基于酶引导晶体生长的高灵敏度有机磷农药比色生物传感器的研究

Organophosphorus pesticides (OPs) residues in food and environmental samples have caused seriously adverse health and environmental effects, it is essential to develop simple, rapid, sensitive and specific colorimetric biosensors for the rapid on-site detection and large-scale screening of OPs to ensure food safety and environmental protection. To overcome the disadvantages of low sensitivity, low resolution in color and vulnerable to perturbation in current biosensors, novel sample pretreatment platform and signal-generation mechanism will be explored in this project. Magnetic mesoporous Fe3O4@mZrO2 microspheres will be prepared to selectively adsorb, separate and enrich OPs from complex samples. Enzyme-guided crystal growth is employed as a signal amplification strategy by taking advantage of Au nanorods (Au NRs) as the transducer. Acetylcholinesterase enzyme (AChE) is used to guide the epitaxial growth of silver nanocrystal on the surfaces of Au NRs, resulting in the blue shift of longitudinal localized surface plasmon resonance peak of Au NRs as a visual readout. Based on the inhibition of AChE activity, novel colorimetric biosensors for OPs with rapidity, sensitivity, portability, specificity, reliability and user-friendly operation will be developed. The proposed biosensors can be applied for the rapid on-site detection and large-scale screening of low concentration of OPs residues in samples of vegetables, fruits, soils, drinking water, et al.

有机磷农药在食品和环境中的残留已经引起严重的健康危害和环境效应，研发简便、快速、灵敏、特异性的比色生物传感器对有机磷农药进行现场快速检测和大规模筛查对于食品安全和环境保护十分重要。针对现有比色生物传感器存在的检测灵敏度低、颜色分辨率差、抗干扰能力弱等问题，本项目拟从样品前处理和信号传感机理两个方面开展创新性研究。拟制备磁性介孔Fe3O4@mZrO2微球用于选择性吸附、分离、富集样品中的有机磷农药；以金纳米棒为传感材料，利用生物酶诱导晶体生长技术为信号放大策略，基于乙酰胆碱酯酶引导银纳米晶在金纳米棒的表面外延生长、引起金纳米棒的纵向局域表面等离子共振吸收峰发生蓝移作为可视化传感信号；基于有机磷农药对乙酰胆碱酯酶活性的抑制作用，建立快速、灵敏、便携、选择性和可靠性好、使用方便的新型比色生物传感器，并应用于蔬菜、水果、土壤、饮用水等样品中低浓度有机磷农药残留的现场快速检测和大规模筛查。

有机磷农药在食品和环境中的残留已经引起严重的健康危害和环境效应，研发简便、快速、灵敏、特异性的比色生物传感器对有机磷农药进行现场快速检测和大规模筛查对于食品安全和环境保护十分重要。对有机磷农药生物传感器的研究主要基于有机磷农药抑制乙酰胆碱酯酶（AChE）的活性进行设计的，即基于AChE水解乙酰胆碱以及胆碱氧化酶（ChOx）催化氧化胆碱所生成的H2O2开发相关检测信号。本项目侧重从信号传感机理方面开展有机磷农药生物传感器的创新性研究。我们以金纳米棒（Au NRs）为传感材料，研究了对氨基苯酚、间苯二酚等还原性物质引导银纳米晶在Au NRs表面生长银壳层或过氧化苯甲酰、过氧化氢等氧化性物质氧化刻蚀核@壳结构Au NRs@Ag表面的银壳层所引起Au NRs的结构变化与其纵向表面等离子共振吸收峰（LSPR）位移和多颜色变化规律；基于经典的碘（I2）-淀粉显色反应，结合AChE和CHO的级联反应，设计了检测环境水样中有机磷农药的比色生物传感器；研究了具有过氧化物模拟酶（HRP）活性的过渡金属二硫属化物和过渡金属氧化物等纳米材料，基于有机磷农药对纳米材料催化活性的抑制作用以及有机磷农药等抑制剂对AChE活性的抑制作用设计了有机磷农药以及AChE抑制剂的比色传感器。这些模拟酶的发现为设计新型有机磷农药比色传感器提供新的信号放大策略。此外，还设计了基于石墨相氮化碳的荧光纳米材料应用于信息防伪和成像，为设计新型有机磷农药生物传感器提供新的信号检测手段提供有益的探索。本项目的研究成果已在《Angewandte Chemie International Edition》、《Analytical Chemistry》、《Sensors and Actuators B》、《Analytica Chimica Acta》等期刊发表SCI收录论文11篇，发表会议论文3篇，申请并获授权国家发明专利3项，培养博士3人，硕士3人。