用于中药中农药残留检测的荧光上转换纳米材料及其分析应用研究

发布时间：2020-06-30 09:27

【摘要】：中药作为中华民族的瑰宝,已有数千年的历史,是我国传统医药的重要组成部分。随着中医药事业的蓬勃发展,世界各国对中药的认可程度逐渐增加,中药已开启国际化进程。与此同时,人们对中药的安全性问题也愈来愈关注。其中,中药中的农药残留影响着中药的疗效和安全性,进而影响了中药贸易以及中医药事业的发展,削弱了中药在国际市场中的竞争力。因此,建立和发展灵敏、简单、快速以及低成本的农药残留检测方法,对于确保中药质量安全,保障人类生命健康,促进中药走向国际化均具有深远而重要的现实意义。稀土掺杂上转换纳米材料(upconversion nanoparticles,UCNPs)是一种在长波长(通常是近红外光或者红外光)吸收低能光子激发后,发射短波长(紫外光或者可见光)高能光子的无机纳米荧光材料。与传统的荧光(fluorescence,FL)探针相比,UCNPs具有诸多独特的优点,如良好的光学和化学稳定性,较强的抗光漂白能力和低毒性。此外,由于UCNPs被近红外光激发,因而具有背景荧光干扰较小,灵敏度和信噪比较高等优点。目前,UCNPs在生物医学领域受到了广泛关注,在生物传感、药物递送、生物成像等方面具有较大的应用潜力。本研究基于UCNPs独特的光学性能,以及光诱导电子转移(photoinduced electron transfer,PET)、荧光共振能量转移(fluorescence resonance energy transfer,FRET)等原理,设计并合成了两种用于中药中农药残留检测的荧光上转换纳米材料。具体研究内容如下:1.基于酪氨酸酶诱导的光诱导电子转移构建荧光分析法检测有机磷农药本研究采用多巴胺功能化的UCNPs作为FL信号探针,构建酪氨酸酶诱导的PET体系,用于检测中药中的有机磷农药残留。在酪氨酸酶的催化下,UCNPs表面的多巴胺被氧化为多巴醌。基于PET效应,UCNPs表面的多巴醌猝灭UCNPs的FL。而有机磷农药可抑制酪氨酸酶活性,从而阻碍多巴醌的形成,UCNPs的FL信号得以恢复,因而可以定量检测有机磷农药。本方法以毒死蜱作为模式待检物。研究结果表明,毒死蜱的检测范围为1.0-1000?ng?mL~(-1),检测限为0.38 ng?mL~(-1)(3σ)。其他种类农药和样品基质对该方法几乎没有干扰,表明该方法具有良好的特异性。用于桔梗和当归的加标样品检测,回收率为95.4%-120.0%。本方法具有成本低廉,灵敏度高,无自发荧光干扰和抗光漂白等优点,在实际应用中具有良好的分析性能。2.基于荧光共振能量转移构建免标记荧光分析法检测含氰基农药本研究以UCNPs为能量供体,金纳米粒子(Au nanoparticles,AuNPs)为能量受体,建立了一种基于FRET的FL分析法,并将其用于检测含氰基农药。将带负电的AuNPs与带正电荷的氨基化UCNPs混合,AuNPs可以通过静电作用吸附到UCNPs的表面上,两者之间发生FRET,UCNPs的FL信号猝灭。加入含氰基农药后,农药的氰基可以通过Au-N=C金属-配体配位吸附在AuNPs的表面,取代AuNPs表面上的柠檬酸根离子并诱导AuNPs的聚集,从而阻碍FRET,UCNPs的FL信号得以恢复,由此可对含氰基农药进行检测。本方法以啶虫脒、甲氰菊酯和百菌清作为模式待检物。研究结果表明,啶虫脒、甲氰菊酯和百菌清的检测范围分别为0.1-100?ng?mL~(-1)、1.0-100?ng?mL~(-1)和0.1-50?ng?mL~(-1),检测限分别为0.015ng?mL~(-1)、0.24 ng?mL~(-1)和0.011 ng?mL~(-1)(3σ)。整个检测过程可在6分钟内完成。该方法无需采用任何标记技术,具有操作简单,检测快速,灵敏度高以及成本低等诸多优点,而且可以作为一种通用平台用于含氰基农药的检测。该方法已成功用于党参、白芷和黄芪中啶虫脒的检测,回收率为76.0%-120.0%,具有较大的应用潜力。综上所述,本论文利用UCNPs的反斯托克斯光学特性,设计并合成了两种UCNPs用于中药中农药残留检测。相比于传统的FL探针,UCNPs具有较大的反斯托克斯位移和较强的光稳定性。基于UCNPs构建的FL分析方法无自发荧光干扰,并具有良好的抗光漂白能力。另外,本研究设计的方法结合PET、FRET、酶抑制等策略,具有成本低廉,操作简单,灵敏度高和重现性好等优点,为保障中药质量安全提供了分析技术支持。
【学位授予单位】：西南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：R284.1;TB383.1
【图文】：

