農(nóng)田環(huán)境中農(nóng)藥殘留比例型熒光傳感系統(tǒng)研究

徐霞紅 權(quán)浩然 何開雨 王 柳 王新全 王 強(qiáng)

(浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)研究所， 杭州 310021)

0 引言

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中各種投入品的大量使用及工業(yè)生產(chǎn)中污染物大量排放帶來的農(nóng)產(chǎn)品化學(xué)污染物殘留問題不容忽視。有機(jī)磷農(nóng)藥(OPPs)是一類廣泛應(yīng)用于防治植物病蟲害的農(nóng)藥，是果蔬農(nóng)產(chǎn)品中存在的典型化學(xué)污染物[1]。OPPs的半衰期較長，使用不當(dāng)會導(dǎo)致在農(nóng)產(chǎn)品、環(huán)境和水中殘留嚴(yán)重。OPPs對乙酰膽堿酯酶(AChE)活性具有不可逆的抑制能力，干擾人體重要器官的功能，最終導(dǎo)致呼吸麻痹、中毒[2]。水中存在的有機(jī)磷農(nóng)藥殘留主要來自田間噴灑農(nóng)藥，雨水的沖洗使農(nóng)藥滲透進(jìn)入水渠、河流及地下水中。水是人類賴以生存的重要自然資源，水體的破壞對人類等生物體產(chǎn)生極大的傷害[3]。因此，監(jiān)測農(nóng)業(yè)環(huán)境中有機(jī)磷農(nóng)藥殘留對從種養(yǎng)源頭管控農(nóng)產(chǎn)品安全具有重大意義。

目前，OPPs常用的檢測方法有液相色譜、氣相色譜、氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用、液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用等依賴大型儀器的實(shí)驗(yàn)室精準(zhǔn)監(jiān)測手段[4-6]，大型儀器難以攜帶，在農(nóng)業(yè)環(huán)境現(xiàn)場快速監(jiān)測中應(yīng)用受限。國內(nèi)外應(yīng)用于農(nóng)藥殘留快速檢測的主流技術(shù)為酶抑制法和免疫法，分別使用膽堿酯酶和抗體作為分子識別探針[7-9]?；诿庖叻ǖ目鞕z技術(shù)利用抗原-抗體間的特異性分子識別而建立，特異性強(qiáng)、商品化技術(shù)成熟。但是由于農(nóng)藥分子量偏小，抗體創(chuàng)制難、不易獲得，并且農(nóng)藥種類繁多，無法通過免疫分析解決其他無抗體農(nóng)藥及多殘留同時(shí)檢測的問題。我國現(xiàn)階段普遍采用的農(nóng)殘速測儀和速測卡基于乙酰膽堿酯酶抑制作用而建立的快速分析技術(shù)，能在較短時(shí)間內(nèi)完成大量樣品的初篩，但酶活性有時(shí)會受到一些農(nóng)產(chǎn)品基質(zhì)成分的抑制，易產(chǎn)生假陽性，對有機(jī)磷和氨基甲酸酯類農(nóng)藥的檢出限均為mg/kg級別，對含量更低、一些國家強(qiáng)制禁用及高毒的農(nóng)藥(甲基對硫磷、對硫磷、毒死蜱等)則不能檢出。因此，開發(fā)新型檢測技術(shù)與儀器、提高檢測靈敏度和可靠性是目前快速檢測農(nóng)藥殘留、降低食品安全風(fēng)險(xiǎn)和進(jìn)行早期預(yù)警的關(guān)鍵。

熒光檢測具有靈敏度高、簡單、高效等優(yōu)勢，其中比例型熒光檢測抗干擾能力強(qiáng)，不受熒光探針濃度影響，可實(shí)現(xiàn)可視化檢測。熒光金屬-有機(jī)框架材料(Metal-organic frameworks, MOFs)具有孔隙度高、比表面積大、納米空腔效應(yīng)等優(yōu)勢，可通過吸附和包埋的方式固定與富集大量分子，也易合成與修飾[10]，是構(gòu)成比例型熒光體系的優(yōu)勢材料[11]。熒光MOFs的獨(dú)特多孔性利于富集反應(yīng)物、增加反應(yīng)位點(diǎn)，其優(yōu)異的包埋和后修飾能力能靈活包埋其他熒光探針或蛋白等物質(zhì)，結(jié)合自身性質(zhì)，可望集成識別-信號輸出功能構(gòu)建化學(xué)傳感系統(tǒng)。已有研究表明，MOFs能針對某些農(nóng)藥殘留產(chǎn)生特異性熒光淬滅效應(yīng)，在2 min內(nèi)實(shí)現(xiàn)甲基對硫磷、對硫磷的現(xiàn)場快速檢測，并能在果蔬樣品上實(shí)現(xiàn)原位熒光成像分析[12-14]。

