基于生物质衍生多孔碳/超分子识别界面的分步电化学信号放大用于甲基对硫磷的灵敏测定

《Microchemical Journal》：A biomass-derived porous carbon/supramolecular recognition interface for stepwise electrochemical signal amplification toward sensitive determination of methyl parathion

　　

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  将咖啡渣生物炭与MEDβCD整合用于MP的传感检测。
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  MEDβCD/PAC/GCE在0.09–15 μM范围内检测MP，检出限低至31.57 nM。
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  PAC与MEDβCD实现了导电性与识别功能的协同效应。
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  从机理上验证了MEDβCD与MP之间的主客体结合。
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  该传感器在苹果汁和梨汁中的回收率为96–106%。

引言

农药在现代农业生产中发挥着不可或缺的作用，能够保护作物免受害虫和疾病的侵害，并提高农业产量[1], [2]。然而，农药的不当或过量使用导致农产品中残留农药，对全球食品安全和公众健康构成重大威胁[3], [4]。其中，对硫磷（MP）是一种高毒性的有机磷农药，通过不可逆地抑制乙酰胆碱酯酶活性而表现出严重的神经毒性，从而对神经系统造成不可逆损伤[5], [6]。由于对硫磷具有极高的急性毒性，其口服半数致死量（LD₅₀）仅为3.0 μg kg^-1[7]，因此全球大多数国家已限制或禁止使用对硫磷。尽管如此，由于其成本低廉、杀虫效果优异，仍存在一些非法或不当使用的情况，给食品安全监测和监管执法带来了持续挑战。因此，开发高性能电化学传感平台，实现对MP的快速、准确和现场检测，对于推进食品安全监测和电化学分析技术发展具有重要意义。

近年来，针对有机磷农药残留（如对硫磷）的测定，已开发出多种分析方法，包括毛细管电泳[8]、气相色谱-质谱联用[9]、液相色谱-质谱联用[10]和高效液相色谱[11]。这些技术具有优异的精密度和灵敏度，能够实现可靠的痕量分析，因此已成为农药残留测定的成熟方法。然而，大多数方法依赖精密仪器，涉及繁琐的样品前处理步骤，且分析时间较长，这些局限在很大程度上制约了其在快速现场检测、实时分析以及大规模食品安全筛查中的应用[12], [13], [14]。为满足对快速、便携和智能分析技术日益增长的需求，电化学传感凭借其固有的优势——响应速度快、仪器简单、成本低廉、易于微型化以及与现场和实时监测的兼容性——作为一种有前景的替代方案脱颖而出[15], [16], [17]。特别是，过去五年间纳米材料、功能聚合物和超分子识别材料的最新进展，大幅提升了电化学传感平台的分析性能，在农药、抗生素、重金属离子及其他环境污染物的痕量测定中展现出广阔的应用前景。

电极界面材料是电化学传感器的关键组成部分，在调控电子转移动力学、目标分析物富集以及整体传感性能方面起着决定性作用。近年来，大量研究致力于开发功能性电极材料，包括石墨烯[18]、还原氧化石墨烯[19]、碳纳米管[20]、碳纳米纤维[21]和金属纳米粒子[22]。尽管这些材料具有优异的电化学性能，但大多数材料需要复杂的制备工艺或昂贵的原料，这在一定程度上限制了其实用化应用。在此背景下，生物质来源的多孔碳材料因其资源丰富、成本低廉且孔隙结构发达等优势，作为有前景的电极材料受到越来越多的关注[23]。各种天然生物质资源，包括核桃壳[24]、蒲公英冠毛[25]、刺五加[26]、柑橘皮[27]和大豆秸秆[28]，以及农业和食品加工废弃物，已被用作碳原料，通过热解和活化策略制备高比表面积多孔碳。这些材料已成功应用于多种电化学传感平台，展示了低成本生物质来源多孔碳在传感器制备方面的巨大潜力。与传统的碳纳米材料相比，生物质来源的多孔碳不仅具有优异的电导率和丰富的电活性位点，而且通过可再生生物质资源的增值利用符合绿色分析化学的原则[29]。因此，它们为高性能电化学传感平台的开发提供了一条可持续且具有成本效益的途径。然而，这些碳材料在电极表面的不均匀分散往往导致结构稳定性不足和制备重现性有限，从而阻碍了其实际应用[30]。

