石墨烯量子点介导调控单原子纳米酶活性的机理研究及其在啶虫脒均相双模检测中的应用

《Food Chemistry》：Mechanistic insights into graphene quantum dots-mediated regulation of single-atom nanozyme activity for homogeneous dual-mode detection of acetamiprid

　　

• •
  GQDs通过双重抑制机制调节Fe/Mn-N-C仿酶活性。
• •
  该抑制涉及活性位点阻断和羟基自由基清除。
• •
  开发了一种均相双模式生物传感器用于检测啶虫脒。
• •
  该生物传感器具有高灵敏度（检出限：3.79 ng/mL）。
• •
  回收率与LC-MS/MS相当。

引言

吡虫啉（Ace）是一种新烟碱类杀虫剂，因其广谱高效、速效性和持久残留活性而备受重视，是蔬菜、果树和茶叶病虫害防治的常用选择（Phogat等，2022）。然而，其广泛且常超量的使用导致农产品中残留量显著。例如，Popescu等（2025）在番茄中检测到Ace平均残留量为0.07 mg/kg，而一项温室田间试验报告表明，喷洒28天后采收的生菜中末端残留量为0.047 mg/kg（Wang, Liu, Yang等，2024）。类似地，Yussuf等（2026）发现55个苹果样本中有18个Ace检测呈阳性，残留量范围为0.014至0.123 mg/kg。这些残留物可通过生物富集进入食物链，可能损害生殖和神经系统的功能，从而对人类健康和生态安全构成风险（Ajermoun等，2025）。为解决这些问题，监管机构已为各种食品中的Ace设定了最大残留限量（MRLs）；例如，欧盟最近将生菜、苹果和番茄的MRLs分别修订为0.01、0.07和0.06 mg/kg（欧盟委员会，2025）。目前常规的Ace检测方法主要包括气相色谱-串联质谱法（GC–MS/MS）和液相色谱-串联质谱法（LC-MS/MS）（Elmi等，2024；MacKenzie等，2025），这些方法被认为是农药残留分析的官方确认方法。然而，尽管其准确性高，但这些技术通常涉及耗时的步骤、高昂的成本和复杂的设备，限制了其在常规高通量筛查或快速现场检测中的直接应用（Liang等，2025）。因此，开发一种可靠、灵敏且快速的Ace残留鉴定方法作为初步筛选工具，对于确保食品安全和有效监测环境污染物至关重要。

纳米酶是具有类酶催化活性的纳米材料。这些材料自问世以来受到了广泛的研究关注，因为它们制备简单、稳定性高、成本低廉且易于修饰（Lin等，2024；Yu等，2021）。这些特性使其成为分析应用中比色信号探针的有吸引力候选材料（Liu, Zhai等，2024）。然而，单模式比色检测的准确性往往因复杂样品基质和环境条件的干扰而受到损害（Qin等，2024）。为解决这些局限性，已开发了双模式传感平台。通过产生两个独立的信号输出以实现相互交叉验证，此类系统显著提高了分析结果的可靠性和准确性。常见的双模式配置包括比色/荧光、比色/电化学、比色/化学发光以及比色/比率荧光方法。其中，比率荧光传感具有对环境干扰和信号波动的内在自校正能力，通过自校准机制有效减少了仪器误差并增强了检测灵敏度（Kayani，2026）。因此，将比色和比率荧光策略整合到双模式平台中是实现高准确性和灵敏度的有前景的方法。然而，大多数现有的比色/比率荧光双模式系统仍面临实际挑战：它们通常需要精心设计的多功能材料，兼具高催化活性和强荧光发射（Li等，2022；Lian等，2024；Sun等，2025），或依赖涉及分离和洗涤的多步程序（Fang等，2016；Kong等，2022；Xiao等，2018），或需要独立采集比色和荧光信号（Fu等，2025；Liu, Zhou等，2024；Tan等，2024；Wang, Liu, Wang等，2024），这使操作变得复杂并限制了其在快速现场分析中的适用性。

