利用绿化学方法从波叶女贞（Cissus quadrangularis）中合成铜纳米簇，用于实现氟氯氰菊酯（imidacloprid）农药的荧光关闭检测

《Environmental Nanotechnology, Monitoring & Management》：Green chemistry approach for synthesis of copper nanoclusters from Cissus quadrangularis for fluorescence turn-off detection of imidacloprid pesticide

　　

Smit H. Morawala|Juhi Bhadresh Raval|Vaibhavkumar N. Mehta|Sanjay Jha|Yoojin Choi|Tae Jung Park|Suresh Kumar Kailasa

印度苏拉特Sardar Vallabhbhai国立技术学院化学系，邮编395 007

摘要

Cissus quadrangularis属于Vitaceae科，具有多种治疗用途，包括帮助减肥、促进骨骼愈合和抵抗寄生虫侵扰。在本研究中，利用C. quadrangularis提取物通过绿色化学方法制备了蓝光发射的铜纳米簇（CuNCs），简称为CQ-CuNCs。当在320纳米处激发时，合成的CQ-CuNCs在430纳米处显示出强烈的发射峰。通过场发射透射电子显微镜（FE-TEM）阐明了CQ-CuNCs的形态，其核心尺寸为2.18纳米，这与动态光散射数据（CQ-CuNCs的流体动力学直径为6.34纳米）相符。制备好的CQ-CuNCs可作为荧光传感器，用于检测噻虫嗪农药。CQ-CuNCs能够选择性检测噻虫嗪农药，并表现出显著的荧光淬灭现象，而其他农药和无机物质则不会引起荧光淬灭。通过测量不同浓度（0.01–500 μM）下的发射强度来评估该传感器的灵敏度，结果表明其检测限为0.020 μM。此外，通过量化河水、农业土壤和卷心菜样本中的噻虫嗪含量，验证了CQ-CuNCs的选择性和灵敏度，这使其在环境分析中具有应用潜力。基于CQ-CuNCs的分析方法显示出良好的回收率（98.29至99.86），相对标准偏差小于2，表明其在环境和食品样本中检测噻虫嗪农药具有实际应用价值。

引言

1991年，噻虫嗪作为一种迅速发展的杀虫剂被引入农业领域（Creedon等人，2020年）。它是新烟碱类杀虫剂之一，在全球140多种农作物上得到广泛应用（Jeschke等人，2011年），能有效控制多种害虫，如飞虱、稻飞虱、蚜虫、白蚁和土壤昆虫。噻虫嗪倾向于与昆虫的烟碱型乙酰胆碱受体结合，从而阻断昆虫中枢神经系统的信号传递，最终导致昆虫死亡（Akoijam等人，2015年；Xie等人，2022年）。研究表明，噻虫嗪具有很高的稳定性（>30天）和良好的水溶性（0.58 g/L），但会对人类健康造成严重危害，如癌症和呼吸系统问题（Suresh等人，2022年）。重要的是，根据欧洲食品安全局的规定，噻虫嗪被归类为II类或III类致癌物（Srinivasan等人，2020年），建议每日摄入限量为0.06 mg kg^?1（Papp等人，2009年）。此外，欧盟建议将包括噻虫嗪在内的新烟碱类杀虫剂在蔬菜和水果中的最大允许残留量控制在0.01–3.0 mg/kg范围内（Ferrer等人，2005年；欧盟食品安全局，2014年）。为了实施这一限制，需要一种简便且微型化的荧光纳米探针，以便快速定量检测蔬菜和水果中的噻虫嗪。

目前，已经探索了多种分析技术用于噻虫嗪的检测，包括电分析技术（El-Akaad等人，2020年；Kaewket和Ngamchuea，2023年；Perez-Fernandez等人，2020年；Chen等人，2013年）、紫外-可见光谱技术（Babazadeh等人，2020年；Vestri等人，2021年）、荧光光谱技术（Wang等人，2025年；Kateshiya等人，2020年）、色谱-质谱联用技术（Huang等人，2019年；Blasco等人，2002年；Navalon等人，1997年）、表面等离子体共振技术（Ding等人，2012年）、免疫分析技术（Du等人，2020年；Perez-Fernandez等人，2019年）以及毛细管电泳技术（Segura Carretero等人，2003年）。虽然这些分析技术（如HPLC-MS、GC-MS和电分析方法）已被证明是准确检测噻虫嗪的有效方法，但它们存在一些缺点，如设备昂贵、分析耗时、化学品价格高昂以及无法在现场进行检测，这限制了它们在农药分析中的广泛应用。

