CD@ZIF-8用于活体植物霉菌毒素原位检测 | 上海楷树化学科技有限公司

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CD@ZIF-8用于活体植物霉菌毒素原位检测

摘要
新加坡 Tedrick Thomas Salim Lew 教授团队发表于 Advanced Materials 的研究工作中，研究以三聚氰胺、二硫代苯甲酸为前驱体制备 AIE 型碳点，依托 Zn²⁺精准调控碳点在 ZIF-8 孔道内分散 / 聚集平衡，构筑 450 nm 蓝光、610 nm 红光双特征发射探针；镰刀菌酸可螯合 ZIF-8 骨架 Zn²⁺选择性猝灭 450 nm 蓝色荧光，610 nm 聚集诱导红光保持稳定，依靠双信号自参比完成定量分析。复合 PVA 微针后可微量提取植物间质液，在作物染病未出现表观病症阶段检出 FA，还能将镰刀菌真菌感染与高温、盐胁迫、细菌性病害等非生物 / 生物胁迫有效区分，为精准农业作物病害早期无创诊断搭建全新一体化纳米传感平台。

研究背景
1. 行业问题和现有方案
1) 镰刀菌酸（FA）的传统检测定量依赖色谱、质谱等破坏性前处理检测手段，需要粉碎植物组织，无法实现活体原位。
2) 常规碳点荧光传感器在植物复杂胞内环境中稳定性差、抗干扰能力弱，难以直接用于活体植株检测。
3) 研究者利用 MOF 多孔孔道封装碳点提升稳定性，但FA 作为强金属螯合剂的理化特性尚未被结合 MOF 基探针开发靶向传感策略。
3. 本文创新
1) 利用 Zn²⁺静电作用精准调控 AIE 碳点在 ZIF-8 框架内的分散与聚集比例，一步原位封装制备单颗粒双发射 CD@ZIF-8 比率探针，仅用一种纳米材料实现自参比荧光检测；
2) 将纳米传感器与生物相容 PVA 微针一体化成型，依靠微针微创穿刺提取植株汁液，规避组织破碎取样；
3) 依托 FA 与 ZIF-8 中 Zn 位点的螯合特异性实现靶向识别，在无症状阶段完成镰刀菌病害筛查，解决活体作物早期病害无损监测的行业短板。

实验部分
1. AIE 碳点与 CD@ZIF-8 复合材料合成实验
1) 碳点制备：三聚氰胺与二硫代苯甲酸溶于冰醋酸，180 ℃水热反应 10 h，沸水析出产物，水洗抽滤得到粒径 2.58 nm 的 AIE 碳点，乙醇中呈 450 nm 分散态蓝光，水环境疏水聚集后产生 610 nm AIE 红光。
2) ZIF-8 基准材料合成：醋酸锌与 2 - 甲基咪唑溶于 CTAB 水溶液，室温静置 2 h 析出 ZIF-8 固体，甲醇洗涤干燥备用。
3) CD@ZIF-8 原位包覆：碳点分散于纯水，按碳锌投料比 5:1 加入醋酸锌溶液搅拌 1 h，依次添加 2 - 甲基咪唑、CTAB，室温静置 2 h 原位生长 ZIF-8 外壳包覆碳点，甲醇洗涤烘干，该投料比恰好保留蓝、红双通道特征荧光。
2. PVA 基传感微针制备实验
10 mg CD@ZIF-8 粉体分散于 1 g 10 wt% PVA 水溶液，预制液浇筑于 PDMS 微针模具，0.1 bar 负压脱泡 15 min，干燥 12 h 脱模得到棱锥型微针阵列；空白对照组微针仅使用纯 PVA 原料。成品微针高 210 μm、底面宽 100 μm，负载纳米颗粒后表面粗糙度提升。
3. 体外溶液 FA 传感性能实验
梯度浓度 FA 与 CD@ZIF-8 水分散液混合，5 min 内 450 nm 荧光快速猝灭，610 nm 荧光基本不变；选取葡萄糖、多种植物内源激素、氨基酸、有机酸等干扰物平行测试。
结果：只有 FA 造成 I₄₅₀/I₆₁₀比值下降约 80%，其余植物内源杂质信号变化＜20%，探针检出下限可达 0.1 ppm，适配植株早期微量 FA 检测区间。
4. 活体植株原位检测与对照验证实验
纳米微针检出数据与液质检测结果高度吻合，植株叶片 FA 9~13 ppm、茎秆 4~6 ppm；可精准区分镰刀菌侵染与其他非靶标胁迫，实现染病无症状早期检出。
5. 材料生物安全性验证实验
设置空白叶片、微针处理叶片、SDS 损伤对照组，分别测定叶绿素 SPAD 值、PI 细胞凋亡染色、叶片光合参数 Fv/Fm、ΦPSII 与 OJIP 光合瞬态曲线。微针处理组与空白组各项光合、细胞活性指标无统计学差异，证明传感贴片对植株生理无损伤。

