我国是世界上最大的柑橘生产国之一,柑橘产业不仅在国外市场上极具竞争力,对中国农村经济和农民收入也做出了重要贡献。但是我国拟除虫菊酯类农药在全球农业使用量中排名第一[1],同时存在一定的非法滥用情况,导致果蔬、环境土壤和水体等存在较普遍的残留污染[2]。LI等[3]在从中国12个柑橘主产区的柑橘园采集的9个品种的柑橘样品中检测到了联苯菊酯、三氰氯氢菊酯、氯氰菊酯和甲氰菊酯。2007—2011年间在西班牙巴伦西亚地区的柑橘类水果农药残留检测中发现了高效氯氟氰菊酯残留[4]。PRAPAMONTOL等[5]在泰国清迈的不同柑橘品种中检测到残留最多且超过最大残留限量的是合成拟除虫菊酯杀虫剂。柑橘果品拟除虫菊酯类农药残留超标多发、易发现象严重[6-9],已成为市场重点监管类别之一。

我国国家标准GB 2763—2021 《食品安全国家标准 食品中农药最大残留限量》规定该类农残的最大残留限量,其中,氰戊菊酯、联苯菊酯和高效氯氟氰菊酯在柑橘类水果中的最大残留限量为0.2、0.05和0.3 mg/kg;欧盟标准EU 441/2012、EU 834/2013和EU 491/2014先后规定氰戊菊酯、联苯菊酯和高效氯氟氰菊酯在柑橘类水果中的最大残留量为0.02、0.1和0.2 mg/kg。

开发柑橘果品高灵敏度菊酯类农药的残留检测,特别是现场快速检测方法,对于确保柑橘品质控制以及产业监管、提质增效和助力乡村振兴都具有重要意义[10]。生物传感器因其微型化、智能化等特点[11],得到广泛关注。尤其近年来 “化学抗体”分子印迹聚合物通过改性、修饰等手段定制的识别元件改善了传统抗体识别专一性、保存等方面的劣势,应用在生物传感体系和快速检测技术中具有良好的发展前景[12-14]。但抗体作为识别元件用于生物传感器的构建,其存在制备过程复杂、稳定性差、不易保存等问题。分子印迹聚合物可以作为抗体的替代物,然而拟除虫菊酯农药性基团少,不易与功能单体形成强作用力,造成检测灵敏度不高,同时存在背景干扰大、使用寿命短等突出问题。另外,实际农药残留检测中,往往是多种残留成分不明的样品检测,因此开发农药多残留检测技术更适合科学研究和市场需求。

3-苯氧基苯甲酸(3-phenoxybenzoic acid, 3-PBA)是拟除虫菊酯(如溴氰菊酯、氯氰菊酯、氟氯氰菊酯、氰戊菊酯等)的常见结构单元,具有非特异性[15],并用作暴露于这些拟除虫菊酯的一般标记,是优秀的模版分子候选者[16-17]。本研究以拟除虫菊酯农药的结构类似物质苯氧基苯甲酸为模板分子,上转换纳米材料(upconversion nanoparticles,UCNPs)为传感元件,高选择性和高特异性的分子印迹聚合物为识别元件,同时利用磁性材料的磁分离特性,拟开发一种高效、快速、准确检测拟除虫菊酯农药多残留的方法,克服背景干扰大、使用寿命短等问题,揭示传感体系对拟除虫菊酯农药的识别传感机理,指导拟除虫菊酯农药的快速检测方法的研发。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

100 nm Fe3O4磁微球、50 nm Fe3O4磁微球、20 nm Fe3O4磁微球、3-氨丙基三乙氧基硅烷[(3-aminopropyl)triethoxysilane,APTES]、苯基三乙氧基硅烷(phenyltriethoxysilane,PTES)、冰乙酸,上海阿拉丁生化科技股份有限公司;原硅酸四乙酯(tetraethyl orthosilicate,TEOS)、NH3·H2O、NH4F、甲醇、环己烷,上海阿拉丁生化科技股份有限公司;溴氰菊酯、氰戊菊酯、西维因、克百威、敌敌畏、氧化乐果(纯度均>98.0%),美国 Sigma-Aldrich 公司;氯氰菊酯、氟氯氰菊酯、吡虫啉、啶虫脒、噻虫啉、噻虫嗪,美国Cato Research Chemicals公司。所用试剂均为分析纯,试验用水为超纯水。

