壳聚糖寡糖-三聚磷酸钠复合物对高内相乳液的稳定性调控：在提高烟酰胺单核苷酸和南极磷虾油的稳定性及生物利用度方面的应用

《Food Chemistry》：Stabilization of high internal phase emulsions by chitooligosaccharide?sodium tripolyphosphate complexes: Application in enhancing stability and bioaccessibility of nicotinamide mononucleotide and Antarctic krill oil

农药残留自动检测系统研究；微流控芯片；磁流体操控；双色比色法；阿托品酯酶抑制检测

　　

王珊|吴柴勇|冯浩特|刁慧婷|贾志坚|梁白辉|甘宁|于振中

浙江省健康与智能厨房工程研究中心，宁波315336，中国

摘要

农作物中过量的农药残留对食品安全和人类健康构成严重威胁，因此需要简单可靠的检测方法。本研究提出了一种集成磁流体的自动化微流控生物传感平台，用于有机磷农药的双色检测。该系统利用乙酰胆碱酯酶（AChE）介导的金纳米粒子聚集来产生比色信号。由Arduino控制的步进电机驱动磁铁，在微通道内精确操控AChE功能化的磁珠，实现目标识别的自动化、清洗和检测。连接到Arduino的便携式RGB传感器用于量化颜色变化。该设备对马拉硫磷的检测限低至0.012 μg/mL，检测时间为22分钟，线性范围为0.02–1.5 μg/mL。此外，这种检测方法具有广泛的应用性，并在各种食品基质中表现出优异的检测性能。该平台为自动化、灵敏且用户友好的农药残留监测提供了一种创新方法。

引言

在现代农业中，农药被广泛用于预防疾病和提高食品产量（Jiang等人，2024；Zhou, Li, & Achal, 2025）。有机磷农药（OPs）是一类常见的广谱农药，以其高效性而闻名（Fu等人，2022）。然而，它们也具有高毒性，并已被证明会损害人类的神经系统、生殖系统和免疫系统等（Ajiboye, Oladoye, Olanrewaju, & Akinsola, 2022；Jokanovi?, Oleksak, & Kuca, 2023）。尽管大多数国家和地区已禁止使用有机磷农药，但其非法使用及其持久性确保了它们在食品供应中的持续存在（Kalyabina, Esimbekova, Kopylova, & Kratasyuk, 2021）。色谱-质谱法（GB 2763–2021）和基于乙酰胆碱酯酶（AChE）抑制的比色法（GB/T 5009.199–2003）是中国检测有机磷农药的两项金标准方法（Jan等人，2025；Saad, Elfeky, El-Gamel, & Abo Dena, 2025；Su等人，2024）。然而，前者需要昂贵的大型仪器，仅限于实验室使用；后者仅依赖单色变化指示剂，缺乏直接视觉量化的灵敏度。因此，它主要用于现场环境的定性或半定量分析。因此，建立可靠、灵敏且便携的有机磷农药监测分析方法对于确保食品和农产品的安全至关重要。

多色比色法是一种有前景的可视化检测方法（Aghili, Abbariki, Daneshgar, Edrisi, & Rabiee, 2025；Yu等人，2020）。与单色方法不同，该技术利用多色变化实现更高的颜色分辨率和灵敏度，便于肉眼检测。这一优势源于人眼在单色系统中难以区分细微的强度变化，而在多色系统中可以区分明显的色调变化（Zhang等人，2020）。金纳米粒子（AuNPs）因其尺寸和形状依赖的光学特性以及极高的消光系数（约为传统有机染料的1000倍）而成为这一领域的突出显色剂（Hang, Wang, & Wu, 2024；Ran等人，2025）。这些特性使得颜色变化明显且易于观察。在利用AuNPs的比色策略中，基于聚集的检测方法在便利性和速度上优于原位生长或蚀刻方法。分散的AuNPs呈现红色，聚集后变为钢蓝色（Chen等人，2024；Hua, Yu, Liu, & Xianyu, 2021）。这种明显的可见区域转变使得基于聚集的系统非常适合现场农药残留检测。通过用L-半胱氨酸、谷胱甘肽和α-环糊精等保护性配体对AuNPs进行功能化，研究人员可以通过调节表面电荷特性精确控制聚集状态。这种电荷调控的聚集策略能够实现ppb级别的农药超灵敏检测（Chien, Su, Hu, Yeh, & Lin, 2022；Mehta等人，2022；Sahu, Kurrey, Deb, Khalkho, & Manikpuri, 2023）。

