGA）等手段，证实了CDs成功负载于LDHs表面，MIP中形成了MYC的特异性印迹位点，模板分子经洗脱后去除，材料具有良好热稳定性。

**3.2 碳点@层状双氢氧化物生物传感器的可行性**
荧光光谱显示，CDs@LDHs MIP在洗脱后荧光恢复至CDs水平，与MYC结合后荧光显著猝灭，表明传感器可通过荧光信号变化响应MYC，验证了其用于检测的可行性。

**3.3 实验条件优化**
系统优化了反应时间、pH值、温度、离子强度及缓冲液类型。结果表明：最佳反应时间为55 min，最优pH为8.0，最佳温度为25 °C，最优离子强度为0.05 M NaCl，最佳缓冲体系为磷酸盐缓冲液（PBS）。这些条件确保了传感器最高的荧光猝灭效率和特异性。

**3.4 使用所提出的传感器检测腈菌唑**
在最优条件下，CDs@LDHs MIP对MYC的荧光猝灭强度与浓度在0–0.012 μg/mL范围内呈线性关系，标准曲线为Y = 97.999× - 0.0225，相关系数R² = 0.9963，检测限（LOD）为9.09×10^?3 μg/mL。相比之下，非印迹聚合物（NIP）的响应明显更弱，证实了MIP的特异性。

**3.5 等温吸附实验**
通过吸附动力学曲线分析，CDs@LDHs MIP对MYC的吸附量随浓度增加而增大，在0.012 μg/mL时趋于饱和；而NIP因缺乏特异性位点，吸附量远低于MIP，表明MIP对MYC具有高亲和力和特异性识别能力。

**3.6 所提出的腈菌唑荧光传感器的分析性能**
重复性实验中6次独立测量的相对标准偏差（RSD）为0.5%–2.0%；稳定性实验（6小时内连续测量）RSD为0.6%–2.0%；长期储存稳定性（4周，4°C）荧光强度保持>90%，RSD<3.0%。批次间重复性良好（RSD<5%），选择性实验表明传感器对MYC的荧光猝灭率>80%，而对其他三唑类杀菌剂（如苯醚甲环唑、氟环唑、丙环唑）的猝灭率<15%，对小麦中常见共存物质（NaCl、KCl、CaCl₂、MgCl₂、淀粉）干扰可忽略。

**3.7 实际样品分析**
小麦样品经乙醇提取后，采用CDs@LDHs MIP传感器检测MYC，添加回收率为93.6%–99.7%，RSD为3.2%–3.6%，表明该方法在实际样品检测中准确可靠。

**3.8 与传统检测方法的性能比较**
与气相色谱法（GC）及超声提取-GC法相比，本研究建立的传感器线性范围更宽（0–0.3053 μg/g）、特异性更强，回收率（93.6%–99.7%）和RSD（3.23%）均优于或可比于传统方法，且检测时间更短。

**3.9 反应机理探索**
通过紫外-可见吸收光谱变化和温度依赖性Stern-Volmer分析，发现CDs@LDHs MIP与MYC的相互作用导致吸收光谱出现新峰（339 nm），且猝灭常数随温度升高而降低，证明猝灭机制为静态猝灭（static quenching），即MYC与MIP形成非荧光复合物。

**总结与结论**
本研究成功制备了CDs@LDHs分子印迹聚合物荧光传感器，用于腈菌唑（MYC）的高灵敏、高选择性检测。通过系统优化和表征，建立了标准曲线（Y = 97.999× - 0.0225，R² = 0.9963），检测限为9.09×10^?3 μg/mL，线性范围0–0.12 μg·mL^?1。实际小麦样品中回收率93.6%–99.7%，与HPLC结果一致。猝灭机理为静态猝灭。该研究开发了一种简单、有效、高灵敏、高选择性的新方法，对三唑类药物的分析检测与质量控制具有重要意义，未来可进一步优化选择性并构建通用检测方法。