分析测试
1. 结构表征
1) TEM：纯碳点平均粒径 2.58 nm；CD@ZIF-8 维持立方结构，碳点集中分布在 ZIF-8 内核；EDX 元素映射验证碳点特征 S 元素均匀分布于复合材料内部。
2) XRD 测试：复合后保留 ZIF-8 全部特征衍射峰，仅峰宽小幅加宽、强度轻微降低，MOF 晶体骨架完整。XPS 与 FTIR：CD@ZIF-8 同时出现碳点 S-S 键特征峰与 ZIF-8 特征官能团信号，佐证碳点成功包覆。
3) Zeta 电位：纯碳点呈强负电，随 Zn²⁺添加电位负值下降，证实 Zn²⁺与碳点静电相互作用。
2. 光学与荧光寿命测试
1) 紫外 - 可见吸收：碳点在 280 nm、365 nm 存在碳核 π-π* 跃迁吸收，ZIF-8 特征吸收 215 nm，复合材料同时保留两组特征吸收峰；
2) 荧光瞬态寿命：纯碳点平均荧光寿命 2.56 ns，加入 FA 后寿命 2.49 ns，寿命变化微弱，判定为静态猝灭机制。CD@ZIF-8 稳定在 450 nm、610 nm 双发射峰。
3. 微针与活体表征
荧光共聚焦：CD@ZIF-8 在微针针尖均匀分布；叶绿素荧光成像：微针处理叶片 Fv/Fm、NPQ 等光合参数和空白植株无显著区别；PI 荧光染色定量：微针穿刺部位几乎无死细胞染色信号。

机理分析
1. 双发射荧光构筑机理
1) 原料碳点依靠二硫键分子内旋转实现 AIE 效应，乙醇良溶剂中碳点单分散，碳核本征跃迁产生 450 nm 蓝光；水环境疏水聚集限制二硫键内旋转，触发 610 nm 聚集诱导红光；
2) 引入 Zn²⁺后静电作用力打散部分团聚碳点，调控分散 / 聚集比例，ZIF-8 原位封装锁存双发光结构，最终得到比率探针。
2. FA 靶向荧光猝灭传感机理
1) FA 吡啶羧酸结构特异性螯合 ZIF-8 孔道内 Zn²⁺，局部破坏 MOF 骨架结构，使被 Zn²⁺分散的碳点暴露；FA 芳香环与碳点共轭结构发生 π-π 堆叠，形成基态无荧光复合物，静态猝灭 450 nm 分散态蓝光；
2) 聚集态碳点受 S-S 键受限旋转主导的 AIE 能级不受 FA 影响，610 nm 红光恒定不变，以 I₄₅₀/I₆₁₀作为定量依据实现自参比检测。
3. 微针活体无损检测机理
PVA 微针机械强度适中，微创穿透植物表皮后依靠毛细作用吸附间质液，植株损伤极小不影响生理代谢；PVA 基质理化稳定，可固定 CD@ZIF-8 纳米颗粒，植株汁液渗入微针内部即可完成 FA 特异性荧光响应。

总结
本研究以 AIE 碳点与 ZIF-8 为原料，通过 Zn²⁺调控组装制备单组份双发射 CD@ZIF-8 比率荧光传感器，将传感材料与 PVA 微针集成，可在镰刀菌病害无症状阶段完成筛查，精准区分真菌、细菌与各类环境胁迫，检测结果和标准 HPLC-MS 定量高度一致填补活体农作物霉菌毒素无创早期检测的技术空白。

文章标题：Ratiometric Mycotoxin Detection in Living Plants With Dual-Emissive Nanosensors
文章作者：Yuliang Li, Di Shen, Ziyang Huang, Suppanat Puangpathumanond, Calvin Thenarianto, Yue Zhao, Jolly Madathiparambil Saju, Rajani Sarojam, Dongmei Zhou, Tedrick Thomas Salim Lew
DOI：10.1002/adma.73624
文章链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.73624

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新加坡团队开发 CD@ZIF-8 双发射比率纳米传感器，依托 Zn²⁺调控碳点分散聚集实现蓝红双荧光信号，复合生物兼容微针可微创提取植株汁液，在作物染病未显病症时精准检出镰刀菌酸，高效区分真菌与各类环境胁迫，为精准农业病害早期诊断提供新方案。