除功能性碳材料外，超分子识别材料，特别是环糊精（CD）衍生物，因其独特的主体-客体包合能力而备受关注，为提高电化学传感系统中的分子识别和目标富集提供了有效策略[31], [32], [33]。然而，在大多数已报道的研究中，CD通过简单的物理吸附或直接与导电材料混合的方式引入电极表面[34], [35]。这些固定策略通常存在界面稳定性差和有效识别位点暴露不足的问题，从而限制了CD超分子识别能力的充分发挥。更重要的是，大多数现有的基于CD的电化学传感平台依赖单一界面功能来完成分析物富集和信号转导。通过协同效应，合理设计能够整合目标富集、加速电子转移和逐步电化学信号放大的多功能传感界面，目前仍是一个亟待深入探索的领域。

本研究通过在玻璃碳电极上依次修饰由咖啡渣衍生多孔活性炭（PAC）和电化学聚合氨基-β-环糊精（MEDβCD），构建了多功能复合传感界面，实现了对对硫磷（MP）电化学响应的逐步放大（Scheme 1）。由于PAC具有高电导率和发达的孔隙结构，有利于界面电子转移并为目标富集提供丰富的吸附位点，从而实现第一阶段信号增强。随后，电聚合的MEDβCD层不仅改善了多孔碳的分散性和界面稳定性，还引入了丰富的主体-客体识别位点，选择性地富集电极表面的MP，从而产生第二阶段信号放大。本研究将低成本生物质来源多孔碳与超分子材料相结合，为高灵敏、环保型电化学传感器的开发提供了一种新途径，同时也为复杂食品基质中有机磷污染物痕量水平的快速准确检测提供了一种可靠方法。

章节摘要

材料与方法

磷酸（H₃PO₄）和单-(6-乙二胺-6-脱氧)-β-环糊精（MEDβCD；相应的¹H NMR、¹³C NMR、MS和HPLC谱图见支持信息Figs. S1–S4）购自安徽泽胜科技有限公司。磷酸氢二钠（Na₂HPO₄）、磷酸二氢钠（NaH₂PO₄）、乙醇（C₂H₆O）和氯化钾（KCl）购自上海阿拉丁生化科技有限公司。对硫磷（MP）由LGC提供。

材料表征

通过视觉观察，AC和改性产物PAC均呈黑色固体粉末状，而扫描电子显微镜（SEM）揭示了两者在微观结构上的明显差异。经磷酸活化后，所得PAC明显表现出多孔结构。这主要是因为H₃PO₄与AC前驱体中的有机成分发生相互作用。在高温活化过程中，H₃PO₄促进脱水反应和结构重排，从而形成孔隙。

结论

本研究通过在玻璃碳电极上将PAC与电化学聚合MEDβCD进行整合，成功开发了一种新型电化学传感器。PAC的高导电性与MEDβCD的分子识别能力协同作用，实现了对MP的灵敏选择性检测，线性范围为0.09–15 μM，检出限低至31.57 nM。机理研究（包括紫外-可见滴定、¹H NMR和二维NOESY）证实了主体-客体相互作用。

作者贡献声明（CRediT）

何世平：方法学、调查研究、数据整理。杨分如：调查研究。李瑞：调查研究。严世杰：调查研究。姚佳红：调查研究。徐飞：调查研究。魏金建：调查研究。杨云涵：撰写-初稿、项目管理、方法学、调查研究。杨丽娟：撰写-审阅与编辑、指导、项目管理、概念构思。

利益冲突声明

作者声明不存在已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系冲突。

致谢

本研究得到国家自然科学基金（资助号21762051）、兴滇人才计划（教学名师项目，杨丽娟）、云南省高校科技创新团队计划、云南省教育厅科学研究基金项目（资助号2025J0474）、云南省基础研究计划项目（资助号202501AU070155）、中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金（资助号1630012026126）以及开放基金项目资助。

何世平|杨分如|李瑞|严世杰|姚佳红|徐飞|魏金建|杨云涵|杨丽娟