本文基于鋯離子和1,2,4,5-四(4-羧苯基)苯(H4TCPB)合成藍(lán)色熒光MOFs材料Zr-TCPB，并與紅色熒光量子點(diǎn)QDs(熒光發(fā)射峰Em為625 nm)組裝成雙熒光QDs@MOFs復(fù)合物，基于Zr-TCPB對有機(jī)磷農(nóng)藥的特異性熒光淬滅效應(yīng)，構(gòu)建比例型熒光化學(xué)傳感器系統(tǒng)，以期實(shí)現(xiàn)有機(jī)磷農(nóng)藥的快速、靈敏、可視化檢測。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

氯化鋯(ZrCl4)、1,2,4,5-四(4-羧苯基)苯(H4TCPB)購自Sigma Aldrich公司。苯甲酸和二甲基甲酰胺(DMF)購自生工生物技術(shù)公司，羥基水溶性量子點(diǎn)QD-625(紅色熒光)購自武漢珈源量子點(diǎn)技術(shù)開發(fā)有限責(zé)任公司，有機(jī)磷農(nóng)藥標(biāo)準(zhǔn)品如內(nèi)吸磷、三唑磷、治螟磷、滅線磷、甲基異柳磷、氧樂果、水胺硫磷、甲胺磷、甲拌磷、馬拉硫磷、蠅毒磷、苯線磷、特丁硫磷、地蟲磷等均購于北京北方偉業(yè)計(jì)量技術(shù)研究院。采用微孔板檢測儀Gene5(美國伯騰)記錄熒光光譜以及紫外-可見光譜。采用SU8010型場發(fā)射掃描電子顯微鏡(日立公司，日本)和FEI Tecnai G2 F20型高分辨場發(fā)射透射電子顯微鏡(FEI公司，美國)獲得掃描電子顯微鏡(SEM)及透射電子顯微鏡(TEM)圖像。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1材料合成

Zr-TCPB的制備：將H4TCPB 50 mg，氯化鋯70 mg，苯甲酸2 700 mg，DMF 20 mL與水10 mL超聲混合15 min，放入聚四氟乙烯反應(yīng)釜中在120℃條件下反應(yīng)24 h，自然冷卻后用DMF洗滌2次，甲醇洗滌1次，在60℃條件下干燥12 h，得白色粉末狀Zr-TCPB材料。

QDs@MOFs的制備：取適量的Zr-TCPB溶于水中，超聲混合均勻后加入QDs再超聲混合，高速離心去上清液，用超純水洗滌3次，干燥備用。

1.2.2熒光檢測

取上述備用QDs@MOFs分散液使用PBS(0.1 mol/L，pH值為6.0)稀釋一定質(zhì)量濃度后，取10 μL QDs@MOFs分散液，加入一定質(zhì)量濃度(0.005～2 mg/L)的90 μL有機(jī)磷農(nóng)藥，混勻后在微孔板檢測儀中檢測熒光強(qiáng)度。在特異性探討實(shí)驗(yàn)中，將10 μL QDs@MOFs與90 μL不同種類的農(nóng)藥(均為0.25 mg/L)：甲基對硫磷、對硫磷、內(nèi)吸磷、三唑磷、治螟磷、滅線磷、甲基異柳磷、氧樂果、水胺硫磷、甲胺磷、甲拌磷、馬拉硫磷、蠅毒磷、苯線磷、特丁硫磷、地蟲磷進(jìn)行混合，以PBS為空白對照，混勻3 min后在微孔板檢測儀中檢測熒光強(qiáng)度。

2 結(jié)果與分析

2.1 材料表征

Zr4+和H4TCPB在熱溶劑條件下最終制得白色粉末狀Zr-TCPB MOFs材料，在254 nm紫外激發(fā)波長條件下產(chǎn)生強(qiáng)烈的藍(lán)色熒光，而QDs@MOFs由于包裹了紅色熒光QDs-625，熒光表現(xiàn)出強(qiáng)紫紅色(圖1a)。圖1b為Zr-TCPB和QDs@MOFs的SEM及TEM表征圖，電鏡圖表明Zr-TCPB為片狀晶體聚集而成的花朵形貌，平均尺寸在0.9 μm左右，QDs@MOFs由于包裹了QDs，表面片層變?yōu)轭w粒形貌，從圖1b可以看出，MOFs復(fù)合材料中已嵌入大量的QDs顆粒。

