通过识别位点模拟实现磺酰脲类除草剂的选择性识别与区分的仿生纳米酶阵列

《Journal of Hazardous Materials》：Bionic Nanozyme Arrays for Selective Identifying and Discriminating Sulfonylurea Herbicides via Recognition Site Mimicry

　　

程玉清|田田|宋东辉|马宇|毕志春|张新健|张玲|李永新|黄慧

中国吉林省长春市130025，吉林大学食品科学与工程学院

摘要

磺酰脲类除草剂因其高效的除草效果和较低的哺乳动物毒性而被广泛用于农业。然而，这类除草剂的持久性会导致残留物产生，对环境和人类健康构成潜在威胁，因此亟需开发快速准确的检测技术。本研究受植物中磺酰脲类除草剂主要作用靶点——乙酰乳酸合成酶结构的启发，设计了仿生纳米酶。以ALS的辅因子硫胺素二磷酸以及关键结合氨基酸（精氨酸、脯氨酸和色氨酸）作为配体，我们合成了具有优异过氧化物酶样活性的仿生纳米酶。磺酰脲类除草剂显著提升了这些仿生纳米酶的活性，且不同除草剂带来的提升程度有所差异。而有机磷农药、氨基甲酸酯类农药及其他测试过的农药则没有这种增强效应。据此，我们构建了一个六通道比色传感器阵列，能够在1-100微克/毫升的浓度范围内100%准确区分五种磺酰脲类除草剂。此外，该阵列还能准确识别四种实际谷物样品中的磺酰脲类除草剂以及盲样中的同类物质。这项研究不仅为磺酰脲类除草剂的快速检测提供了有效方法，还为设计用于在复杂基质中精准识别特定农药分子的仿生纳米酶开辟了新途径。

引言

磺酰脲类除草剂是一类应用广泛的除草剂[1]，也是典型的乙酰乳酸合成酶抑制剂[2]，以其低剂量下的高效率而著称[3][4]。由于乙酰乳酸合成酶在高等植物中普遍存在[5][6]，磺酰脲类除草剂施用于杂草后留下的残留物会通过抑制该酶来威胁非目标作物，进而影响光合作用并大幅降低产量[7]。此外，这类除草剂的高水溶性和环境持久性会阻碍其在土壤中的自然降解[8][9]，容易发生生物积累，从而对人类健康构成潜在风险[10][11]。目前用于检测磺酰脲类除草剂的方法包括高效液相色谱法[12]、气相色谱法[13]和毛细管电泳法[14][15]。尽管这些方法的检测限较低且灵敏度较高，但受限于仪器体积庞大且需要专业操作人员，难以实现快速便捷的检测。乙酰胆碱酯酶抑制试验因操作快捷方便，已成为检测有机磷农药和氨基甲酸酯类农药的常用快速检测方法[16]，但其对磺酰脲类除草剂的灵敏度较低，难以实现选择性检测。因此，开发精准快速的磺酰脲类除草剂检测方法对于监测环境污染和降低残留风险至关重要。

纳米酶是具有类似酶催化活性的纳米材料[17]，它们通过与目标物质相互作用并调控自身的酶样活性来实现目标物质的检测。目前大多数纳米酶仅能模仿天然酶的催化功能，但其结构和组成与天然酶存在很大差异，难以具备天然酶对目标物质的选择性和催化特异性[18][19]。传统的金属-配体催化体系仅涉及金属与配体之间的简单配位，缺乏专为分析物设计的识别结构。以天然酶的活性位点为基础设计纳米酶，是提升纳米酶与农药相互作用特异性的重要策略[20]。模块化设计是纳米酶开发中广泛采用的策略，它允许独立构建催化模块和识别模块，以满足不同的检测需求[21]。遵循模块化设计的核心原则，我们设计了仿生纳米酶。与以往的纳米酶设计策略不同，我们基于乙酰乳酸合成酶的活性位点构建了仿生识别模块，将传感机制从“非特异性催化调控”转变为“目标特异性识别”。具体而言，我们从磺酰脲类除草剂的天然作用靶点——乙酰乳酸合成酶的活性位点中直接提取了关键功能组分。作为ALS活性中心必需辅因子的硫胺素二磷酸，在除草剂结合后会发生逐步的构象变化[22]。催化通道内的关键氨基酸（脯氨酸、色氨酸和精氨酸）构成了分子识别基础：精氨酸会与磺酰脲类除草剂的磺酰基结合，作为主要的抑制位点[23]；色氨酸会与磺酰脲类除草剂中的嘧啶环发生π-π堆叠作用，固定杂环结构[24]；脯氨酸则会形成刚性的疏水微环境，通过范德华力与苯环的邻位取代基发生相互作用[25]。通过在纳米酶的仿生设计中运用上述辅因子和关键氨基酸，我们有望实现对磺酰脲类除草剂的选择性检测（见图1）。在本研究中，“仿生纳米酶”特指通过模仿ALS活性位点上的硫胺素二磷酸辅因子以及关键氨基酸（精氨酸、色氨酸和脯氨酸）而构建的纳米酶。与传统仅依赖金属中心与配体之间随机配位的纳米酶不同，该系统中的识别模块直接来源于植物中磺酰脲类除草剂的天然靶点，因此具备识别这类除草剂的潜力。