然而，重复的清洗、孵育和分离步骤带来了繁琐的操作和操作错误。利用新型多色视觉检测策略简化操作并加快现场测试仍然是一个巨大挑战。微流控技术为这些需求提供了有效的解决方案，具有易于集成、高度微型化、用户友好和快速检测等优点（Fattahi & Hasanzadeh, 2022；Huang等人，2025）。这种方法将试剂转移、目标识别、反应、分离和信号检测整合到一个微型“芯片实验室”平台中（Hou等人，2025；Z. Jiang, Shi, Tang, & Qin, 2023）。精确的流体控制是微流控系统的关键。为了消除对外部昂贵注射泵的依赖，已经开发了无需设备的驱动力，包括离心、毛细管和手指驱动机制（Chen, Mei, Zhao, & Jiang, 2020；Li等人，2022；Y. Liu等人，2023；Qi等人，2022）。最近，Yang和Zhu的团队开创了一系列创新的磁流体控制微流控生物传感器（Liu等人，2020；Shen等人，2022）。这些系统使用生物分子功能化的磁珠（MBs）作为移动的固相元素，而不是传统的仅限于前后运动的液体。与传统的微流控技术不同，磁引导的磁珠在通道内实现自由的全向运动。这一独特能力扩展了生物传感的设计可能性。此外，磁流体的流动可以通过磁铁的运动来控制，从而减少对精密注射泵的依赖，有效降低检测成本。然而，这些系统目前仍需要手动操作磁铁，阻碍了标准化分析的实现。完全自动化仍然是下一代微流控技术的重要挑战。

在这项工作中，我们展示了一个集成了磁流体的自动化微流控生物传感平台，用于有机磷农药的双色比色分析。图1A展示了构成微流控生物传感平台的主要组件，包括微型泵、微流控芯片、RGB颜色传感器和配备磁铁的步进电机，Arduino微控制器单元（MCU）提供整体控制。图1B和C展示了微流控芯片的结构和检测过程。它包括三个专用功能区：有机磷农药的酶抑制（i）、磁珠清洗（ii）和基于金纳米粒子聚集的比色检测（iii）。每个区域通过矿物油屏障物理分离，以防止交叉污染。当样品注入腔室i且不含有机磷农药时，乙酰胆碱酯酶（AChE）催化乙酰硫胆碱（ATCI）水解为硫胆碱（TCh）。这一反应产物导致分散的L-半胱氨酸修饰的金纳米粒子（cAuNPs）聚集，从而产生从红色到钢蓝色的可见颜色变化。相反，在有机磷农药存在的情况下，AChE被抑制，无法生成TCh，因此cAuNPs保持分散状态，保持原有的红色。

材料与仪器

HAuCl?·4H?O、柠檬酸钠、L-半胱氨酸、牛血清白蛋白（BSA）、4-吗啉乙磺酸（MES）、1-乙基-3-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐（EDC）、N-羟基琥珀酰亚胺（NHS）和Tween 20均购自中国新华制药试剂有限公司。羧基化磁珠（MBs-COOH，直径500 nm）购自中国Aladdin Bio-Chem Technology有限公司。乙酰胆碱酯酶（AChE）、乙酰硫胆碱（ATCI）和硫胆碱（TCh）也进行了采购。

L-半胱氨酸修饰的金纳米粒子（cAuNPs）的特性

虽然柠檬酸还原法是合成金纳米粒子最常见的方法，但柠檬酸与金纳米粒子的弱相互作用对于传感应用来说并不理想。这类纳米粒子表现出显著的环境敏感性，导致聚集失控和处理困难（Sun, Guo, Bao, & Xie, 2011）。为了解决这个问题，我们使用L-半胱氨酸作为AuNPs的保护性配体（称为cAuNPs），利用其与金原子之间的强共价键形成。

结论

总之，成功开发了一种集成了磁流体的自动化微流控生物传感平台，用于有机磷农药的双色比色检测。该设备采用cAuNPs聚集策略产生多色视觉信号，肉眼可检测且分辨率高。程序控制的组件和微流控集成消除了手动干预，实现了整个分析过程的自动化。这种方法简单、灵敏且可靠。

CRediT作者贡献声明

王珊：撰写——原始草稿、可视化、方法论、研究、数据分析、概念化。吴柴勇：可视化、验证、方法论、研究、概念化。冯浩特：验证、方法论、研究。刁慧婷：可视化、验证、数据分析、概念化。贾志坚：验证、方法论。梁白辉：可视化、验证、方法论、研究、数据分析、概念化。甘宁：

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（资助编号：22204086）、教育部食品安全与生物学分析科学重点实验室开放项目（资助编号：FS2502）以及宁波大学K. C. Wong Magna基金的支持。