与上述分析技术相比，铜纳米簇（CuNCs）结合荧光光谱分析在分析科学中受到了广泛关注，因为它们具有出色的光学性质、量子产率和特定的表面化学特性（Kailasa等人，2021年；Sadhu等人，2024年；Ghinaiya等人，2024年；Harshita等人，2024年；Molatrati等人，2024年；Raval等人，2023年；Sadhu等人，2023年；Yuan等人，2024年）。近年来，由于CuNCs结构多样、铜盐价格低廉以及独特的光学和物理化学性质，它们被高度认可为潜在的荧光纳米探针（Liang等人，2023年；Guo等人，2016年；Hu等人，2016年）。值得一提的是，各种植物叶中的植物化学物质对于制备原子级精确的CuNCs至关重要，使它们成为出色的光学纳米探针，适用于传感、生物成像和药物递送应用。为此，包括和在内的多种植物叶子被用作制备具有不同发光特性的荧光CuNCs的多功能绿色化学试剂（Sadhu等人，2024年；Harshita等人，2024年；Molatrati等人，2024年；Raval等人，2023年；Sadhu等人，2023年）。这些研究表明，植物叶提取物中的植物化学物质能够高效制备出具有增强荧光特性和独特表面化学性质的荧光CuNCs，使其适合作为不同荧光检测机制下的痕量分析探针。鉴于从Cissus quadrangularis叶提取物合成的CuNCs的特殊特性，本文使用其提取物作为制备CuNCs的绿色模板。目前，尚未有关使用C. quadrangularis叶提取物作为模板制备CuNCs的研究。

在本研究中，我们提出了一种简单有效的绿色化学方法，利用C. quadrangularis叶提取物作为绿色模板来制备稳定的荧光CuNCs，合成的铜纳米簇简称为CQ-CuNCs。图1展示了使用CQ叶介导的CuNCs制备过程，用于噻虫嗪的荧光检测。制备好的CQ-CuNCs呈现出蓝光荧光，平均尺寸为2.18 ± 0.77纳米，发光峰位于320/430纳米处。随着噻虫嗪浓度的增加（0.01至500 μM），430纳米处的发射强度逐渐降低，通过建立发射强度I₀/I与噻虫嗪浓度的校准曲线，确定了检测限（LOD）为0.020 μM。基于CQ-CuNCs的荧光检测方法能有效应用于食品样本中的噻虫嗪检测，其出色的分析性能证明了其在样品制备和体积方面的简单性和快速性。

部分摘录

化学物质与材料

CuSO₄（99.9%）和肼水合物（99.0%）等化学物质购自美国Sigma-Aldrich公司。Cissus quadrangularis（Had Sankal）的叶子作为礼品样本由印度古吉拉特邦Navsari农业大学提供。农药（噻虫啉、吡硫菌灵钠、hexythiazox、异丙隆、己唑醇、噻虫嗪、甲基硫菌灵、噻虫啉、吡虫啉和氯噻酮，工业级）作为礼品样本来自多家农药制剂公司

CuSO₄浓度和体积的影响

以CQ提取物为模板制备了蓝光荧光CQ-CuNCs。为了获得更高荧光强度的CQ-CuNCs，研究了不同浓度（0.25、0.50、0.75、1.0和1.25 mM）的CuSO₄对蓝色发光CQ-CuNCs的影响（图S1a）。使用CuSO₄浓度从0.25增加到0.5 mM时，CQ-CuNCs的发射强度有所提高，然而随着CuSO₄浓度进一步增加，其特征发射峰强度降低

结论

总之，本研究提出了一种新颖简便的绿色化学方法，利用C. quadrangularis提取物作为模板制备了蓝光发射的CuNCs。CQ-CuNCs在水中的分散性良好，发光峰位于320/430纳米处。引入噻虫嗪后，CQ-CuNCs的发射强度显著降低，这有助于开发基于荧光关闭原理的噻虫嗪检测方法。通过对噻虫嗪的吸收光谱和CQ-CuNCs的激发光谱进行分析，验证了这一原理

CRediT作者贡献声明

Smit H. Morawala：写作 – 审稿与编辑、方法学、数据分析。Juhi Bhadresh Raval：写作 – 审稿与编辑、数据分析。Vaibhavkumar N. Mehta：写作 – 审稿与编辑、数据分析。Sanjay Jha：写作 – 审稿与编辑、方法学、数据分析。Yoojin Choi：写作 – 审稿与编辑、数据分析。Tae Jung Park：写作 – 审稿与编辑、监督、实验设计、数据分析。Suresh Kumar Kailasa：写作 – 审稿与编辑、原始数据撰写。

资金支持

本项目得到了印度政府科学与技术部（DST）（EMR/2016/002621/IPC）的财政支持。该研究还得到了韩国政府资助的国家研究基金会（NRF）（由MSIT管理）（RS-2025-02233102）的资助。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文所述的研究工作。

致谢

作者衷心感谢印度政府科学与技术部（DST）（EMR/2016/002621/IPC）对本项研究的资助。SHM感谢印度古吉拉特邦苏拉特Sardar Vallabhbhai国立技术学院的院长提供的实验室和仪器设备支持。该研究还得到了韩国政府资助的国家研究基金会（NRF）（由MSIT管理）（RS-2025-02233102）的资助。作者同时感谢Priyanka D.