徐霞紅 郭玉娜 王新全 王祥云 齊沛沛 汪志威
(浙江省農業(yè)科學院農產品質量標準研究所, 杭州 310021)
金屬有機骨架化合物PCN 222對酶抑制法的增敏研究
徐霞紅 郭玉娜 王新全 王祥云 齊沛沛 汪志威
(浙江省農業(yè)科學院農產品質量標準研究所, 杭州 310021)
合成了一種命名為多孔配位網絡結構222 (PCN 222)的金屬有機骨架化合物(MOFs),并將其用作農藥殘留檢測中酶抑制法的新型增敏劑。對所制備的PCN 222微觀形態(tài)、結構、X射線衍射(XRD)和熱穩(wěn)定性進行了系統(tǒng)表征。證明該MOFs是一種多孔的棒狀結構(棒狀結構主軸為六面體),并具有大的表面積和強的熱穩(wěn)定性?;赑CN 222的性能,在有機磷農藥快檢中添加PCN 222材料,增強了傳統(tǒng)酶抑制法的靈敏性。為進一步研究,將毒死蜱選為模型分析物,在最佳條件下,吸光度變化量提高了68.8%(3 min內)。此外,該方法具有簡單、快速、成本低的優(yōu)點,為復雜樣品基質中有機磷農藥的測定提供了一種實用工具。
金屬有機骨架化合物; 多孔配位網絡結構222; 毒死蜱; 酶抑制法; 增敏
農藥長期大量使用甚至濫用對空氣、水源、土壤和農牧產品造成了嚴重污染,破壞了生態(tài)環(huán)境,人類健康也因此受到影響[1-2]。自20世紀80年代以來,有機磷農藥由于其見效快、效果好且使用方便逐步成為世界上使用最多的農藥[3]。據世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計,全世界每年有機磷農藥中毒者約300萬人,其中多達220 000人死亡[4]。因此,對蔬菜、水果中的有機磷農藥進行快速測定成為亟待解決的問題。
目前蔬菜和水果產品中農藥殘留的檢測方法包括氣相色譜法、液相色譜法及液相色譜-質譜聯(lián)用等,這些大型精密儀器檢測結果準確、可靠,但儀器價格昂貴、檢測成本高,檢測費時,不能實現現場檢測,無法在基層單位推廣使用[5-7]。酶抑制法是研究最多且相對成熟的一種對部分農藥殘留進行快速檢測的技術,我國已將其列入國家標準[8-9]。該法由于其具有快速、簡便、成本低及易于現場檢測等優(yōu)點,已經成為國內外快速檢測農藥殘留的主流技術[10]。然而,傳統(tǒng)酶抑制法卻存在很大的局限性,如靈敏度常不能滿足實際應用的需要[11]。
金屬有機骨架化合物(Metal-organic frameworks,MOFs)是由金屬離子與有機配體通過自組裝過程雜化生成的一類具有周期性多維網狀結構的多孔晶體材料,具有納米級的骨架和規(guī)整的孔道結構,大的比表面積和孔隙率以及小的固體密度[12-14]。在吸附、分離、催化等方面均表現出了優(yōu)異的性能,已成為新材料領域的研究熱點[15-17]。MOFs材料的改性研究在真菌毒素[18]、細胞[19]、生物大分子[20]的分析領域已廣受關注。而將MOFs材料與酶抑制法結合起來,充分利用MOFs材料的吸附和催化性質實現更高效的酶抑制法檢測,卻未見報道。
為將MOFs材料與酶抑制法結合起來,探究更靈敏的農藥速測技術,本文使用H2-TCPP(TCPP =5,10,15,20-四(4-羧基苯基)卟啉)作為MOFs配體,并選擇高度穩(wěn)定的Zr6簇作為節(jié)點組裝穩(wěn)定Zr-MOFs,命名為多孔配位網絡結構222 (PCN 222,也稱MOF-545或MMPF-6),并研究該材料在酶抑制法增敏上的效果。
1.1 理論基礎
有機磷和氨基甲酸酯類農藥對動物體內乙酰膽堿酯酶(AChE)具有抑制作用,其抑制率與農藥的濃度呈正比。正常情況下的反應如圖1所示,酶催化神經傳導代謝產物(硫代乙酰膽堿)水解,其水解產物與顯色劑二硫代二硝基苯甲酸(DTNB)反應,產生黃色物質(TNB-C5H13N),用分光光度計在412 nm處測定吸光度隨時間的變化量,可計算出抑制率,通過抑制率可以判斷出樣中是否有高劑量有機磷或氨基甲酸酯類農藥的存在。
圖1 酶抑制法反應的原理Fig.1 Reaction principle of AChE-inhibited method
1.2 實驗原理
本實驗的改良如圖2所示。在一定條件下,在乙酰膽堿酯酶及其底物(乙酰膽堿)的共存體系中加入農產品樣品提取液,如果樣品中不含有機磷或氨基甲酸酯類農藥,酶的活性就不被抑制,乙酰膽堿就會被酶水解,水解產物與加入的顯色劑反應就會產生顏色。3 min內的吸光度(A)變化量為ΔA。金屬-有機框架材料 PCN 222 具有高孔隙率和比表面積[12,21],能有效富集 AChE 及農藥分子,且該MOFs配體H2-TCPP具有優(yōu)良的催化活性,在一定空間內增強反應物濃度并提高顯色反應速率,3 min內的吸光度(A′)變化量為ΔA′,在PCN 222作用下顯色速率將大大提高,ΔA′>ΔA,從而改善酶抑制法的靈敏度[22];反之,如果試樣提取液中含有一定量的有機磷或氨基甲酸酯類農藥,酶的活性就被抑制,試樣中加入的底物就不能被酶水解,從而不顯色。
