01. 研究背景

面向我国智慧农业建设、食品安全监管及公共安全监测的迫切需求,发展高效、灵敏、准确的农药传感器作为农业物联网节点是国家实现农业信息化的重要技术支撑。传统的农药残留检测技术(如色谱法和质谱法)具有准确度高、灵敏度高等特点,但成本昂贵、操作程序复杂、携带不便和耗时长等问题限制了其在农药残留现场检测中的应用。因此,发展适用于农药现场检测的便携化检测技术已成为本领域的研究前沿和热点。

02. 研究内容

我实验室卢革宇教授、闫旭副教授团队通过在双网络水凝胶中嵌入金纳米团簇@沸石样咪唑框架(AuNCs@ZIF)复合材料来设计聚集诱导发射(AIE)活性水凝胶盘，以构建敏感的农药生物传感器。相关工作以“Flexible Aggregation-Induced Emission-Active Hydrogel for On-Site Monitoring of Pesticide Degradation”为题发表在国际著名期刊ACS NANO上。

03.研究要点

要点1. AuNCs@ZIF的合成及结构表征

AuNCs@ZIF的制备过程如图1a所示。以谷胱甘肽为还原剂和稳定剂制备荧光AuNCs(纳米原料)。通过Zn(II)与谷胱甘肽的羧基或2甲基咪唑的N原子的配位作用，成功得到AuNCs@ZIF复合材料，该复合材料具有典型的菱形十二面体形状，平均直径为230±20 nm(图1b)。

通过高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)仔细观察，aunc主要包裹在复合材料的亚表面区域(图1c)。该结果与图1d中的能谱(EDS)测图一致。AuNCs@ZIF复合材料的共聚焦激光扫描显微照片获得了AuNC包封的其他证据(图1e)。红发荧光表征了合成物中aunc的分布。同时，x射线衍射(XRD)测量证实了复合材料中ZIF-8的形成，表明aunc的加载没有影响ZIF-8的晶体生长。Brunauer - Emmett - Teller (BET)分析显示，与纯ZIF-8 (988.2 m²/g)相比，AuNCs@ZIF复合材料的表面积(855.3 m²/g)略有减少，进一步证明了aunc被包裹在ZIF-8中(图1f)。

在AuNCs@ZIF复合材料的结构表征之后，我们开始测量荧光纳米结构的亮度。令我们高兴的是，AuNCs@ZIF复合材料的荧光强度比游离AuNCs增强了四倍(图1g)。纯ZIF-8在578 nm处无特征发射峰，说明复合材料的荧光特性来自aunc。在图1h时间分辨测量的基础上，复合材料的荧光寿命(16.8 μs)高于自由aunc的荧光寿命(12.8 μs)，说明限制aunc的自由运动抑制了非辐射弛豫路径，进一步提高了荧光寿命。x射线光电子能谱(XPS)分析显示，AuNCs中存在Au 4f5/2 (87.33 eV)和Au 4f7/2 (83.58 eV)，表明荧光强度的增强不是由Au电荷态的变化引起的(图1i)。

图1：(a)说明AuNCs@ZIF的编制过程。(b) AuNCs@ZIF的TEM和(c) HRTEM图像。(d) AuNCs@ZIF对应的EDS测绘图像。(e) AuNCs@ZIF共聚焦荧光显微镜图像。(f) AuNCs@ZIF的BET。(g) AuNCs和AuNCs@ZIF的荧光光谱。(h) aunc和AuNCs@ZIF的荧光寿命。(i) AuNCs@ZIF的Au 4f XPS谱。

要点2. AIE活性水凝胶的性能评价

通过扩散杂交法将AuNCs@ZIF复合材料包埋到水凝胶体系中制备aie活性水凝胶(图2a)。在构建刺激反应水凝胶的共组装过程中，戊二醛交联牛血清白蛋白(BSA)和Ca (II)介导的海藻酸盐(SA)连接自分选结合形成双网络结构。

两种凝胶的自分类聚集可以增强分子间的合作相互作用，提高交联强度。水凝胶片的照片处于湿润状态，测得水凝胶片的厚度为0.35±0.04 mm(图2b)。水凝胶的微观结构通过成像研究进行了详细表征。扫描电镜(SEM)观察表明，双网状水凝胶由缠绕的纤维和键结合组成，形成致密的三维网络(图2c)。水凝胶的透射光谱表明，光阻率几乎不随固定化而改变AuNCs@ZIF(图2d)。考察了水凝胶盘在不同温度下的操作稳定性，评价了水凝胶基质的保护作用。水凝胶盘在高温(55℃和75℃)下暴露后，红色发射保持一致(图2e)，这归因于ZIF-8和水凝胶中的aunc的保护作用。在为期两周的贮存期内，测定了aie活性水凝胶片的保质期。从图2f的结果可以看出，具有亮度荧光的水凝胶片在两周的储存时间内没有降解现象，说明水凝胶片具有良好的长期储存稳定性。此外，水凝胶盘浸泡在水中，并在- 4°C下保存28天。红色发射荧光主要分布在水凝胶圆盘中，渗出液中未发现荧光，说明水凝胶在28天内未发生AuNCs@ZIF泄漏。

生物污染是一种不良影响，它阻断了特定的信号，降低了检测的特异性，导致严重的假阳性和灵敏度差。通过与罗丹明B (RhB)标记的牛血清白蛋白(电负性)、RhB标记的肌红蛋白(电中性)和RhB标记的细胞色素(电正性)孵育，进行蛋白质吸附试验，以评估水凝胶盘的防污能力。