1.2 仪器与设备

Smartlab X射线衍射仪,日本 Rigaku公司;F-380A荧光分光光度计,港东科技公司;Spectrum 100傅里叶变换红外光谱仪,美国 PerkinElmer公司;7404 Versa lab振动样品磁强计,美国Lake Shore公司;K-Alpha X射线光电子能谱仪、Heraeus Multifuge X3R高速冷冻离心机,美国赛默飞世尔科技公司。

1.3 实验方法

1.3.1 多功能NaYF4∶Yb, Er-Fe3O4@MIP复合材料的制备

参考本课题之前的研究,合成NaYF4∶Yb, Er-Fe3O4纳米材料[18]。后采用反相微乳液法一步制备NaYF4∶Yb, Er-Fe3O4@MIP多功能纳米材料。在25 mL烧瓶中,将100 mg 3-PBA于10 mL乙醇中超声波分散均匀,加入500 μL PTES和250 μL APTES,于磁力搅拌器上充分混合。加入1 mL TEOS,搅拌5 min。将400 mg NaYF4∶Yb, Er-Fe3O4纳米材料于烧瓶中分散均匀,然后加入2 mL NH3·H2O(6%,体积分数),连续搅拌6 h后聚合得到多功能NaYF4∶Yb, Er-Fe3O4@MIP复合材料。将所得材料用乙腈洗涤,去除未反应的反应物,然后用V(乙腈)∶V(冰乙酸)=90∶10洗脱去除模板分子,直到紫外光谱检测不到模板分子。非印迹聚合物(多功能NaYF4∶Yb, Er-Fe3O4@NIP复合材料)的制备除了不加模板分子3-PBA之外,其余步骤均与多功能NaYF4∶Yb, Er-Fe3O4@MIP复合材料制备过程相同,洗脱过程中在配有波长980 nm半导体激光器的荧光分光光度计测定荧光强度变化。

1.3.2 菊酯农药类特异性传感体系构建

1.3.2.1 多功能NaYF4∶Yb, Er-Fe3O4@MIP复合材料的表征

傅里叶变换红外光谱(Fourier transform infrared spectroscopy,FT-IR)表征:精确称取干燥后的样品0.001 g,加入0.150 g KBr粉末于洁净的玛瑙研钵里充分研磨,混合均匀后,置于45 ℃的烘箱内充分干燥,再迅速转移至压制装置中,制成无裂痕透明薄片,测定200～4 000 cm-1的吸收光谱。

透射电子显微镜(transmission electron microscopy,TEM)表征:取适量样品,用无水乙醇洗涤3次,加入适量的无水乙醇超声波处理15 min左右,待分散均匀后,取几滴分散好的液体逐滴滴加至碳膜附着的铜网上,使得样品分散薄薄一层,待乙醇挥发后,于200 kV加速电压下,上镜观察。

1.3.2.2 NaYF4∶Yb, Er-Fe3O4@MIP对菊酯农药的吸附动力学研究

准确称取2.0 mg NaYF4∶Yb, Er-Fe3O4@MIP多功能纳米材料于4.0 mL离心管中,加入溴氰菊酯、氟氯氰菊酯、氰戊菊酯、氯氰菊酯标准溶液分别使其最终质量浓度为5 mg/L,在室温下分别反应5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、70、80、90 min后,在配有波长980 nm半导体激光器的荧光分光光度计测定NaYF4∶Yb, Er-Fe3O4@MIP多功能纳米材料荧光强度随时间的变化,每种农药设置3个平行对照组,研究其对菊酯类农药的吸附特性,并采用准一级动力学模型公式(1)与准二级动力学模型公式(2)拟合分析NaYF4∶Yb, Er-Fe3O4@MIP多功能纳米材料对菊酯类农药的吸附过程。该过程主要由化学吸附,NaYF4∶Yb, Er-Fe3O4@MIP与菊酯类农药之间可能会有电子共用或转移[19]。

ln(qe-qt)=lnqe-k1t

(1)