作为零维石墨烯衍生物，石墨烯量子点（GQDs）在分析和诊断应用中显示出巨大的潜力。它们具有独特且可调的光致发光特性、高光稳定性、良好的生物相容性和低毒性，这些特性共同使它们成为荧光检测中优秀的荧光信号报告物（Li等，2023）。最近，GQDs的一项额外功能特性已被发现：即清除活性氧物种（ROS）的能力，包括?O₂^?和?OH（Liu等，2025）。这一特性将使GQDs能够充当新型调节探针，用于调节纳米酶活性。

基于上述考虑，我们开发了一种集比色和比率荧光检测于一体的均相双模式传感平台，用于Ace的灵敏分析。如图1所示，该系统利用两种功能探针：由功能化Ace特异性适配体的Fe/Mn-N-C仿酶组成的捕获探针，以及由与互补链（CS）偶联的GQDs组成的信号探针。这些探针之间的杂交将导致Fe/Mn-N-C/Apt-CS/GQDs复合物的高效组装。当不存在Ace时，CS/GQDs探针将通过双重抑制机制有效抑制Fe/Mn-N-C/Apt捕获探针的类过氧化物酶活性：(1)限制底物接触催化活性位点，和(2)直接清除产生的羟基自由基（?OH），同时该复合物本身将在450 nm处维持强烈的本征荧光发射（激发波长370 nm）。当Ace与适配体特异性结合后，CS/GQDs信号探针将从仿酶表面解离，恢复Fe/Mn-N-C仿酶的高过氧化物酶样性能。这将促进在H₂O₂存在下邻苯二胺（OPD）的氧化，生成黄色产物2,3-二氨基菲啉（DAP）。DAP的生成将起到双重信号作用：它既能产生从无色到黄色的明显比色变化，又能通过内滤效应（IFE）猝灭GQDs在450 nm处的荧光，而DAP本身能在570 nm处表现出强荧光发射。因此，Ace浓度的增加会导致视觉上可观察的颜色变化，以及荧光强度比（I₅₇₀/I₄₅₀）相应的比率增加。基于这一原理，本研究开发了一种稳健的双模式技术用于检测食品样本中的Ace。

章节摘要

化学产品和试剂

六水合氯化铁（FeCl₃·6H₂O）、甲酰胺、柠檬酸、四水合氯化锰（MnCl₂·4H₂O）、Ace、N-(3-二甲氨基丙基)-N′-乙基碳二亚胺盐酸盐（EDC）、对苯二甲酸（TA）和N-羟基琥珀酰亚胺（NHS）由上海阿拉丁生化科技股份有限公司提供。3-氨基丙基三乙氧基硅烷（APTES）和戊二醛溶液（25%）由上海麦克林生化科技有限公司提供。

氨基修饰的适配体（5'-CTGACA

仿酶表征

如图1A和B所示，Fe/Mn-N-C仿酶呈现不规则的单独或层叠片状结构（Yan等，2026）。TEM图像（图1C）显示材料中没有明显可辨的颗粒或团聚形态。采用能量色散X射线光谱（EDS）进行元素组成映射，结果显示Fe/Mn-N-C基体中C、N、Mn和Fe分布一致且均匀（图1D）。此外，Fe和Mn在原子尺度上是分散的

结论

本研究创建了一种稳健的均相双模式生物传感器用于Ace检测，集成了比色和比率荧光读出。这是通过将Fe/Mn-N-C仿酶卓越的催化性能与GQDs独特的光学特性协同结合而实现的。双信号响应源于两种不同的机制：酶活性抑制和荧光猝灭。具体来说，通过阻断底物接触活性位点（可能通过

CRediT作者贡献声明

罗明辉：撰写–初稿、数据整理。赵坤荣：数据整理。李毅：数据整理。杨潇：调查研究。王丽君：撰写–审阅与编辑、资金获取。陈香桂：调查研究。

利益冲突声明

作者声明他们不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本研究得到了四川省科学技术厅项目的支持（2024NSFSC1244）。

罗明辉|赵坤荣|李毅|杨潇|王丽君|陈香桂