基于三维适配体传感器的蔬菜中有机磷农药多残留同步检测方法研究

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有机磷农药因其防治农作物病虫害的功效而被广泛应用于农产品生产中。然而,农产品或环境中残留的有机磷农药能够进入人体,严重危害人体神经功能。特别是长期低剂量接触有机磷农药,可导致肌肉功能障碍、肿瘤和生育不良。农药残留引起的食品污染已成为全球关注的食品安全、健康保护和公共安全问题,同时,农药残留的多样化和复杂性,给检测工作带来极大挑战。传统的多种有机磷农药残留分析技术具有很高的灵敏度和选择性,但仍存在一些缺陷,如耗时长、操作复杂、要求昂贵的专用设备等。因此,研究建立快速、简便、灵敏的多种农药残留同时检测策略是解决这一问题的有效途径。近年来,适配体传感器技术在有机磷农药检测中得到了广泛的应用。适配体(Aptamer,APT)是一段经体外筛选得到的能与相应靶标进行高亲和力、特异性结合的寡核苷酸序列。与单链DNA相比,双链DNA分子不易弯曲和折叠,因此,近年来人们将DNA四面体纳米结构引入到适配体传感器的构建中。DNA四面体纳米结构是一种新型的DNA结构,不仅具有相对稳定的三维刚性结构,它还可以通过构建空间分离的悬垂探针来减少电极表面的局部过度拥挤效应,能够有效提高与靶标农药的结合效率和适配体传感器的抗干扰能力。本文以适配体作为识别元件,设计构建了更加稳定的适配体纳米结构,对多种有机磷农药残留同时检测传感器的构建方法进行了探索和研究,主要研究内容如下:(1)在可以识别多种有机磷农药的适配体序列的基础上进行了针对性剪切、再构造,利用金纳米颗粒(Au NPs)和DNA四面体纳米结构(DNA tetrahedral nanostructure,DTN)组装了一种金字塔型核酸探针载体平台(Au NPs-DTN),以此构建了一种超灵敏的电化学适配体传感器(Au NPs-DTN传感器)。所设计的Au NPs-DTN结构不仅可以降低空间位阻,而且可以提高核酸探针与靶标农药的杂交效率。此外,将所构建的传感器与基于单链适配体(Single-Stranded Aptamer,ss APT)的传感器性能进行比较,结果发现本实验设计的Au NPs-DTN传感器有更高的灵敏性。在最佳检测条件下,辛硫磷、杀螟硫磷、倍硫磷、对硫磷和甲基对硫磷的检测限分别为0.07 pg/m L、0.8 pg/m L、0.7pg/m L、0.7 pg/m L和0.08 pg/m L。将所研制的适配体传感器应用于实际蔬菜样品中,加标回收率为91.6%~106.6%(n=3)。(2)为实现对多种有机磷农药残留的同步检测,以金属离子为信号示踪剂,具有发夹结构的四面体DNA纳米结构为传感骨架,纳米复合材料为信号放大策略,研制了一种可同时检测马拉硫磷和丙溴磷的双比率电化学竞争传感器。在这里,硫堇(Thi)标记的具有发夹结构的四面体纳米结构DNA(HP-TDNThi)提供了单独和特异性的结合位点,以组装Pb2+标记的马拉硫磷适配体(Pb2+-APT1)和Cd2+标记的丙溴磷适配体(Cd2+-APT2)。当靶标农药存在的情况下,Pb2+-APT1和Cd2+-APT2从HP-TDNThi互补链中释放,导致Pb2+和Cd2+氧化电流降低,而Thi氧化电流保持不变。这样,IPb2+/IThi和ICd2+/IThi的氧化电流比值分别被用来定量地检测不同浓度的马拉硫磷和丙溴磷。同时,将Au NPs封装在ZIF-8内部的纳米复合材料(Au@ZIF-8)大大增加了HP-TDNThi的捕获量,从而放大了检测信号。而组装的HP-TDN刚性三维结构可以大大提高传感界面的组装和识别效率,这使得基于HP-TDNThi的适配体传感器表现出较高的灵敏度、稳定性和抗干扰能力。在最佳实验条件下,双比率电化学竞争传感器对马拉硫磷和丙溴磷的检测限分别为4.3 pg/m L和13.3 pg/m L。
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