圖2 酶抑制法增敏示意圖Fig.2 Schematic illustration of sensitized ache inhibition method
1.3 抑制率計算方法
抑制率I的計算公式為
式中 ΔA0——空白樣品3 min內412 nm處吸光度變化量
ΔAt——待測樣品(含農藥)3 min內412 nm處吸光度變化量
2.1 儀器及試劑
S/M 100型高壓反應釜(北京世紀森朗實驗室儀器有限公司);SU8010型場發(fā)射掃描電子顯微鏡(日立高新技術公司);Q500 TGA型熱重分析儀(美國TA儀器公司);Primo R型低溫冷凍離心機(美國熱電公司);SpectraMax M5型多功能酶標儀(美國Molecular Devices公司);96型微孔板(德國Greiner Bio-One有限公司);Mini型金屬浴裝置(杭州奧盛儀器有限公司);SCILOGEX MX-S型旋渦混合器(美國賽洛捷克公司)。
5,10,15,20-四(4-羧基苯基)卟啉(TCPP)、氯化鋯(ZrCl4)、苯甲酸、磷酸氫二鉀(K2HPO4)、磷酸二氫鉀(KH2PO4)、二硫代二硝基苯甲酸(DTNB)、硫代乙酰膽堿(ATCh)和乙酰膽堿酯酶(AChE)均為分析純,都購自美國Sigma公司。
2.2 PCN 222的合成
取ZrCl4140 mg、TCPP 100 mg及苯甲酸5 400 mg于燒杯中,加入N,N-二甲基甲酰胺(DMF)16 mL,超聲處理使其均勻;將混合均勻的溶液倒入反應釜,120℃反應48 h;水熱反應完成后將產物離心去除上層液體,乙醇反復離心洗滌3次;100℃干燥10 h即可得到PCN 222固體粉末。
2.3 分析步驟
實驗選取有機磷農藥毒死蜱為研究對象。其中空白加入0.5 mL磷酸鹽緩沖液(PBS,pH 值 7.4),再依次加入10 μL的PCN 222乙醇分散液(10 μg/mL),5 μL的AChE(1 U/μL),20 μL的DTNB(8 μg/L),搖勻后于37℃放置15 min(控制每批樣品放置時間一致)。提前設置好紫外分光光度計各項檢測參數,取100 μL混合液于96型微孔板中,迅速加入2 μL ATCh(8.3 μg/L),記錄反應3 min內的412 nm吸光度隨時間的變化。對照溶液除加入一定量的毒死蜱外保證其他操作與空白一致。
2.4 實際樣品檢測
青菜葉攪拌成泥,稱取1 g,加入2 mL PBS分散,離心分離取上清液于低溫(4℃)保存?zhèn)溆?。分別取青菜基質和PBS溶液,均添加10 μg/mL的毒死蜱,其余實驗條件保持一致(如2.3節(jié))。用MOFs 材料改良 AChE 的酶促反應,測定酶反應體系的動力學數據。
3.1 PCN 222的表征
3.1.1 SEM表征
為研究PCN 222晶體生長的微觀形貌,也為了表征MOFs材料是否成功制備,對所制備的PCN 222進行掃描電子顯微鏡(SEM)(圖3)的表征。從圖3a可以看出,制備的PCN 222晶體材料為六面棱柱結構,從棒狀結構不規(guī)則斷裂的橫截面(圖3b)可清楚地觀察到,棒狀形貌由層疊分布的片狀多晶形成,并吸附有其他小顆粒晶型碎片。這一表征同時證明,晶型PCN 222 MOFs材料已成功制備。
圖3 PCN 222的SEM表征Fig.3 SEM images of PCN 222
3.1.2 熱重表征
為研究PCN 222的熱穩(wěn)定性,對PCN 222進行熱重分析(TGA),在氮氣氣氛下以10℃/min升溫速率由0℃升溫至600℃。其實驗結果如圖4a所示,該PCN 222材料具有非常好的熱穩(wěn)定性,升溫至450℃基本無明顯失重(質量分數85%以上),即使升溫至600℃,仍保持有65%左右的質量。
圖4 PCN 222的TGA與XRD表征Fig.4 TGA and XRD patterns obtained for PCN 222
3.1.3 X單晶衍射(XRD)表征
為研究PCN 222的結晶情況,對PCN 222進行XRD表征,其結果如圖4b所示,圖中2θ表示X射線衍射角度。可以看出XRD譜圖峰型較好,峰值為5.86°、7.86°、8.30°和10.63°,證明了結晶晶體主軸為六面體[19],這與SEM表征結果高度一致。同時該表征也進一步證明了晶型材料PCN 222已成功合成。
3.2 PCN 222的用量與優(yōu)化
3.2.1 PCN 222的使用對酶反應的影響
選取毒死蜱為典型的有機磷農藥,分析PCN 222對酶抑制法的影響。固定檢測波長及其他條件,按照2.3節(jié)實驗方法配制2份溶液,其中1份含PCN 222,另1份中不含PCN 222,然后在412 nm波長下,測定2份溶液吸光度隨時間的變化。結果如圖5a所示,實驗表明PCN 222的加入使顯色體系在3 min內的吸光度變化量增大,較未使用PCN 222系統(tǒng)的吸光度變化量增敏68.8%。同時,還測定了3 min時的波譜圖。其結果如圖5b所示,可以看出,加入PCN 222較未使用PCN 222的顯色體系在反應至3 min時,只有吸光度(412 nm處)明顯增大且無其他區(qū)別。
