基于DTTO的双模式荧光和比色探针，通过Cu2+竞争性配位实现蔬菜中草甘膦的快速检测

《Talanta》：DTTO-Based Dual-Mode Fluorescent and Colorimetric Probe for Rapid Glyphosate Detection in Vegetables via Cu2+ Competitive Coordination

草甘膦检测中新型荧光探针DPAP-DTTO的开发及其智能手机辅助定量分析研究

　　

侯亚文|侯玉娇|徐若峰|余振中|陈斌

浙江宁波大学材料科学与化学工程学院，中国宁波315211

摘要

草甘膦是一种已知的致癌物，在农作物种植中广泛使用，对人类健康构成严重威胁。因此，需要开发出灵敏且快速的检测方法。在本研究中，我们报道了一种新型荧光探针2-(4-(双(吡啶-2-基甲基)氨基)苯基)二噻吩[3,2-b:2',3'-d]噻吩4,4-二氧化物（DPAP-DTTO）的构建与应用，该探针基于Cu²⁺的竞争性配位作用，用于智能检测蔬菜中的草甘膦残留。在Cu²⁺存在下，该探针与草甘膦发生竞争性配位，导致DPAP-DTTO的荧光强度与草甘膦浓度之间存在明显的线性关系。通过使用智能手机应用程序分析探针溶液的R/B值，我们进一步建立了其与草甘膦浓度的强线性相关性。这种综合方法为快速、智能地测定草甘膦提供了可行的方案，从而增强了食品安全监测，确保了饮食安全。

引言

草甘膦是一种系统性且具有传导性的有机磷除草剂，由于其广泛的适用性和有效的杂草控制效果，是全球使用最广泛的除草剂[1]、[2]、[3]、[4]。然而，其大规模使用导致其在农产品和土壤中的积累[5]。此外，草甘膦可通过降水进入河流、地下水和海洋，对生物多样性和生态系统安全构成威胁[6]、[7]。草甘膦被归类为2A类致癌物，过量摄入还可能造成中枢神经系统损伤和其他器官病变[8]、[9]、[10]。因此，许多国家和地区已采取立法措施，包括禁止其使用和滥用。美国、加拿大和欧盟等领先国家已制定了农作物中草甘膦的最低残留标准，以保护公众健康[11]、[12]。中国特别规定大多数作物中草甘膦的最大污染物含量（MCL）为0.1 mg/kg（GB 2763-2021）[13]。因此，开发简单、准确且有效的草甘膦残留检测方法至关重要。

目前常用的草甘膦检测技术包括高效液相色谱（HPLC）[14]、气相色谱-质谱（GC-MS）[15]、[16]、毛细管电泳（CE）[17]、酶联免疫吸附测定（ELISA）[18]、分光光度法[19]和离子色谱[20]。然而，这些方法通常需要较长的样品预处理过程，检测成本较高，并且检测速度较慢，阻碍了草甘膦的有效分析[21]。近年来，荧光探针在污染物检测中得到了广泛应用，因为它们具有操作简便、灵敏度高、选择性优异、响应迅速和成本低等优点[22]、[23]、[24]、[25]、[26]、[27]、[28]、[29]、[30]、[31]。然而，草甘膦分子本身缺乏荧光基团和特征识别位点，这给直接检测带来了挑战，限制了针对其特异性识别的荧光探针的开发[32]、[33]。幸运的是，草甘膦分子中的氧原子和氮原子能够与Cu²⁺形成螯合物[34]、[35]。这一特性使得可以利用设计用于Cu²⁺的荧光探针，通过竞争性配位间接测定草甘膦浓度。陈等人使用金属有机框架和Cu²⁺作为探针来检测水溶液中的草甘膦。Cu²⁺在竞争性配位过程中作为“隐藏指示剂”，改变了探针的荧光信号[36]。郭等人发现叶绿素和Cu²⁺具有中等配位强度，会导致草甘膦破坏探针复合物[37]。傅等人将Cu²⁺的螯合基团引入分子探针中，实现草甘膦的竞争性配位[38]。理想情况下，用于与草甘膦竞争Cu²⁺配位的荧光探针应具有优异的荧光性能和对Cu²⁺的中等结合亲和力。

基于这种竞争性配位策略，本文报道了一种名为DPAP-DTTO的新型荧光探针，用于灵敏检测草甘膦。该探针结合了具有高发光效率和光稳定性的二噻吩[3,2-b:2',3'-d]噻吩4,4-二氧化物（DTTO）荧光团，以及具有高亲和力和选择性Cu²⁺配位能力的二(2-吡啶基)胺（DPA）受体[39]、[40]、[41]。其传感机制通过可逆的荧光“开-关-开”开关实现：DPA首先与Cu²⁺配位形成非荧光的DPAP-DTTO-Cu²⁺复合物（通过配体到金属的电荷转移LMCT）。随后，草甘膦竞争性地取代Cu²⁺，DPAP-DTTO的荧光恢复。这种合理设计的传感平台有望提供多种优势，包括快速响应、高选择性和可见的颜色变化，便于通过智能手机辅助进行现场食品安全监测的定量检测。

试剂和设备

二噻吩[3,2-b:2',3'-d]噻吩（98%）、4-(4,4,5,5-四甲基-1,3,2-二氧杂硼烷-2-基)苯胺（98%）、K₂CO₃（98%）、Pd(PPh₃)₄（98%）、t-BuONa（98%）、Pd(OAc)₂（98%）、Xantphos（97%）购自上海浩鸿生物医学科技有限公司。AlCl₃（98%）、CaCl₂（94%）、FeCl₃（95%）、MgCl₂（99%）、KCl（99.5%）、NaCl（99.8%）、MnCl₂（99%）、CoCl₂（98%）、NiCl₂（98%）、LiCl（99%）、ZnSO₄（99%）、CuCl₂（98%）、草甘膦酸铵（98%）、氟磺隆钠（98%）、丁烯氟草酮（97%）、尼丁吡胺（95%）等试剂均来自相同公司。

探针设计与响应机制

为了实现对蔬菜样品中草甘膦的灵敏、选择性和便捷检测，该荧光探针被设计为在检测到草甘膦时同时改变荧光强度和溶液颜色。这种双重响应能力使得可以通过荧光强度进行灵敏的定量分析，并通过与智能手机应用程序结合实现基于颜色变化的智能检测。因此，在探针构建过程中，既考虑了配位结构，也考虑了荧光特性。

结论

总结来说，我们开发了一种用于草甘膦检测的荧光探针DPAP-DTTO。DPAP-DTTO与Cu²⁺之间的竞争性配位会破坏DPAP-DTTO-Cu²⁺复合物的结构，从而显著增强荧光强度。此外，草甘膦浓度与DPAP-DTTO荧光强度之间存在良好的线性关系，使得可以通过快速的荧光变化实现灵敏、快速和特异的草甘膦检测。

CRediT作者贡献声明

侯亚文：撰写——原始草案、验证、方法学设计、实验研究、数据整理。侯玉娇：正式数据分析。徐若峰：软件开发。余振中：撰写——审稿与编辑、概念构思。陈斌：撰写——审稿与编辑、监督、资源获取、资金筹措、概念构思

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

数据获取

数据可应要求提供。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：22205120）和永江人才引进计划的资助。