(2)

式中:qt,t时刻材料对菊酯类农药的吸附量,mg/mg;qe,吸附平衡时材料对菊酯类农药的吸附量,mg/mg;t,吸附时间,min;k1,准一级动力学速率常数,min;k2,准二级动力学速率常数,kg/(mg·min)。

1.3.2.3 NaYF4∶Yb, Er-Fe3O4@MIP对菊酯农药的类特异性研究

准确称取2.0 mg NaYF4∶Yb, Er-Fe3O4@MIP多功能纳米材料于4.0 mL离心管中,加入溴氰菊酯、氟氯氰菊酯、氰戊菊酯、氯氰菊酯、克百威、西维因、啶虫脒、吡虫啉、噻虫嗪、噻虫啉、敌敌畏、氧化乐果标准溶液,在室温下分别反应一定时长后,在配有波长980 nm半导体激光器的荧光分光光度计测定各类农药对NaYF4∶Yb, Er-Fe3O4@MIP多功能纳米材料荧光强度的影响,每种农药设置3个平行对照组。

1.3.2.4 菊酯农药类特异性传感体系的线性范围和检出限研究

以不同菊酯类农药浓度与传感材料NaYF4∶Yb, Er-Fe3O4@MIP 的荧光猝灭程度F0/F之间的线性关系建立工作曲线,荧光猝灭程度F0/F符合Stern-Volmer方程,见公式(3):

F0/F=1+Ksv[Q]

(3)

式中:F0,NaYF4∶Yb, Er-Fe3O4@MIP材料吸附菊酯类农药前的荧光强度;F,NaYF4∶Yb, Er-Fe3O4@MIP材料吸附菊酯类农药后的荧光强度;KSV,荧光猝灭常数;[Q],猝灭剂的浓度,即目标分子菊酯类农药的浓度。

确定基于NaYF4∶Yb, Er-Fe3O4@MIP多功能纳米材料的菊酯农药类特异性传感体系的线性范围、相关系数和检出限,通过公式(4)计算其检出限:

检出限/(mg/kg)=3×空白值的标准差/Ksv,MIP

(4)

式中:Ksv,MIP,荧光猝灭常数,即NaYF4∶Yb, Er-Fe3O4@MIP材料的荧光猝灭程度F0/F和菊酯类农药浓度的线性方程的斜率。

1.3.3 菊酯农药类特异性传感体系在柑橘中的实际应用

前处理条件研究:将表面涂有菊酯类农药标准溶液的样品全果打浆后,取25 g的匀浆样品,加入50 mL乙腈,充分均质混匀,采用离心、过滤处理去除固体物质,取2 mL样液于氮吹仪下吹干,加入2 mL丙酮复溶备用。通过加标回收实验,对超声波功率、超声波处理时间、果胶酶处理等前处理条件进行研究。

实际样品的检测:选择沃柑、砂糖橘、冰糖橙为实际样品,加入菊酯类农药标准品,按照上述最佳条件预处理后,分别加入2.0 mL NaYF4∶Yb, Er-Fe3O4@MIP多功能纳米材料溶液(1 mg/mL),在980 nm波长激发光检测混合物的上转换荧光强度,所有样品均设置3组重复,同时将一组不添加农药标准品的样品作为空白样品,分别计算基于NaYF4∶Yb, Er-Fe3O4@MIP多功能纳米材料传感体系的检测回收率和相对标准偏差(relative standard deviation,RSD)。

1.3.4 数据统计与分析

相关数据使用Excel 2019进行统计,并计算平均值和标准偏差,使用Jade 6、Advantage、Zwin 2.2.5对数据进行分析。使用Origin 2018进行绘图。