受哺乳动物嗅觉系统的启发，基于阵列的传感技术利用交叉反应的传感器元件产生响应信号。通过利用多个传感单元的交叉反应性，该技术克服了单传感器方法的选择性限制，在检测复杂系统中的多种目标时具有更强的抗干扰能力[26][27]。此外，还包括线性判别分析、层次聚类分析和主成分分析等多元分析方法，可用于解析阵列产生的独特响应模式，从而实现各类物质的精准识别和分类[28]。基于纳米酶的比色传感技术因其稳定性强、操作简便、成本较低且灵敏度高的优势，已成为构建高性能传感器阵列的重要手段[29]。该策略能够检测并区分多种分析物，包括抗生素[30]、生物分子[31]、金属离子[32]、植物化学物质（如茶多酚）[33][34][35]以及农药[36]。该传感器阵列对磺酰脲类除草剂具有极高的区分能力，这得益于其仿生设计，能够对目标分子细微的结构差异产生特异性响应。这种结构识别能力在环境分析中具有重要意义[37][38]。

本研究设计了新型仿生纳米酶，用于构建能够区分磺酰脲类除草剂的比色传感器阵列。如图1所示，我们受磺酰脲类除草剂对乙酰乳酸合成酶的抑制机制启发，合成了以铜为基质的仿生纳米酶，这些纳米酶以硫胺素二磷酸作为辅因子，以关键氨基酸作为配体。与其他以金属为中心的材料相比，这些仿生纳米酶对磺酰脲类除草剂的响应更为敏锐。在之前的研究[39]中，我们发现天冬氨酸铜与磺酰脲类除草剂有良好的相互作用，因此我们将仿生纳米酶与天冬氨酸铜结合，构建了优化后的传感阵列，即使在存在400微克/毫升干扰物质的情况下，也能100%准确区分五种除草剂（甲基磺草酮、烟嘧磺隆、 rimsulfuron、甲磺磺隆和苏乐散）。在用四种实际谷物样品进行的验证实验中，该方法能够准确区分这五种除草剂，且在盲样识别中也实现了100%的准确率。总之，本研究通过将仿生纳米酶与L-天冬氨酸铜结合，构建了一种新型传感阵列。该阵列为建立一种高效、快速且抗干扰的磺酰脲类除草剂检测平台提供了新途径，并在实际谷物样品的验证中展现了完美的准确度。

章节片段

化学品与仪器

三水合硝酸铜（Cu(NO?)?·3H?O）、硫胺素焦磷酸（ThDP）、精氨酸（Arg）、脯氨酸（Pro）、色氨酸（Try）、L-天冬氨酸（ASP）、3,3’,5,5’-四甲基联苯胺（TMB）、2-吗啉乙烷磺酸（MES）、甲基磺草酮（Met）、烟嘧磺隆（Nic）、rimsulfuron（Rim）、甲磺磺隆（Hal）以及苏乐散（Sul）均购自中国上海的Macklin Biochemistry公司。草甘膦（Gly）、草铵膦（Glu）、二甲四氯（Dim）、芬硫磷（Fen）、卡巴利特（Car）、异丙卡巴

纳米酶的特性分析

我们选择了植物中磺酰脲类除草剂作用靶点的四种主要结合组分作为仿生纳米酶的配体，随后合成了并分析了以下几种纳米酶：色氨酸铜、脯氨酸铜、精氨酸铜、L-天冬氨酸-硫胺素二磷酸铜以及硫胺素二磷酸铜。扫描电子显微镜图像显示，色氨酸铜（见图S1A）呈矩形形态，而脯氨酸铜（见图S1B）和精氨酸铜（见图S1C）则呈现片状结构。L-天冬氨酸铜呈纤维状形态，而在加入硫胺素二磷酸后则出现较小的

结论

与以往依靠非特异性酶样活性抑制进行检测的纳米酶传感器不同，本研究首次通过模仿乙酰乳酸合成酶的活性位点，构建了一种能够实现磺酰脲类除草剂目标特异性识别的传感器阵列。与含有其他金属中心的纳米酶相比，以铜为基质的仿生纳米酶对磺酰脲类除草剂的响应更为显著。与有机磷农药和氨基甲酸酯类农药相比，这些仿生纳米酶对磺酰脲类除草剂具有更高的特异性，且性能也极为出色

环境意义

磺酰脲类除草剂因其高效性和低毒性而被广泛用于农业。然而，这类除草剂难以在自然界中降解，其残留物会对环境和人类健康构成潜在威胁。因此，开发快速简便的磺酰脲类除草剂检测方法至关重要。磺酰脲类除草剂的作用靶点是生物体内的乙酰乳酸合成酶。本研究利用乙酰乳酸合成酶的结构，通过将铜与其关键辅因子或必需成分结合，合成了仿生纳米酶

CRediT作者贡献说明

马宇：验证工作。宋东辉：研究工作、正式分析。田田：初稿撰写、方法设计、概念构思。李永新：修订编辑、项目监督、资金申请。程玉清：初稿撰写、结果可视化。张新健：数据整理。毕志春：研究工作。黄慧：修订编辑、项目监督、资金申请。张玲：结果可视化。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（22576079）和吉林省自然科学基金（20250202071NC）的资助。