Design of A Novel Phosphohydrolase Mimic Enzyme And Its Enhanced Phosphohydrolase Activity for Rapid and Colorimetric Detection of Organophosphorus Pesticides
受结构仿生学启发，研究人员开发出一种具有高活性的 CeO₂@ZIF-90 纳米棒纳米酶，能够实现对有机磷农药的高灵敏度、高选择性的快速双模（比色与电化学）检测，并成功应用于真实食品样本中。
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在全球保障食品安全的努力中，一个持久的挑战在于水果和蔬菜上可能残留的肉眼看不见的化学农药痕迹。在这些农药中，被称为有机磷类农药的一类物质被广泛用于保护农作物免受昆虫侵害，但它们在食物中的存在会对人类健康构成严重风险，包括对神经系统的潜在损害。由于这些化学物质非常危险，国际卫生组织已经为它们在食物供应中残留的量设定了严格的限制。然而，检测这些微量物质非常困难。实验室使用的标准方法需要庞大、昂贵的机器和经过高度专业训练的专家，这使得它们对于现场快速检测来说既缓慢又昂贵。科学家们长期以来一直在寻求一种更简单的检测毒素的方法，并经常从自然界中寻找灵感。在人体内，天然酶作为生物机器可以分解这些有害化学物质，但采集这些天然酶既困难又昂贵，而且它们在环境条件变化时往往会失去效力。这促使研究人员去探索开发人工版本的酶，即称为“纳米酶”的物质，这些是旨在模仿天然酶功能但具有更强强度和稳定性的微型人造结构。
郑州轻工职业学院的研究团队现在设计出了一种新型的人工酶，其工作速度和精准度令人惊讶。他们创造了一种由两个不同部分协同工作的材料：一个由氧化铈（一种金属氧化物）组成的内核，外面包裹着一层由多孔、笼状结构组成的金属有机框架。研究人员将这种新材料命名为 CeO2@ZIF-90。他们的目标是制造一台不仅能分解农药，还能以易于观察或测量的方式发出信号提示其存在的机器。当这种新材料遇到一种特定的农药——甲基对硫磷时，它就像一对分子剪刀，将这种化学物质剪断。这种切割作用将肉眼看不见的农药转化为另一种物质，称为对硝基苯酚。这种新物质非常特别，因为它会变成鲜艳的黄色，使隐形的威胁变得肉眼可见。
研究人员通过在实验室环境中将这种新材料与农药混合，测试了它的工作效果。他们发现该材料在分解化学物质方面非常有效，能产生可以通过简单光传感器测量的强烈的黄色。样本中存在的农药越多，产生的黄色就越深，这使得团队能够精确计算出其中含有多少毒素。他们发现，这种方法可以检测到极微量的农药，范围从极小的毫摩尔分数到稍大的浓度，其检测限足够低，足以满足食品安全的需求。为了证明这种材料不仅仅是一种单一功能的工具，团队还使用了一种电学方法对其进行了测试。由于反应产生的黄色物质可以携带电流，他们将该材料附着在电极上并测量电信号。这种第二种方法甚至更加灵敏，能够发现更微小的农药痕迹，证实了该材料可以同时以两种不同的方式发挥作用。
对于任何新传感器来说，最重要的测试之一就是它是否会被其他物质干扰。在果汁或土壤样本中，存在许多可能误导探测器的不同化学物质。研究人员用各种常见物质（包括糖、盐和其他类型的农药）对这种新材料进行了测试。结果显示，该材料具有极高的选择性。它仅对它所设计的特定农药——甲基对硫磷产生强烈反应，并很大程度上忽略了其他化学物质。这种高水平的选择性意味着该传感器在实际食品中使用时不太可能产生误报。此外，该材料表现出了坚韧和可靠的特性。它可以重复使用而不会丧失工作能力，并且在储存近一个月后仍保持有效，这表明它足以稳定地在受控实验室之外的环境中使用。
为了观察这一发现能否在现实世界中发挥作用，团队在真实的食品样本上测试了其方法。他们采集了芹菜、苹果和葡萄，并在其中加入了少量的已知农药。利用这种新材料，他们能够高精度地检测出添加的毒素，回收了几乎所有投入其中的农药。在真实食品样本中的成功表明，该方法已准备好从实验室走向实地应用。研究人员得出结论，这种新材料提供了一个强大的食品安全工具。通过结合分解毒素与通过颜色或电学进行检测的能力，CeO2@ZIF-90 材料提供了一种快速、廉价且可靠的方法来监测食品中的危险残留物，有望帮助保护消费者并确保我们餐桌上的食物是安全的。
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