2 结果与分析

2.1 基于多功能纳米材料的菊酯农药类特异性传感体系构建原理

NaYF4∶Yb, Er纳米材料与不同粒径的纳米磁微球分散在有机连续相中,以此纳米颗粒为核心,加入TEOS和NH3·H2O后,硅烷试剂水解缩合形成SiO2层包覆纳米颗粒。然后利用表面分子印迹技术,以NaYF4∶Yb, Er-Fe3O4纳米材料为载体,3-PBA为模板分子,制备多功能NaYF4∶Yb, Er-Fe3O4@MIP复合材料识别菊酯类农药。利用980 nm波长激发器激发,菊酯类农药会导致多功能复合材料NaYF4∶Yb, Er-Fe3O4@MIP荧光强度降低,根据荧光猝灭量实现菊酯类农药的定量分析,如图1所示。

2.2 多功能NaYF4∶Yb, Er-Fe3O4@MIP复合材料制备条件的研究

2.2.1 功能单体的种类

功能单体的种类及用量会直接影响多功能NaYF4∶Yb, Er-Fe3O4@MIP复合材料与目标物的相互作用,进而影响识别传感效果。本实验选择功能单体甲基丙烯酸(methacrylic acid,MAA)、ATPES、PTES制备多功能复合材料,利用菊酯类农药对NaYF4∶Yb, Er-Fe3O4@MIP复合材料的荧光猝灭效果F0/F研究功能单体对该复合材料传感识别效果的影响。如图2-a所示,采用单一功能单体制备的多功能复合材料由识别农药造成的荧光猝灭量相近,而同时采用APTES和PTES作为双功能单体制备的多功能复合材料的识别效果更强,F0/F达到3.86。可能是由于酸性MAA的羟基和碱性硅羟基与农药分子中的N、O等形成氢键。而采用双功能单体增加了烷基链与农药分子的相互作用,进而提高了多功能复合材料的识别效果。另外,采用硅烷试剂的双功能单体可以形成更加稳定的识别孔穴[20-21]。

2.2.2 原材料比例

在合成过程中,各原材料的比例会影响复合材料的稳定性、比表面积等特性,从而影响复合材料的识别效果。因此,分别研究光磁载体材料与模板分子比例及交联剂与功能单体比例对NaYF4∶Yb, Er-Fe3O4@MIP复合材料性能的影响。结果表明(图2-b),随着Fe3O4-NaYF4∶Yb, Er复合材料与模板分子添加量比例的增加,所制备的多功能复合材料对菊酯类农药的识别效果呈现先增大后减小的趋势。这是因为载体用量的增加,减少了空间位阻效应,提高多功能聚合物识别[22]。而当载体与模板分子比例为5∶1时,可能存在部分载体表面未与模板分子形成氢键,无法得到对目标物具有识别效果的孔穴。交联剂的用量会影响多功能聚合物的刚性、稳定性,本试验研究了交联剂与功能单体用量关系,结果如图2-c所示,随着交联剂与功能单体比例的减小,多功能复合材料的识别效果先增加后减小。因为交联剂不足,会导致复合材料机械性能不稳定,孔穴结构不稳固[23]。而交联剂过多,则会造成多功能复合材料表面的分子印迹聚合物膜过厚,刚性过大,模板分子难以洗脱,影响对目标物的识别。

2.2.3 聚合时长

聚合时长也会影响分子印迹聚合物膜的厚薄和孔穴的稳定性。因此,本实验研究了16、18、20、22、24 h聚合时长对NaYF4∶Yb, Er-Fe3O4@MIP复合材料识别性能的影响,结果如图2-d所示。随着分子印迹材料聚合时长的增加,复合材料传感识别性能先增大后减小,20 h聚合时长制备的复合材料具有最佳的传感识别效果。因为随着时间的延长,识别孔穴结构逐渐形成并稳定,当时间达到20 h时,复合材料识别效果最佳。继续延长制备时间,部分单体及交联剂会继续缩合交联形成分子印迹聚合物膜,增加膜厚度,影响对目标的识别。另外,由于膜厚度增加,吸附的目标物与中心UCNPs距离增加,难以造成荧光猝灭。综上所述,采用双功能单体,选择Fe3O4-NaYF4∶Yb, Er复合材料与模板分子添加量配比4∶1,交联剂TEOS与功能单体APTES和PTES用量比率3∶4,分子印迹聚合20 h可制备出传感性能最佳的多功能NaYF4∶Yb, Er-Fe3O4@MIP复合材料。