圖1 MOFs材料的形貌表征圖Fig.1 Morphology pictures of MOFs materials

2.2 條件優(yōu)化

一定質(zhì)量濃度(0.1 mg/L)的甲基對硫磷與QDs@MOFs混合后，立即置于微孔板檢測儀中讀取254 nm激發(fā)下的400 nm處熒光強(qiáng)度。淬滅效率計(jì)算式為

Q=(I0-It)/I0×100%

(1)

式中I0——初始發(fā)射峰強(qiáng)度

It——加入甲基對硫磷后的發(fā)射峰強(qiáng)度

如圖2所示，隨著時(shí)間的增加，熒光強(qiáng)度在2 min內(nèi)下降迅速，并在3 min后達(dá)到平衡，說明農(nóng)藥對MOFs的熒光淬滅作用在3 min能完成并達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，因此，后續(xù)實(shí)驗(yàn)選擇3 min作為最佳反應(yīng)時(shí)間。另一方面，為實(shí)現(xiàn)對有機(jī)磷農(nóng)藥的靈敏檢測，QDs@MOFs的濃度優(yōu)化通過甲基對硫磷與不同質(zhì)量濃度的QDs@MOFs復(fù)合物溶液混合后的熒光變化來實(shí)現(xiàn)。如圖3所示，隨著QDs@MOFs質(zhì)量濃度的增加，400 nm熒光淬滅程度先增加后降低，在QDs@MOFs的質(zhì)量濃度為25 μg/mL時(shí)，淬滅效率達(dá)到最高，后續(xù)實(shí)驗(yàn)選用QDs@MOFs的最佳質(zhì)量濃度為25 μg/mL。

圖2 熒光動力學(xué)曲線Fig.2 Fluorescence kinetics curve

圖3 不同QDs@MOFs質(zhì)量濃度下的熒光淬滅效率Fig.3 Fluorescence quenching efficiency at different concentrations of QDs@MOFs

2.3 比例型熒光分析

QDs@MOFs復(fù)合材料具有2個熒光發(fā)射峰，分別為Zr-TCPB藍(lán)色熒光與QDs的紅色熒光。由于甲基對硫磷對Zr-TCPB的熒光淬滅作用，導(dǎo)致QDs@MOFs的藍(lán)色熒光(發(fā)射峰400 nm)強(qiáng)度降低，通過藍(lán)色熒光與紅色熒光變化的比例，可計(jì)算出甲基對硫磷的殘留水平，從而建立基于QDs@MOFs雙色比例型熒光分析的農(nóng)藥定量傳感體系。如圖4a所示，當(dāng)加入不同質(zhì)量濃度(0～2 mg/L)的甲基對硫磷后，隨著農(nóng)藥質(zhì)量濃度增加，QDs@MOFs在400 nm處的熒光發(fā)生顯著降低，QDs在625 nm處熒光也有下降趨勢，總體上熒光強(qiáng)度隨著農(nóng)藥質(zhì)量濃度的增加而降低，最終表現(xiàn)出由強(qiáng)紫紅色向弱紅色熒光轉(zhuǎn)變。相類似的，甲基對硫磷可淬滅Zr-TCPB的藍(lán)色熒光，因此所得到的數(shù)據(jù)與甲基對硫磷類似(圖4b)。依據(jù)農(nóng)藥質(zhì)量濃度與熒光強(qiáng)度的對應(yīng)關(guān)系，得到甲基對硫磷和對硫磷的檢測標(biāo)準(zhǔn)曲線，如圖4c所示，淬滅效率隨甲基對硫磷、對硫磷的對數(shù)質(zhì)量濃度增加而增加。線性擬合方程分別為

y=31.424x+84.191 (R2=0.993 0)
y=34.564x+83.76 (R2=0.990 3)

線性范圍為0.005～2 mg/L，最低檢測限(LOD)計(jì)算公式為

LOD=3N/S

式中N——最低質(zhì)量濃度農(nóng)藥下響應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差

S——校準(zhǔn)曲線斜率

計(jì)算得到甲基對硫磷的LOD為1.9 μg/L，對硫磷的LOD為4.9 μg/L。本研究開發(fā)的QDs@MOFs雙色比例型熒光傳感器對甲基對硫磷、對硫磷的檢測靈敏度優(yōu)于已報(bào)道的同類型傳感器，具體數(shù)據(jù)如表1所示。

