魏辉课题组：纳米酶传感器阵列检测农药的新策略

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现代工学院魏辉教授课题组与中国农业大学郭红超教授团队合作，利用石墨烯基纳米酶构建传感器阵列，用于芳香类农药的检测。该成果以“Nanozyme Sensor Arrays Based on Heteroatom-Doped Graphene for Detecting Pesticides”为题，于近期发表于Analytical Chemistry杂志上（https://doi.org/10.1021/acs.analchem.9b05110）。论文发表后被Chemistryviews.org网站以 “Colorimetric Nanozyme Sensors for Detecting Pesticides” 为题进行了报道。
       农药是用于防治病虫害以及调节植物生长的一类化学药剂。农药的残留不仅会污染环境，破坏生态，还会影响人类健康，导致严重疾病。因此，对农药的检测十分重要。
      传统农药检测方法包括气相/液相色谱法、酶联免疫吸附测定（ELISA）、生物传感器等。色谱法需要购买昂贵的仪器，需要经过复杂繁琐的样品准备过程；ELISA和生物传感器需要用到抗体和天然酶，不仅成本高，而且容易失活，需要针对不同农药设计和使用对应的抗体和天然酶，因此检测种类单一。
       近年来，随着纳米技术的发展，一些纳米材料被发现具有天然酶的活性，将这些纳米材料称作纳米酶。纳米酶价格低廉，易于制备，稳定性好，在高温下依然能够保持良好活性，有利于长时间的储存，是天然酶的有效替代品。传感器阵列克服了传统传感器“锁钥模式”一对一检测的缺点，利用多通道、多模式的传感方式，针对多个检测物设计产生多维信号响应，得到交叉响应的数据阵列，在多维数据分析工具处理下生成对应不同检测物的特征点簇，即指纹图，应用标准指纹图，可以对多个物质进行鉴别分析，从而实现高通量检测。近来，魏辉研究组发展了系列纳米酶传感器阵列，用于磷酸盐、碱性磷酸酶、生物硫醇、蛋白质以及肿瘤细胞的检测和磷酸酶催化磷酸盐水解反应的监测（Anal. Chem. 2018,90, 9983-9989; Anal. Chem. 2018,90, 11696-11702; Anal. Chem. 2019,91, 10648-10656; Journal of Materials Chemistry B 2020, DOI: 10.1039/C9TB02542A.）。
本工作将纳米酶与传感器阵列结合用于农药检测，不仅降低成本，稳定性好，而且能够实现多个样品同时检测，提高了检测效率。本课题利用氧化石墨烯（GO）合成了氮掺杂石墨烯（NG）与氮硫双掺杂石墨烯（NSG），实验证明三种材料都具有优异的类过氧化物酶活性，能够催化过氧化氢与TMB反应生成蓝色产物。芳香类农药能够与石墨烯基纳米酶产生π-π吸附作用，掩蔽石墨烯基纳米酶的活性位点，从而降低类过氧化物酶活性，产物蓝色减弱。因此，本工作利用这三种材料构建了3通道的比色型纳米酶传感器阵列，用于五种芳香类农药（乳氟禾草灵、氯氟吡氧乙酸异辛酯、苄嘧磺隆、氟磺胺草醚、丁醚脲）的检测。

图. 石墨烯基纳米酶构建的传感器阵列用于芳香类农药检测的机理。

       实验发现不同农药对三种石墨烯基纳米酶活性的抑制各不相同。通过分子动力学模拟得到的农药分子与石墨烯基纳米酶之间的吸附能也各不相同，这一理论结果也与实验结果相互印证。基于以上结论，我们利用石墨烯基纳米酶构建的传感器阵列对五种农药进行检测，结果显示传感器阵列能够在5-500 μM这一较宽浓度范围内有效区分五种农药。同时，传感器阵列能够区分同种农药0-1000 μM之间的11种不同浓度。此外，纳米酶传感器阵列还能区分同一浓度下两种农药不同比例的混合物。
       最后，为了探究纳米酶传感器阵列在实际应用中的可行性，我们发现在金属离子、蛋白质、生物硫醇这些干扰物存在下，虽然对石墨烯基纳米酶的活性产生了影响，但是传感器阵列依然能够有效区分五种农药。利用加样法得到五种农药的实际土壤样品，同样能够被纳米酶传感器阵列区分。这些结果验证了纳米酶传感器阵列在实际应用中的可行性。
       本工作将纳米酶与传感器阵列结合用于芳香类农药检测，不仅降低成本，而且方便快捷，提高了检测效率。本工作拓展了纳米酶在农药检测方面的应用，为食品安全检测和环境保护做出了积极的贡献。
      南京大学魏辉教授和中国农业大学郭红超教授为论文的共同通讯作者，南京大学现代工学院硕士生朱昀瑶和研究员武江洁星为论文的共同第一作者。中国农业大学的韩丽君副教授、魏辉教授课题组王小宇博士、天津大学李韡教授亦为本工作提供重要的帮助与支持。
       文章来源：南京大学
       魏辉，南京大学教授、博士生导师、国家人才计划入选者、英国皇家化学会会士（Fellow of the Royal Society of Chemistry）。2003年本科毕业于南京大学化学系，期间在夏兴华教授小组从事研究工作。同年进入中国科学院长春应用化学研究所电分析化学国家重点实验室汪尔康院士小组攻读研究生，2008毕业获博士学位。之后分别在陆艺教授与聂书明教授小组从事博士后研究工作。2013年加入南京大学现代工程与应用科学学院。
自开展研究工作以来，在Nature Nanotechnology、Chemical Society Reviews、Analytical Chemistry、Chemical Science等国际学术期刊上发表50余篇研究论文，论文被引用3000余次，H-指数为29。目前，研究工作集中在生物纳米功能材料、生物纳米医学、生物分析与传感等方面。现任自然(Nature)出版社《Scientific Reports》杂志编委。