基于石墨烯电化学酶传感器和化学计量学方法同时检测有机农药的研究

Cholinesterase biosensor is an important branch in the electrochemical analysis field. The current research focuses on the selection of the working electrode, immobilization of enzyme and chemical modification of the electrode. This project based on the different methods of graphene materials synthesis, enzyme immobilization and the combination of chemometric to study organic pesticide residue analysis in food and environment. Firstly the excellent modified materials are prepared. The immobilization of acetylcholinesterase on the modified electrode is also investigated. According to the different inhibition rate of different organic pesticides, the powerful chemometric methods are used for effective means of separation, which could achieve a simultaneous determination of pesticides. The project could expand application field in organic pesticide analysis based on the chemical enzyme modified electrode, and provide the new thoughts of rapid determination of pesticides, which could further provide theoretical basis for the pesticide toxicity mechanism and biodegradation.

胆碱酯酶生物传感器是电化学分析领域内的一个重要的分支，目前的研究集中在工作电极的选择，酶的固定化以及电极的化学修饰。本项目针对基于石墨烯的修饰材料合成方法，酶固定方法及与化学计量学方法相结合对食品环境中有机农药残留分析中的应用开展研究，首先制备性能优良的石墨烯修饰材料，在研究将乙酰胆碱酯酶高效固定修饰电极上的同时，采集各种农药在传感器上的电流-时间动力学曲线，利用酶对有机农药的抑制速度的不同，采用强大的化学计量学方法建立校正模型，结合速差动力学方法，获取普通方法难以得到的动力学参数，获取普通方法难以得到的动力学参数，实现各种有机农药的高灵敏度高选择性的同时检测。该项目能拓展化学酶修饰电极在有机农药分析中的应用领域，为有机农药的快速检测研究提供了新思路，为进一步了解农药致毒机理和生物降解性提供一些理论基础。

由于农药能够保护农作物在生长发育过程当中不被害虫侵蚀，可用于稳定和提高农作物的产量，所以农药被广泛用于农产业中。然而农药使用的不规范，残留的农药不仅会对环境造成影响，破坏生态系统的平衡，还可能会通过食物链最终进入到人类体内，威胁人类的健康。因此，建立快速、简便、高灵敏的分析方法对环境以及食品中的农药残留进行分析检测具有实际意义。生物酶传感器由于具有灵敏度高，响应快和易携带的优点，已广泛用于检测有机磷农药。在过去20年中,关于农药生物传感器的报道中有40%-50%是基于酶抑制原理制备的生物传感器。而大部分的农药传感器都是基于酶和纳米材料构建的，纳米材料是指直径在1-100 nm之间的任何物体，而在纳米材料当中，由于金属纳米粒子具有独特的光学、电学和热性质而成为研究热点。本研究是基于有机磷农药对乙酰胆碱酯酶的抑制机制，通过乙酰胆碱酯酶催化硫代乙酰胆碱生成硫代胆碱从而根据金属纳米粒子的光学特性产生的光学信号或者颜色的变化与农药浓度的关系，进而定量检测有机磷农药而建立的分析方法。金属纳米粒子作为探针通过其等离子体相关的光学特性实现了检测快速、低成本、简单、高准确度的目标。其中功能化修饰过的金属粒子能够使信号的传导加速、传导信号增强，提高了检测性能，使对于目标分析物的检测有了实际的应用前景。通过优化实验条件，pH、温度和反应时间等，获得高选择性和高灵敏度的分析测定方法。如GQDs/AgNPs-AChE-ATCh生物传感器用于荧光和比色双信号检测甲基对硫磷具有高灵敏度和高选择性，检出限分别为0.017μg/L和0.2μg/L. 此外，本研究也为检测农药残留提供了可鉴的实验方法。