环糊精促荧光检测技术助力水体中农药检测
admin
2021-12-21
农药自问世以来，即被广泛使用于昆虫与微生物等的控制，在大幅提高作物产量的同时，也在水体、空气、土壤中广泛传播并持续存在，影响人类健康。如何快速准确地检测环境中残留的农药成为人们越来越关心的问题。目前农药的检测严重依赖于质谱技术，这种方法不仅耗时长、价格高，且通常需要在分析前进行复杂的样品预处理；拉曼光谱、电化学分析等新兴手段尚未普及，且难以实现高通量分析。为实现水体环境中农残的快速检测，研究人员们基于环糊精对荧光能量转移的促进作用开发出一套快速、灵敏、选择性好的检测系统，该系统依靠环糊精促进从芳香族有毒能量供体到高量子效率荧光团受体的近诱发能量转移，从而产生每种环糊精-分析物-荧光团组合所特有的荧光信号，从而实现高灵敏度、高选择性和高通用性的农残快检。
实验设计
研究人员分别从阿卡迪亚湖、纳拉甘塞特湾、大西洋、普罗维登斯河四处天然水域采集了不同盐度、不同pH及不同生物群落组成的水体样本用于制造自然状态下差异极大的环境条件，并选择四种有机氯农药为代表进行检测，α-环糊精、β-环糊精、γ-环糊精、甲基化β-环糊精及羟丙基β-环糊精用于促进荧光团能量转移。向不同实验条件下的受试物中加入荧光团，进行荧光调制，并在460 nm处激发，将荧光发射光谱与x轴上的波数进行积分，分别测定分析物存在时荧光团的积分发射与无分析物时荧光团的积分发射，以二者之比表示水体样本中农药的含量。
水体样本特征的量化
分别通过GC-MS分析，pH、电导率等相关实验表征自然条件下不同水体样本的特征。
通过GC-MS分析确定水样之间的可量化差异。所有水样中均出现对应长链烷烃、脂肪酸和酰胺类物质的峰，与其他被调查的水体相比，阿卡迪亚湖的有机化合物含量更高，种类更多，甚至出现了通常存在于塑料制品中的邻苯二甲酸盐和通常用于防晒霜等个人护理产品中的二苯甲酮，这可能是由于与河流、海洋和海湾水相比，阿卡迪亚湖的湖水缺乏自然循环，而且湖中的有机化合物更难被降解。
通过pH值和电导率分析，进一步量化了四个水样之间的差异。水体的pH值可能会发生显著变化，在酸雨普遍存在的地方，水体酸性更强；而在出现藻华或其他生态系统范围现象的地方，水体更偏碱性。四个样本中酸性最强的是大西洋，测量的pH值为6.51。碱性最强的水体是阿卡迪亚湖，pH值为8.28，这可能是由于湖泊环境中非常适合藻类生长。测量每个样品的电导率作为盐度和电解质浓度的指标。大西洋中水体样品的电导率最高，对应最高的盐含量，紧随其后的是纳拉甘塞特湾(也是盐水地区)和普罗维登斯河，作为淡水湖泊，阿卡迪亚湖电导率值明显较低。
环糊精促荧光检测技术用于水体农药检测
不同种类环糊精对荧光团荧光发射信号的影响
将未额外添加有机氯农药的水样与荧光团和环糊精混合，并对每个样品的荧光团-环糊精包合物的荧光发射信号进行线性判别分析(LDA)。结果表明，不同的水体样本能够100%被区分开来，这是由于荧光团-环糊精组合对盐度、pH值和其他样品特定成分变化的差异的敏感性的结果。在确定不同的水体样本中不同的荧光发射响应后，研究人员们使用环糊精促进荧光调制技术，评估了荧光团-环糊精包合物检测掺入水中有机氯农药存在的能力。在大多数情况下，荧光调制值大于1，说明有机氯农药的引入导致荧光团的荧光发射增加。
不同的环糊精对荧光团的荧光发射产生不同程度的变化，这表现了环糊精作为高特异性超分子支架的作用。值得注意的是,α-环糊精对有机氯农药荧光发射响应值的影响可忽略不计，这可能是由于α-环糊精空腔的大小限制了其与有机氯农药的亲和力。甲基化β-环糊精存在时荧光团的发射强度最大，这可能是甲基化β-环糊精与荧光团和相关芳香有机分析物的高结合亲和力的结果。
环糊精促荧光检测技术的高选择性
研究人员对来自阿卡迪亚湖的一个样品进行了基于阵列的分析，以确定这种方法能否区分两种结构接近的立体异构化合物，顺式氯丹和反式氯丹。即使在先天毒性污染水平高的地区（阿卡迪亚湖），响应模式亦显示出顺式氯丹和反式氯丹的分离信号。采用甲基化β-环糊精组计算所有组合的LODs来确定该系统的灵敏度，得到表中结果。
环糊精促荧光检测技术的高通用性
罗得岛水域的季节性温度变化很大，包括冬季极端温度(5℃)和夏季极端温度(30℃)。在该温度范围内进行检测，同样可以100%成功识别有机氯农药，这突出了该探测系统在各种温度下运行的能力，这个选择性甚至可以应用在现实世界的复杂环境中。
此外，通过比较四种不同水样中单一目标分析物的荧光响应信号，也突出了其通用性，这些水样在化学成分上都存在差异。在这些实验中，我们选择了分析物1，在4个不同的水样中，在分析物1存在的情况下，荧光团的综合荧光响应产生了4种独特的响应信号。对这些结果进行统计分析后，可以100%确定发现分析物水样的取样位置。每个水样分离良好、信号清晰，突出了基于此类识别的取样位置剖面分析的潜力，并为准确识别目的创建特定水样位置的模式。
环糊精促荧光检测技术可用于污染海洋环境中有机氯农药的检测。该方法的高选择性、高灵敏度和高通用性显示了发展实用便携式检测设备的潜力。