适配体,比色,金纳米粒子,探针

图 1-1 以 AuNPs 为信号探针的比色适配体传感器38Fig. 1-1 A colorimetric aptasensor using AuNPs as probes.38如图 1-1 所示，Bala 等38使用带负电荷的金纳米粒子（Aunanoparticles，AuNPs）和带正电荷的聚二甲基二烯丙基氯化铵，构建了一种比色适配体传感器用于马拉硫磷的检测。当体系中不存在马拉硫磷时，游离的带负电荷的适配体与带正电荷的聚二甲基二烯丙基氯化铵杂交形成双链体，AuNPs 处于分散状态；然而，当体系中存在马拉硫磷时，适配体特异性地与马拉硫磷结合，游离的带正电荷的聚二甲基二烯丙基氯化铵与带负电荷的 AuNPs 通过静电作用结合，导致 AuNPs 聚集。因此，可以肉眼观察 AuNPs 的颜色变化，实现对马拉硫磷的比色测定。基于乙酰胆碱酯酶（acetylcholinesterase，AChE）的酶促作用以及有机磷农药（organophosphoruspesticides，OPs）对 AChE 活性的抑制作用，He 等39采用原位生长策略合成了具有过氧化氢酶活性的 AuNPs/金属有机凝胶杂化物，并将其用于 OPs 的定量检测。AChE 催化氯化硫代乙酰胆碱水解原位产生的硫代胆碱可以消耗羧基化石墨氮化碳-聚乙烯亚胺的共反应剂，Wang 等40通过酰胺化反应制备了羧基化石墨氮化碳-

纳米传感器,纳米

游离的 QDs 的 FL 保持不变。然而，当待检物马拉硫磷存在时，适配体与马拉硫磷特异性地结合，带正电荷的聚-N-3-胍基丙基甲基丙烯酰胺则与带负电荷的 QDs 通过静电作用结合，导致 QDs 的 FL 信号猝灭。如图 1-2 所示，MnO2纳米片可以通过荧光共振能量转移（fluorescenceresonanceenergytransfer，FRET）猝灭碳点（carbondots，CDs）的 FL，丁酰胆碱酯酶催化水解乙酰硫代胆碱产生的硫代胆碱可以有效地引发 MnO2纳米片的分解，使得 CDs 的 FL 信号恢复。而 OPs 可以抑制丁酰胆碱酯酶的活性，减少硫代胆碱的生成，导致 CDs 的 FL 信号猝灭。基于此现象，Yan 等43构建了一种 FL 分析法用于灵敏检测 OPs。甲基对硫磷在碱性条件下水解产生的对硝基苯酚可通过内滤效应（inner filter effect，IFE）猝灭 CDs的 FL，Lan 等44使用氮掺杂的 CDs 作为信号探针，建立了一种 FL 分析法用于检测甲基对硫磷。然而，在上述的 FL 分析法中，复杂的样品基质在紫外可见光的激发下，可能会产生自发荧光干扰，背景荧光信号较高，从而降低检测的灵敏度。因此，科研工作者开始寻求性能更优的纳米材料，稀土掺杂上转换纳米材料（upconversionnanoparticles，UCNPs）作为一种新型上转换发光材料得到了广泛的关注。

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