2.3 多功能NaYF4∶Yb, Er-Fe3O4@MIP复合材料的表征

利用FT-IR对NaYF4∶Yb, Er-Fe3O4@MIP复合材料进行表征,如图3-a所示,通过分子印迹壳膜包覆后,在1 046、800、1 385 cm-1处有3个强吸收峰,其中1 046、800 cm-1的吸收带归因于Si—O—Si和Fe—O—Si的伸缩振动,1 385 cm-1处的峰值是由于H—O—H的伸缩振动,说明分子印迹壳膜的成功包覆。利用TEM研究多功能复合材料的形貌。从TEM图(图3-b)中可明显观察到100 nm NaYF4∶Yb, Er材料表面附着许多小粒径的磁微球,NaYF4∶Yb, Er-Fe3O4材料表面包裹着MIP壳膜,厚度约为3 nm。

多功能复合材料的洗脱过程研究如图3-c所示,去除模板分子3-PBA后,NaYF4∶Yb, Er-Fe3O4@MIP的荧光强度显著增加,且超过NaYF4∶Yb, Er-Fe3O4@NIP,说明模板分子3-PBA在NaYF4∶Yb, Er-Fe3O4@MIP中形成了一定数量的识别位点孔穴,可类特异性吸附与3-PBA结构相似的菊酯类农药,多功能NaYF4∶Yb, Er-Fe3O4@MIP复合材料成功制备。如图3-d所示,模板分子3-PBA的紫外吸收峰在278 nm处。模板分子未洗脱之前(B),仍然存在较大的紫外吸收峰。当模板分子去除后(C),紫外吸收峰消失。同时,NaYF4∶Yb, Er-Fe3O4@NIP(D)同样不存在吸收峰,因为该材料制备过程中,并未添加模板分子。由此可知,NaYF4∶Yb, Er-Fe3O4@MIP中的模板分子基本去除,复合材料成功制备。

2.4 NaYF4∶Yb, Er-Fe3O4@MIP对菊酯农药的吸附动力学研究

利用NaYF4∶Yb, Er-Fe3O4@MIP多功能纳米材料分别对居民通过长期食用水果而较可能累积的拟除虫菊酯类农药中的溴氰菊酯、氟氯氰菊酯[24]、氯氰菊酯、氰戊菊酯[25]进行吸附,研究其对菊酯类农药的吸附特性,吸附平衡曲线如图4所示。随着菊酯类农药浓度的增加,NaYF4∶Yb, Er-Fe3O4@MIP的F0/F先增加后基本趋于稳定。然而,菊酯类农药几乎不会影响NaYF4∶Yb, Er-Fe3O4@NIP的荧光强度,因为其表面未形成识别孔穴,目标物难以进入孔穴造成中心UCNPs荧光猝灭。利用多功能复合材料吸附相同浓度的不同菊酯类农药,达到平衡的时间有所差异。因为农药的空间结构及官能团导致其与孔穴识别作用有一定区别。其中,氰戊菊酯、氟氯氰菊酯的吸附平衡时间最长,为60 min,可能与氟氯氰菊酯结构中间苯氧基上的氟原子,氰戊菊酯结构中增加的苯环有关。

为进一步研究其吸附类型,采用准一级动力学模型(1)与准二级动力学模型(2)拟合分析NaYF4∶Yb, Er-Fe3O4@MIP多功能纳米材料对菊酯类农药的吸附过程。其吸附动力学拟合曲线对应的拟合参数见表1。NaYF4∶Yb, Er-Fe3O4@MIP多功能纳米材料对菊酯类农药溴氰菊酯、氯氰菊酯、氰戊菊酯、氟氯氰菊酯以准二级动力学模型拟合的决定系数R2分别为0.96、0.93、0.92、0.93大于以准一级吸附动力学模型拟合得到的决定系数,同时以准二级动力学模型拟合得出理论平衡吸附量更接近于实验值,因此准二级动力学模型能更好地描述NaYF4∶Yb,Er-Fe3O4@MIP多功能纳米材料对菊酯类农药的吸附过程。