值得注意的是，与rhb标记的蛋白孵卵30分钟后，表面相对清洁的双网水凝胶盘上没有观察到红色发射信号，表明双网水凝胶对BSA和SA的非特异性蛋白吸附具有良好的抗性(图2g)。

图2：(a) BSA和SA的自分选组装形成双网状水凝胶。(b)水凝胶盘图像。(c)水凝胶圆盘的SEM图像。(d)水凝胶圆盘的透射光谱。(e)水凝胶盘的温度稳定性。(f)水凝胶盘的储存稳定性。(g)海藻酸盐基水凝胶盘和双网水凝胶盘的防污性能。

要点3 水凝胶盘增强传感平台

AIE活性水凝胶盘的优异性质有利于制造准确可靠的酶基生物传感器(图3a)。具体来说，组装后的AuNCs@ZIF坍塌为乙酰胆碱酯酶(AChE)催化乙酰硫代胆碱(ATCh)水解得到的酶产物硫代胆碱(TCh)。与初始AuNCs@ZIF相比，典型的菱形十二面体形状开始分解，aunc开始从框架上脱落。以毒死蜱为代表分析物时，AChE发生不可逆失活，ZIF的分解被阻断，荧光颜色发生明显变化(图3b)。因此，毒死蜱间接调节了AuNCs的AIE效应，该效应可以通过动态扫描光学系统进行量化，但限制了其现场应用。为了简化系统，我们制作了一个尺寸为188 mm × 95 mm × 50 mm(长×宽×高)的便携式设备，由智能手机，3d打印配件和发光二极管组成(图3c,d)。光源-样品-相机的相对位置被合理地固定在一个3D附件中，以考虑图像采集过程中的不稳定性限制。商用发光二极管(2.5 mW/cm²)以15°入射角照射水凝胶片，降低了激发光泄漏的背景噪声。该便携式设备可通过智能手机内置的互补金属氧化物半导体(CMOS)传感器直接记录荧光颜色(信号)，而不是测量荧光强度，便于现场应用。值得注意的是，智能手机的微镜头不仅实现了1:1的图像记录，还能感知弱光强度，有利于获取高质量的图像。图3e的上面板显示了便携式设备捕获的水凝胶盘的真彩图像。随着毒死蜱浓度的增加(0.5 ~ 10 000 ng/mL)，水凝胶片的荧光颜色由蓝色变为红色。为了从图像中获得更准确的信息，可以通过图像处理算法将投影信号(荧光色)分成三种原色码(RGB:红、绿、蓝)。48−50在最佳条件下，随着毒死蜱浓度的增加，水凝胶片的蓝色和红色信号增强(图3f)，获得双信号荧光变化。

将信号标准化(B × R)，将蓝色强度值与红色通道相乘得到伪颜色(图3e底部面板)，通过放大响应信号增强相应颜色的准确性和灵敏度。这种伪色移有利于快速检测，因为毒死蜱浓度大于50 ng/mL且呈明显绿色表明残留超过最大残留限量(GB 2763-2021)。B × R与毒死蜱浓度(0.5 ~ 10 000 ng/mL)的拟合曲线符合线性方程:y = 0.974 + 0.240 Log[毒死蜱](图3g)。值得注意的是，计算出B × R响应的检出限(LOD)为0.2 ng/mL，分别比其他信号响应传感器低20倍和37.5倍，证实了B × R响应的优越性。当直接识别荧光颜色而不是荧光强度时，基于rgb的图像分析可以提高检测结果的准确性。对比不同的有机磷农药检测光学传感器，制备的水凝胶片在灵敏度、检测时间、便携性等方面均表现出良好的性能，实现了特定时刻毒死蜱存在的定量报警。

04.结论

在本章工作中，我们已经成功开发了AIE活性水凝胶圆盘，用于灵敏地获取农药残留信息。在凝胶过程中，AuNCs@ ZIF复合材料被嵌入戊二醛交联BSA和Ca(II)介导的海藻酸盐自分选结的双网络结构中，具有独特的AIE行为和操作稳定性。值得注意的是，交联的BSA使双网水凝胶具有良好的识别界面防污能力，这是一种实用而重要的性能。基于AChE的高亲和力，水凝胶盘在0.5 ~ 10000 ng/mL毒死蜱农药范围内呈良好的线性关系。利用自制的3d打印配件和智能手机组成的便携式装置，将水凝胶片的荧光图像转换为数据信息，准确定量毒死蜱农药，LOD为0.2 ng/mL。随着生物分析参数的改进(特别是在检测灵敏度、防污性能和稳定性方面)，水凝胶盘也缩短了总体分析时间，减少了试剂消耗，简化了现场测试的读出仪器。更重要的是，利用便携式装置检测毒死蜱在大白菜中的动态降解。为农药残留的现场定量提供了一种植物健康传感器，满足了整个生育期的长时间监测，提高了农药利用效率，减少了农药暴露。我们设想，与自制装置相结合，AIE活性水凝胶盘将促进精准农业的发展。

05.参考文献

Yan, X.; Wang, T.; Li, H.; Zhang, L.; Xin, H.; Lu, G. Flexible Aggregation-Induced Emission-Active Hydrogel for On-Site Monitoring of Pesticide Degradation. ACS Nano 2022, 16 (11), 18421-18429.

DOI: 10.1021/acsnano.2c06544

原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.2c06544