Dual-Mode Colorimetric-SERS Detection of Fenthion Pesticide with γ-Cyclodextrin-Capped Nanozymes
本研究提出了一种具有成本效益的双模态传感平台，该平台利用 -环糊精封端的纳米酶，通过主体-客体诱导聚集的机制，同时提供比色和 SERS 读取结果，用于对农业样品中的涕定的敏感检测。
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在现代农业世界中，农民依赖化学工具来保护农作物免受那些否则会吞噬收成的害虫的侵害。在这些工具中，被称为有机磷农药的一类特定化学物质被广泛用于确保粮食安全。然而，这些物质也带来了沉重的代价：它们对人类和野生动物具有毒性，且其残留物会留在水果和蔬菜上，进入食物链并带来公共健康风险。由于这种危险，世界各地的政府都对这些农药在食物中残留的量设定了严格的限制。检测这些微小的毒素痕迹是一项艰巨的任务。实验室中使用的传统方法虽然高度精确，但需要昂贵的机器、复杂的制备过程和熟练的操作员，这使得它们无法在现场进行快速检查。因此，科学家们正在寻找更简单、更快速的方法来发现这些危险的残留物，而无需完整的实验室，目标是开发出一种既足够敏感以发现微量物质，又足够简单以便任何人都能使用的检测方法。
贝尔法斯特女王大学的研究人员开发了一种新的传感平台，通过结合两种不同的“看见不可见”的方式来应对这一挑战。他们的工作重点是百分之百硫磷（fenthion），这是一种广泛使用且在环境中特别持久的农药。该团队制造了由银组成的微小球形颗粒，并用一种称为γ-环糊精（gamma-cyclodextrin）的天然糖分子对其进行了涂层处理。这些颗粒具有双重用途。首先，它们作为纳米酶（nanozymes）发挥作用，即模拟天然酶的作用以触发化学反应。当与特定的化学溶液混合时，这些银颗粒会将液体变为深蓝色。其次，这些相同的颗粒非常擅长放大光信号，这一特性使它们能够像强大的放大镜一样，放大分子的独特“指纹”，这种技术被称为表面增强拉曼散射（surface-enhanced Raman scattering）。
这项发现的核心在于这些颗粒在存在百分之百硫磷时的反应方式。银颗粒上的γ-环糊精涂层具有中空的、环状的形状，起到了分子陷阱的作用。当百分之百硫磷引入时，它能完美地契合进这些陷阱，导致单个银颗粒粘在一起并聚集成更大的群体。这种聚集以两种截然不同的方式改变了颗粒的行为。在第一种模式下，聚集阻止了颗粒执行其酶促工作。液体不再变成深蓝色，而是保持苍白或变为绿褐色，从而为农药的存在提供了一个简单的视觉警告。在第二种更敏感的模式下，聚集破坏了颗粒放大光信号的方式。研究人员发现，随着百分之百硫磷含量的增加，来自蓝色化学产物的光信号强度会降低。这创造了一种可靠的关系：信号越暗，表示存在的农药越多。
团队以严谨的精度测试了这一系统。他们发现，颜色变化法可以检测到浓度低至 0.618 ppm（百万分之一）的百分之百硫磷，这足以进行快速视觉筛查。然而，基于光的方法要敏感得多，能够检测到低至 7.8 ppb（十亿分之一）水平的农药。这意味着该系统可以发现远低于国际法规设定的安全限值的微量百分之百硫磷。研究人员还证实该系统具有高度的选择性。当他们将颗粒暴露于其他常见农药或不同类型的化学物质时，颗粒并不会以同样的方式聚集或改变其信号。该系统专门对百分之百硫磷做出反应，是因为百分之百硫磷分子与糖陷阱契合并结合到银表面的方式是独特的。
为了证明这种方法在现实世界中的有效性，研究人员将其应用于实际食物。他们选取了常见的作物——番茄，并在其表皮上施加了极少量的百分之百硫磷。通过使用简单的拭子擦拭表面并收集残留物，他们能够在不切割或压碎番茄的情况下，直接检测到其表面的农药。在这些现实世界的测试中，该系统成功识别出了浓度低至 0.18 ppm 的百分之百硫磷。结果表明，该方法不仅灵敏而且准确，其测量结果与施加的已知农药量高度吻合。这种双模态方法为食品安全提供了一个实用的解决方案：简单的颜色变化可以为农药的存在提供即时的、低成本的警报，而更先进的光分析则可以高精度地确认确切含量。通过将分子识别、催化活性和光放大功能整合到一个单一且易于使用的系统中，这项研究为监测食品安全和保护环境免受有害化学残留物侵害提供了强大的新工具。
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