2.5 NaYF4∶Yb, Er-Fe3O4@MIP对菊酯类农药的吸附平衡研究

采用等温吸附法测定NaYF4∶Yb, Er-Fe3O4@MIP多功能纳米材料在不同浓度的菊酯类农药溶液中的吸附效果,通过Scatchard模型Qe/Ce=(Qmax-Qe)/Kd分析多功能纳米材料的吸附位点结合方式和类型以及最大结合量。从图5可知NaYF4∶Yb, Er-Fe3O4@MIP对菊酯类农药吸附的Scatchard曲线呈非线性关系,说明其对4种菊酯类农药的吸附是各向异性的。进一步研究发现图中两个部分呈现线性关系,通过Scatchard曲线得到高结合位点的解离常数Kd分别为:溴氰菊酯0.16 mg/L、氯氰菊酯0.14 mg/L、氟氯氰菊酯0.25 mg/L和氰戊菊酯0.41 mg/L;结合位点最大吸附量Qmax分别为:溴氰菊酯17.38 mg/g、氯氰菊酯17.56 mg/g、氟氯氰菊酯10.21 mg/g和氰戊菊酯12.28 mg/g。低结合位点的解离常数Kd分别为:溴氰菊酯0.25 mg/L、氯氰菊酯0.27 mg/L、氟氯氰菊酯0.59 mg/L和氰戊菊酯0.32 mg/L;Qmax分别为:溴氰菊酯6.74 mg/g、氯氰菊酯6.63 mg/g、氟氯氰菊酯3.89 mg/g和氰戊菊酯4.02 mg/g,说明在该研究范围内NaYF4∶Yb, Er-Fe3O4@MIP对4种菊酯类农药主要有2种不同的结合位点[25]。

2.6 NaYF4∶Yb, Er-Fe3O4@MIP对菊酯农药的类特异性研究

为了研究NaYF4∶Yb, Er-Fe3O4@MIP多功能纳米材料对菊酯农药的类特异性,本研究以柑橘种植培育过程中常用农药的菊酯类农药、新烟碱类农药、氨基甲酸酯类农药、有机磷类农药为对象考察该多功能传感材料的类特异性。由图6可知,多功能纳米复合材料对菊酯类农药的响应远远大于新烟碱类、氨基甲酸酯、有机磷类农药。这是因为本研究合成的多功能纳米材料中存在针对菊酯类农药的识别孔穴。新烟碱类、氨基甲酸酯、有机磷类农药引起多功能纳米复合材料的荧光猝灭强度与其对NaYF4∶Yb, Er-Fe3O4@NIP猝灭强度相近,说明这些类农药与其结合方式为非特异性吸附。其中,克百威、噻虫嗪和敌敌畏对多功能纳米的材料的荧光猝灭强度稍大,因为其存在部分与模板分子3-PBA的类似结构。

2.7 菊酯农药类特异性传感体系的线性范围和检出限研究

在波长980 nm激光器激发下,研究基于NaYF4∶Yb, Er-Fe3O4@MIP多功能纳米材料构建的菊酯农药类特异性传感系统的传感性能。本实验以溴氰菊酯、氯氰菊酯、氰戊菊酯、氟氯氰菊酯以及菊酯农药混标为目标物,测定其对NaYF4∶Yb, Er-Fe3O4@MIP的荧光猝灭程度,如图7所示。随各菊酯农药浓度增大,NaYF4∶Yb, Er-Fe3O4@MIP的荧光猝灭量增大。而在相同的菊酯农药浓度下,NaYF4∶Yb, Er-Fe3O4@MIP材料的荧光猝灭强度远大于NaYF4∶Yb, Er-Fe3O4@NIP材料的荧光猝灭程度,推测是因为多功能材料表面有大量针对菊酯农药的类特异性识别孔穴,菊酯农药会进入孔穴引起荧光强度降低。