圖4 熒光響應(yīng)光譜圖Fig.4 Fluorescence response spectra

表1 QDs@MOFs熒光傳感器的檢測性能與文獻(xiàn)方法對比Tab.1 Detection performance of QDs@MOFs fluorescence sensor compared with that of other literature methods

圖5 特異性分析Fig.5 Specificity analysis

2.4 特異性分析

為了進(jìn)一步探討QDs@MOFs熒光傳感器對農(nóng)藥殘留檢測的特異性，選用了16種代表性的國家禁限用有機(jī)磷農(nóng)藥，分別為內(nèi)吸磷、三唑磷、治螟磷、滅線磷、甲基異柳磷、氧樂果、水胺硫磷、甲胺磷、甲拌磷、馬拉硫磷、蠅毒磷、苯線磷、特丁硫磷、地蟲硫磷、對硫磷、甲基對硫磷，在相同檢測條件下，QDs@MOFs熒光傳感器對相同質(zhì)量濃度(0.25 mg/L)的農(nóng)藥反應(yīng)并進(jìn)行了熒光測定。如圖5所示，除了對硫磷、甲基對硫磷外，其余14種有機(jī)磷農(nóng)藥并未導(dǎo)致QDs@MOFs出現(xiàn)顯著的熒光大幅度降低或增強(qiáng)現(xiàn)象，其中蠅毒磷和苯線磷表現(xiàn)了稍微的熒光強(qiáng)度降低。對硫磷、甲基對硫磷產(chǎn)生如此大幅度的熒光淬滅效應(yīng)，主要是由于甲基對硫磷和對硫磷中硝基苯基對Zr-TCPB的熒光能量轉(zhuǎn)移作用導(dǎo)致的淬滅作用。上述結(jié)果表明，QDs@MOFs熒光傳感器對甲基對硫磷與對硫磷的檢測具有較高的特異性。

2.5 實(shí)際環(huán)境水樣分析

為了進(jìn)一步探討QDs@MOFs熒光傳感器對農(nóng)藥殘留檢測的實(shí)際應(yīng)用能力，采用環(huán)境水樣標(biāo)準(zhǔn)添加法，測定樣品中甲基對硫磷及對硫磷的含量，通過濃度檢測比對及回收率分析，探討QDs@MOFs熒光傳感器的實(shí)際樣品檢測能力。將不同質(zhì)量濃度的甲基對硫磷及對硫磷(0.01、0.1、1 mg/L)添加至河水、自來水及田間水中，3 min后檢測QDs@MOFs的熒光強(qiáng)度，根據(jù)線性標(biāo)準(zhǔn)曲線分析得到農(nóng)藥殘留的質(zhì)量濃度，平行分析3組數(shù)據(jù)，計(jì)算回收率。如表2所示，甲基對硫磷回收率在93.23%～116.41%，平均相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)為5.29%，對硫磷回收率在92.52%～107.83%，平均RSD為5.74%，上述結(jié)果表明，QDs@MOFs熒光傳感器具有良好的可靠性，可適用于實(shí)際環(huán)境水樣中的甲基對硫磷及對硫磷分析。

表2 實(shí)際樣品中甲基對硫磷和對硫磷的檢測結(jié)果Tab.2 Detection results of real samples

3 結(jié)論

(1)開發(fā)了一種比例型熒光QDs@MOFs復(fù)合材料，可通過熒光響應(yīng)用于檢測甲基對硫磷及對硫磷兩種有機(jī)磷農(nóng)藥，其響應(yīng)速度快，能在3 min完成檢測分析。

(2)由于MOFs的高吸附性能，使得分析物與MOFs的接觸更加充分，從而提高了檢測效率；同時(shí)由于紅色熒光量子點(diǎn)的引入，可通過熒光顏色的變化直觀判斷甲基對硫磷及對硫磷兩種有機(jī)磷農(nóng)藥的殘留水平。該熒光傳感器是一種高靈敏度的農(nóng)藥殘留快速檢測儀器。

(3)甲基對硫磷與對硫磷的檢測限分別為1.9 μg/L和4.9 μg/L，線性檢測范圍為0.005～2 mg/L，該熒光傳感器對甲基對硫磷及對硫磷具有良好的特異性檢測能力。

(4)該熒光分析法能有效用于農(nóng)業(yè)環(huán)境水樣中甲基對硫磷及對硫磷的現(xiàn)場快速測定，在環(huán)境樣品農(nóng)藥的快速監(jiān)測方面具有巨大的應(yīng)用價(jià)值。