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数据库双酶毛细管流动驱动微流控传感器用于职业性和家庭带入性农药暴露的多重筛查
全球农业每年施用超过370万吨农药以维持作物生产。然而，混合、装载和喷洒过程会使农业工人接触农药残留。除职业暴露外，家庭带入途径——即手套、衣物和工具上的残留被带入车辆和家庭——还会对家庭成员，尤其是易感儿童，构成额外风险。农药暴露与恶心、呼吸窘迫、神经损伤和内分泌干扰有关，凸显了在职业和家庭环境中进行有效监测的必要性。传统分析方法成本高、需要专业人员并依赖笨重仪器，限制了其用于快速现场筛查。纸基微流控器件近年来已成为低成本、便携的环境监测工具，能够在一次性平台上整合比色酶分析。然而，目前大多数系统仅能检测单一农药类别，限制了其用于复杂真实混合物的适用性。
本文开发了一种双酶微流控器件，用于同时比色筛查代表性的有机磷和二甲酰亚胺类农药——敌敌畏和福美锌。该系统简单（两步）、低成本（<1美元/次检测）且用户友好，可实现快速现场部署和公民监测。敌敌畏和福美锌的检测限分别为0.15 ppm和0.02 ppm，可实现环境相关定量。在皮革、牛仔布和棉质基底上测试加标农药残留，敌敌畏回收率为51–148%，福美锌为29–84%，表明其适用于监测常见衣物材料上的残留。该双酶平台为职业和家庭环境中可及的多靶标农药暴露监测提供了实用进展。
Figure 1
毛细管驱动微流控器件的逐层示意图及其组装。对照和农药样品溶液通过独立入口引入。孵育10分钟后，折叠器件顶部以启动酶-底物反应，并在t=3分钟（TYRO分析）和t=10分钟（BChE分析）采集图像用于分析。
Figure 2
双酶微流控器件中使用的反应机制。1—TYRO催化 catechol 氧化为 o-quinone，随后与4AAP偶联形成有色 quinone-imine 染料产物。2—BChE催化BTC水解产生 thiocholine，其与DTNB反应生成黄色TNB产物。农药的存在降低酶催化活性，导致颜色形成减少和信号强度降低。
Figure 3
基于BChE的分析优化。（A）纸类型与平均灰度强度的关系。（B）BChE浓度与平均灰度强度的关系。（C）BTC + DTNB比例（mM）与平均灰度强度的关系。（D）反应时间与平均灰度值的关系。优化条件确定为：Whatman 3纸、5 U/mL BChE、2 mM BTC:1 mM DTNB、10分钟图像采集时间。
Figure 4
基于TYRO的分析优化。（A）纸类型与平均灰度强度的关系。（B）TYRO浓度与平均灰度强度的关系。（C）Catechol/4AAP浓度（g/L）与平均灰度强度的关系。（D）反应时间与平均灰度值的关系。优化条件确定为：Whatman 4纸、450 U/mL TYRO、1 g/L catechol + 3 g/L 4AAP、3分钟图像采集时间。
Figure 5
双酶生物传感器的校准曲线。（A）BChE分析对敌敌畏的响应；（B）TYRO分析对福美锌的响应。将抑制百分比对农药浓度的对数（敌敌畏和福美锌均为0–10 ppm）作图。抑制随农药浓度增加而增加。四参数逻辑拟合得到BChE的LoD为0.15 ppm，TYRO的LoD为0.02 ppm，均处于各自农药的EPA最大残留限量范围内。
Figure 6
双酶多重微流控器件的干扰测试。（A）BChE分析组件；（B）TYRO分析组件。对照（蓝色柱）对应不含农药的溶液，而每种干扰物在指定浓度下（A：0.5 ppm；B：1 ppm）单独测试。虚线表示对照响应的±10%。BChE分析中的 carbofuran 显示为红色柱，因为它是唯一与对照存在统计学差异的条件。误差条表示四次重复测量的标准差。
Figure 7
器件在不同温度条件下储存14天的稳定性。（A）BChE分析和（B）TYRO分析分别储存在室温（RT，25°C）、冰箱（6°C）和冷冻箱（−30°C）。青色柱代表对照样品（30:70 MeOH/PBS），浅棕色柱代表目标农药样品。数据显示每个测试日测得的平均信号强度，用于评估不同储存条件下的酶活性保留。
本文提出了一种双酶微流控器件，用于同时比色检测有机磷和二甲酰亚胺类农药，满足环境现场快速筛查农药的关键需求。该器件简单、快速、用户友好且成本效益高，适合作为实用筛查平台。虽然这些分析基于通常与有机磷和二甲酰亚胺类农药相关的酶抑制机制，但响应具有化合物依赖性，且各类别内不同分析物的灵敏度存在差异。因此，该平台最好被解释为一种广谱筛查工具，能够检测这些农药类别中的部分化合物，而非提供统一的类别级选择性。
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来源：生物传感器
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