由图7可知,在0.02～2.5 mg/L范围内,NaYF4∶Yb,Er-Fe3O4@MIP的荧光猝灭程度F0/F与菊酯类农药的浓度呈良好的线性关系,其线性回归方程、相关系数等如表2所示,该传感体系具有较高的灵敏度和较强的类特异识别能力,检出限远低于国家标准规定的该类农残的最大残留限量,可用于菊酯农药的类特异性检测。

2.8 菊酯农药类特异性传感体系的样品前处理条件研究

2.8.1 超声波功率

超声波能够有效地破碎细胞壁,释放植物细胞内成分,并向样品中传递更多的能量从而促进有效成分与溶剂的更好混合和扩散,因此超声波功率可以明显影响有效成分提取率,超声波功率对农药加标回收的影响见图8,随着超声波功率的增加,4种菊酯类农药的加标回收率均可显著增加,在超声波功率80 kHz时,4种农药的加标回收率均为最高,且较为节能。因此,在后续菊酯类农药检测的提取中超声波功率为80 kHz。

2.8.2 超声波处理时长

随着超声波处理时间的延长,菊酯类农药的加标回收率增加,超声波处理20 min能够显著提高回收效率,与未处理相比,加标回收率提高了30%(图8)。因此,后续实验中选择超声波处理时长20 min提取菊酯类农药。

2.8.3 柑橘鲜果的酶处理

GB 2763—2021 《食品安全国家标准 食品中农药最大残留限量》中对应柑橘鲜果中农药检测方法规定,柑橘要采用全果(去柄)检测。而柑橘表皮存在大量的果胶酶,与其他果品的前处理存在较大的差异。本文在柑橘鲜果的前处理中,研究采用果胶酶将柑橘表皮的细胞壁及胞间层果胶分解,破坏细胞壁便于菊酯类农药的释放,提高检测提取效率(图8),随着果胶酶的增加,4种菊酯农药的加标回收率增加。其中,果胶酶添加量达到0.8 g/100 g时,溴氰菊酯、氯氰菊酯的回收效率最高。果胶酶添加量1 g/100 g时,氰戊菊酯和氟氯氰菊酯的加标回收率最高。因此,在提取菊酯类农药时果胶酶的添加量为1 g/100 g。

2.9 实际样品的检测研究

根据中国规定拟除虫菊酯类农药在水果中的最大残留限量为0.02～5.0 mg/kg (GB 2763—2019 《食品安全国家标准 食品中农药最大残留限量》),欧盟(EU 396/2005 附件I的A部分)规定为0.02～0.3 mg/kg,为了验证菊酯类农药传感材料NaYF4∶Yb, Er-Fe3O4@MIP的实际样品适用性,在以上范围内选择浓度进行加标回收试验,加标回收实验结果如表3所示,菊酯类类特异性传感体系的回收率为87.88%～105.78%,RSD为0.53%～6.41%。

同时,随着菊酯类农药浓度的增加,NaYF4∶Yb, Er-Fe3O4@MIP传感材料的荧光猝灭强度F0/F与农药浓度之间存在良好的线性关系,如图9所示。其中,在实际样品中菊酯类农药浓度与NaYF4∶Yb, Er-Fe3O4@MIP荧光猝灭强度F0/F的线性回归方程为y=1.15x+1.47,R2=0.97。表明该类特异性传感体系具有良好的准确性、稳定性,可用于真实复杂样品中菊酯类农药的测定。