圖5 PCN 222對酶抑制法的影響Fig.5 Effect of PCN 222 on ache inhibition method
3.2.2 PCN 222用量的優(yōu)化
為了實現最佳的增敏效果,對PCN 222的用量進行優(yōu)化。選取質量濃度為1、5、10、50、100 μg/mL的PCN 222進行實驗。其結果表明,質量濃度低于10 μg/mL時,抑制率隨PCN 222用量的增加而增大,這可歸因于局部的富集與催化作用隨PCN 222用量的增加而增大;質量濃度大于10 μg/mL時,抑制率隨PCN 222用量的增加而降低,這可能是濃度高時,PCN 222某些特性影響了顯色反應的進行。為進一步研究其原因,對不同質量濃度PCN 222對酶反應的影響進行研究(均未添加農藥),結果如表1所示,可以看出,PCN 222質量濃度為1~10 μg/mL時,3 min內的吸光度變化量隨PCN 222用量的增多逐步增大;而PCN 222質量濃度為10~50 μg/mL時,在3 min內的吸光度變化量隨PCN 222用量的增多雖也在增大但其幅度大大降低;PCN 222質量濃度為50~100 μg/mL時,在3 min內的吸光度變化量隨PCN 222用量的增多反而降低,其原因很可能是較高質量濃度的PCN 222對酶活產生了抑制。為確保最佳實驗效果,選取10 μg/mL作為最佳質量濃度。
表1 不同濃度的PCN 222對酶反應的影響Tab.1 Effect of concentrations of PCN 222 on enzyme reaction
3.3 PCN 222對不同濃度毒死蜱的增敏效果
為進一步分析PCN 222對酶抑制法的增敏作用,配置了系列質量濃度的毒死蜱標準溶液,包括0.01、0.05、0.1、0.5、1、5、10 μg/mL。將此系列質量濃度標液按照2.3節(jié)的方法同時進行2組測定。其中1組加入PCN 222而另1組不加,保持其他條件一致,測定3 min內412 nm波長處吸光度隨時間的變化,并分別計算2組溶液每個濃度對應的抑制率,其結果如圖6及表2、3所示。實驗表明PCN 222在0.01~10 μg/mL質量濃度范圍內均明顯提高了抑制率,改善了傳統(tǒng)酶抑制法的靈敏度。也可看出,未加入PCN 222時空白對照3 min內吸光度變化量ΔA0為0.901 7,加入PCN 222時空白對照3 min內吸光度變化量ΔA′0為1.15,ΔA′0>ΔA0,進一步驗證了實驗的原理。
圖6 PCN 222對毒死蜱的增敏效果Fig.6 Effect of PCN 222 on sensitization of chlorpyrifos
表2 無PCN 222增敏時的酶抑制情況Tab.2 Situation of ache inhibition without PCN 222
表3 PCN 222增敏時的酶抑制情況Tab.3 Situation of ache inhibition method with PCN 222
3.4 實際樣品分析
為驗證PCN 222增敏的酶抑制法是否可應用于實際樣品檢測,以青菜基質為例進行研究。將添加有10 μg/mL毒死蜱的青菜基質與10 μg/mL的毒死蜱標液同時按照2.3節(jié)的方法進行實驗,測定3 min內412 nm波長處吸光度隨時間的變化,其變化量及抑制率如表4所示,可以看出,以實際樣品作為反應介質與PBS的抑制情況相差無幾,且實際樣品對本研究干擾很小,同時說明該研究可用于實際樣品的檢測。
表4 實際樣品的酶抑制情況Tab.4 Situation of ache inhibition method in real sample
制備了一種比表面積高、熱穩(wěn)定強的MOF材料(PCN 222),并將其成功應用于酶抑制法的增敏。對所制備的PCN 222的微觀形態(tài)、結構、XRD和熱穩(wěn)定性進行了系統(tǒng)的表征。證明該MOFs是一種多孔的棒狀結構(棒狀結構主軸為六面體),具有大的表面積和強的熱穩(wěn)定性。PCN 222可有效富集 AChE 及農藥分子,在一定空間內增強反應物濃度并提高抑制效率,增敏幅度高達68.8%,從而大大改善酶抑制法的靈敏度。與此同時,蔬菜基質也不會對酶反應造成干擾,因此該方法推廣到實際應用中也有很高的潛力。
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Porous Metal-organic Frameworks: PCN 222 Sensitization to Ache Inhibition Method
XU Xiahong GUO Yu’na WANG Xinquan WANG Xiangyun QI Peipei WANG Zhiwei
