用于有机磷农药双色光谱分析的自动磁流体集成微流控生物传感平台

《Food Chemistry》：Automatic magnetofluid-integrated microfluidic biosensing platform for dual-colorimetric analysis of organophosphorus pesticides

基于磁流控微流控芯片和金纳米颗粒聚集的自动双色有机磷农药检测平台，通过Arduino控制步进电机实现磁性珠的自动化操控与清洗，结合便携RGB传感器实现0.012 μg/mL检测限，适用于多种食品基质的高灵敏度农药残留快速筛查。

　　

王珊|吴彩勇|冯浩特|刁慧婷|贾志坚|梁白辉|甘宁|于振中

中国浙江省健康与智能厨房工程研究中心，宁波315336

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。本文介绍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体，在微通道内精确操控经过AChE修饰的磁珠，实现目标识别、清洗和检测的自动化过程。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，该方法具有广泛的应用性，并在各种食品基质中对农药残留显示出优异的检测性能。这一平台为自动化、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，它们也具有高度毒性，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导致它们仍存在于食品供应中（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，前者需要昂贵的大规模仪器，仅限于实验室使用；后者仅依靠单色变化作为指示剂，缺乏直接视觉量化的灵敏度，因此主要用于现场定性或半定量分析。因此，建立可靠、灵敏且便携的现场有机磷农药监测分析方法对于确保食品安全和农产品质量至关重要。

多色比色法是一种有前景的可视化分析方法（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。这种优势源于人眼在单色系统中难以分辨细微的强度变化，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）而成为这一领域的优秀显色剂（Hang, Wang, & Wu, 2024；Ran等人，2025）。这些特性使得颜色变化鲜明且易于观察。在采用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修饰AuNPs，研究人员可以精确控制聚集状态，从而实现ppb级别的超灵敏检测（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和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可行的解决方案，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机制，包括离心、毛细和手指驱动机制（Chen, Mei, Zhao, & Jiang, 2020；Li等人，2022；Y. Liu等人，2023；Qi等人，2022）。最近，Yang和Zhu的研究团队开发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修饰的磁珠（MBs）作为移动的固相元件，而不是传统的仅限于前后运动的液体流。这种独特的功能使磁珠在通道内实现自由的全向运动，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体的运动来控制，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体，阻碍了标准化分析的实现。完全自动化仍是下一代微流控技术面临的重大挑战。

在本研究中，我们展示了一个自动化的磁流体集成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颜色传感器和装有磁体的步进电机，Arduino微控制器单元（MCU）负责整体控制。图1B和C展示了微流控芯片的结构和检测过程。该平台包含三个专用功能区：有机磷农药引起的酶抑制（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。当样品中不含有机磷农药时，乙酰胆碱酯酶（AChE）催化乙酰硫代胆碱（ATCI）水解为硫代胆碱（TCh），导致分散的L-半胱氨酸修饰金纳米粒子（cAuNPs）聚集，颜色从红色变为钢蓝色。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-morpholineethanesulfonic acid（MES）、1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl) carbodiimide hydrochloride（EDC）、N-hydroxysuccinimide（NHS）和Tween 20均购自中国国药化学试剂有限公司。羧基化磁珠（MBs-COOH，直径500 nm）来自中国Aladdin Bio-Chem Technology有限公司。乙酰胆碱酯酶（AChE）、乙酰硫代胆碱（ATCI）和硫代胆碱（TCh）由其他供应商提供。

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不利于传感应用，因为这种纳米粒子对环境变化非常敏感，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，成功开发了一种自动化的磁流体集成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，生成肉眼可辨的多色视觉信号，具有高分辨率。程序控制的组件和微流控集成消除了人工干预，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、方法学、实验设计、数据分析、概念化。吴彩勇：可视化、验证、方法学、实验设计、概念化。冯浩特：验证、方法学、实验设计。刁慧婷：可视化、验证、方法学。贾志坚：验证、方法学。梁白辉：可视化、验证、方法学、实验设计、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竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

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