3 结论

本文以光磁复合材料为支撑体,3-PBA为模板分子,利用表面分子印迹技术制备了菊酯农药类特异性光磁多功能纳米材料(NaYF4∶Yb, Er-Fe3O4@MIP),构建了基于该多功能纳米材料的菊酯类传感体系,该传感体系在0.02～2.5 mg/L范围内对菊酯类农药(溴氰菊酯、氯氰菊酯、氟氯氰菊酯、氰戊菊酯)具有良好的线性关系,检出限分别为6.17×10-4、6.65×10-4、7.21×10-4、9.61×10-4、6.43×10-4 mg/L,灵敏度与气相色谱(GB/T 5009.146—2008 《植物性食品中有机氯和拟除虫菊酯类农药多种残留量的测定》)数量级相同,但时间大大减少,操作步骤简单方便,检测成本低。吸附动力学及吸附平衡结果表明,NaYF4∶Yb, Er-Fe3O4@MIP以化学吸附为主,分别在50、40、60、60 min对溴氰菊酯、氯氰菊酯、氰戊菊酯、氟氯氰菊酯的吸附平衡;该传感体系对菊酯类农药产生特异性响应,对有机磷类、氨基甲酸酯类及新烟碱类农药的响应较低;对柑橘鲜果的实际应用测试显示,在超声波功率80 kHz,超声波处理时长20 min,酶添加量1 g/100 g等前处理条件下,传感体系的加标回收率为87.88%～105.78%,RSD为0.53%～6.41%,检出限为6.17～9.61 mg/L,该方法具备准确灵敏检测柑橘果品菊酯类农药残留的能力。

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Pyrethroid pesticide-specific sensing system and its application in citrus pesticide residue detection

HUANG Xinya1, LI Honglin1, ZHENG Yekun1, YUN Huan1, GUO Ting1,2,3, ZHANG Yuhao1,2,4, MA Liang1,2,3,4*

1(College of Food Science, Southwest University, Chongqing 400715, China)2(Chongqing Key Laboratory of Specialty Food Co-Built by Sichuan and Chongqing, Chongqing 400715, China)3(Key Laboratory of Quality and Safety Control of Citrus Fruits, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Southwest University, Chongqing 400715, China)4(Key Laboratory of Condiment Supervision Technology for State Market Regulation, Chongqing 400715, China)

ABSTRACT The amount of pyrethroid pesticides used in citrus and other fruits in China ranks first in the world.Rapid screening and supervision of their residues are of great significance to ensure the safety of China’s fruits.This article studied the preparation conditions of multifunctional nanomaterials (NaYF4∶Yb, Er-Fe3O4@MIP), and used Fourier transform infrared spectroscopy and transmission electron microscopy to characterize the material.Through the adsorption and selectivity experiments of NaYF4∶Yb, Er-Fe3O4@MIP, it was verified that NaYF4∶Yb, Er-Fe3O4@MIP had good selectivity and adsorption performance for four kinds of pyrethroid pesticides.Based on the above results, a pyrethroid pesticide-specific sensing system based on this material was constructed to rapidly detect pyrethroid pesticide residues in citrus fruits.Results showed that the sensing system had a good linear relationship with pyrethroid pesticides (deltamethrin, cypermethrin, cyfluthrin, and fenvalerate) in the range of 0.02-2.5 mg/L, and the detection limits were respectively 6.17×10-4, 6.65×10-4, 7.21×10-4, 9.61×10-4, 6.43×10-4 mg/L.Combined with the exclusive pre-treatment technology for fresh citrus fruits, actual citrus samples were tested.The spiked recovery rate was 87.9%-105.8%, and the relative standard deviation was 0.53%-6.41%.The method is accurate, sensitive and stable, and can be used for the detection of pyrethroid pesticides in actual citrus samples.

Key words pyrethroid pesticides;pesticide residues;up conversion;fluorescence characteristics;composite nanomaterials;citrus

DOI：10.13995/j.cnki.11-1802/ts.037546

引用格式：黄欣娅,李泓霖,郑业坤,等.拟除虫菊酯农药类特异性传感体系构建及其在柑橘农残检测中的应用[J].食品与发酵工业,2024,50(17):128-138.HUANG Xinya, LI Honglin, ZHENG Yekun, et al.Pyrethroid pesticide-specific sensing system and its application in citrus pesticide residue detection[J].Food and Fermentation Industries,2024,50(17):128-138.

第一作者：硕士研究生(马良教授为通信作者,E-mail:zhyhml@163.com)

基金项目：重庆市市场监督管理局科研计划项目(CQSJKJ2021016);重庆市自然科学基金面上项目(cstc2021jcyj-msxmX0371);国家自然科学基金项目(32102062)

收稿日期：2023-10-05,改回日期:2023-11-07