(InstituteofQualityandStandardforAgro-products,ZhejiangAcademyofAgriculturalSciences,Hangzhou310021,China)
Food safety issues caused by pesticide residues become the spotlight of public concerns all over the world. Metal-organic frameworks: porous coordination network 222 (MOFs:PCN 222) were synthesized and investigated as a novel sensitizer for AChE-inhibited method. TCPP (Tetrakis (4-carboxyphenyl)porphyrin) was employed as a ligand and highly stable Zr6clusters were chosen as nodes for the assembly of stable Zr-MOFs. With carefully selected starting materials, a 3D porous MOFs was successfully constructed. Some properties of the prepared PCN 222, including structure, morphology X-ray diffraction (XRD) and thermostability were studied systematically. Porous virgate structure (spindle hexahedron), large surface area and strong thermostability were obtained for the MOFs. Based on the PCN 222, a sensitive AChE-inhibited method was developed. As a proof of concept, chlorpyrifos was used as a model analyte. Under the optimal conditions, absorbance increasing efficiency was increased by 68.8% (in 3 min), which substantially improved the sensitivity of the colorimetric method compared with traditional ache inhibition method. The results revealed that the sensitization range obtained for chlorpyrifosis was approximately 0.01~10 μg/mL. Furthermore, the biosensor was successfully applied to the quantitative assay of chlorpyrifos in synthetic sample (vegetable matrix). In addition, the method possessed the advantages of simplicity, rapidity and cost-effective. Hence, the developed sensitized AChE-inhibited method might provide a useful and practical tool for organophosphorus pesticide determination and related food safety analysis.
metal-organic frameworks; porous coordination network 222; chlorpyrifos; AChE-inhibited method; sensitization
2017-03-26
2017-04-10
國家自然科學基金項目(31671940)
徐霞紅(1983—),女,副研究員,主要從事農產品質量安全研究,E-mail: xiahongxu126@126.com
王新全(1979—),男,副研究員,主要從事農藥殘留檢測技術研究,E-mail: wangxinquan212@163.com
10.6041/j.issn.1000-1298.2017.05.024
S481+.8; X502
A
1000-1298(2017)05-0193-06