CN109946256A - 一种酪氨酸酶光学生物传感器及其检测二硫代氨基甲酸酯类农药的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种酪氨酸酶光学生物传感器及其检测二硫代氨基甲酸酯类农药的方法，该酪氨酸酶光学生物传感器包括酪氨酸酶磷酸盐缓冲溶液和邻苯二酚紫水溶液。本发明采用一种酪氨酸酶光学生物传感器结合紫外‑可见光分光光度计对二硫代氨基甲酸酯类农药进行快速、灵敏的定量分析。与传统的色谱分析方法对比，所述方法采用成本相对较低、操作相对简便。此外，该酪氨酸酶光学生物传感器可选用具有拍照功能的智能手机作为检测器进行二硫代氨基甲酸酯类农药检测，进一步拓展了应用前景。

Description

一种酪氨酸酶光学生物传感器及其检测二硫代氨基甲酸酯类 农药的方法
技术领域
本发明总体涉及农药检测分析方法技术领域，具体涉及一种酪氨酸酶光学生物传感器及其检测二硫代氨基甲酸酯类农药的方法。
背景技术
二硫代氨基甲酸酯类农药作为一种高效广谱杀菌剂。自19世纪30年代发现以来，已在农业生产中得到了广泛的应用，用于防治农作物的炭疽病、根腐病与早疫病等病害。但二硫代氨基甲酸酯类农药的使用同样存在着一定风险，其残留的代谢产物二硫化碳可能对人体有致癌与致畸作用。二硫代氨基甲酸酯类农药在农产品上的残留与对环境水的污染，可能会给人民生命安全、环境安全和农产品质量安全带来极大的隐患。因此对二硫代氨基甲酸酯类农药进行快速准确分析检测是非常重要的。
目前，检测二硫代氨基甲酸酯类农药的主要方法为气相色谱法。然而，该方法需要对二硫代氨基甲酸酯类农药进行前处理反应，将其转化为二硫化碳后再进行检测。这一过程可能受来自植物腐败过程生成的二硫化碳的干扰引起假阳性结果。此外，使用色谱仪等昂贵的仪器进行分析检测，花费的时间及成本较昂贵，尤其是对于普通群众来说，并没有条件使用复杂精密的仪器。因此，开发基于生物传感器的分析方法对二硫代氨基甲酸酯类农药进行直接检测，可在一定程度上降低仪器设备昂贵而复杂对快速实时检测的限制，以期更好地满足现场实时检测的需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种酪氨酸酶光学生物传感器，并将其应用于分析检测二硫代氨基甲酸酯类农药福美双、福美锌与福美钠。
根据本发明的第一方面，提供一种酪氨酸酶光学生物传感器，由酪氨酸酶和邻苯二酚紫组成，其中酪氨酸酶作为催化剂，邻苯二酚紫作为催化底物与指示剂。利用福美双、福美锌与福美钠对酪氨酸酶的抑制作用，使酪氨酸酶催化的褪色反应程度减弱实现对福美双、福美锌与福美钠的检测。
根据本发明的第二方面，提供一种基于紫外-可见光分光光度计检测二硫代氨基甲酸酯类农药的方法，包括以下步骤：
(1)提供上述酪氨酸酶光学生物传感器；
(2)分别配置一系列浓度的二硫代氨基甲酸酯类农药标准液，并分别加入到酪氨酸酶磷酸盐缓冲溶液中，混合静置后，加入邻苯二酚紫水溶液，并用磷酸盐缓冲液稀释；
(3)使用紫外-可见光分光光度计分别测定步骤(2)所得溶液的吸光度Ap，经线性拟合后分别得到二硫代氨基甲酸酯类农药对应的标准方程；
(4)将含二硫代氨基甲酸酯类待测农药的样品液加入到酪氨酸酶磷酸盐缓冲溶液中，混合静置后，加入邻苯二酚紫水溶液，并用磷酸盐缓冲液稀释振荡一定时间后，采用紫外-可见光分光光度计检测吸光度，与待测农药对应的标准方程比对后得出样品液中待测农药的含量。
优选情况下，步骤(3)中还包括检测不含任何待测农药的酪氨酸酶磷酸盐缓冲溶液与邻苯二酚紫水溶液混合后的吸光度A0，检测单独的邻苯二酚紫水溶液的吸光度A，对测得的吸光度数据进行处理，得到待测农药对酪氨酸酶活性抑制率(IE，％)数据，抑制率(IE)的计算方法如下：
分别以二硫代氨基甲酸酯类农药标准液的浓度对数与其对酪氨酸酶的抑制率之间的对应关系建立二硫代氨基甲酸酯类农药对应的标准方程。所得方程的线性关系好，能有效减小误差，提高检测结果准确性。
具体情况下，紫外-可见光分光光度计检测的吸光度位于360nm。
根据本发明的第三方面，提供一种基于智能手机检测二硫代氨基甲酸酯类农药的方法，包括以下步骤：
(1)提供上述酪氨酸酶光学生物传感器；
(2)分别配置一系列浓度的福美锌标准液，分别加入到酪氨酸酶磷酸盐缓冲溶液中，混合静置后，加入邻苯二酚紫水溶液与硝酸铜水溶液，并用磷酸盐缓冲液稀释；
(3)使用具有拍照功能且安装了可测定RGB值的手机应用软件的智能手机分别测定步骤(2)所得溶液的RGB值，将RGB值转换为对应的HSV值，记录其中的S值(饱和度)并进行线性拟合后得到二硫代氨基甲酸酯类农药的标准方程。
(4)将含二硫代氨基甲酸酯类待测农药的样品液加入到酪氨酸酶磷酸盐缓冲溶液中，混合静置后，加入邻苯二酚紫水溶液与硝酸铜水溶液，并用磷酸盐缓冲液稀释振荡一定时间后，采用具有拍照功能且安装了可测定RGB值的手机应用软件的智能手机测定溶液的RGB值，将RGB值转换为对应的HSV值，记录其中的S值，与二硫代氨基甲酸酯类农药的标准方程比对后得出样品液中二硫代氨基甲酸酯类农药的含量。
本发明采用一种酪氨酸酶光学生物传感器，可结合紫外-可见光分光光度计对三种二硫代氨基甲酸酯类农药进行快速、灵敏的定量分析；或结合具有拍照功能且安装了可测定RGB值的手机应用软件的智能手机对二硫代氨基甲酸酯类农药进行定量分析。该方法首次将酪氨酸酶生物传感器与吸收光谱法结合用于检测二硫代氨基甲酸酯类农药。与传统的色谱分析方法对比，所述方法采用成本相对较低、操作相对简便的紫外-可见光分光光度计对二硫代氨基甲酸酯类农药进行快速、灵敏的定量检测。此外，该酪氨酸酶光学生物传感器可选用具有拍照功能的智能手机作为检测器进行农药检测，进一步拓展了应用前景。
附图说明
图1为本发明的酪氨酸酶生物传感器的工作原理图。
图2为加入不同浓度的福美锌后酪氨酸酶生物传感器的吸收光谱。
图3为福美双浓度对数与抑制率的线性方程。
图4为福美锌浓度对数与抑制率的线性方程。
图5为福美钠浓度对数与抑制率的线性方程。
图6为福美锌浓度与S值(饱和度)的线性方程。
具体实施方式
本发明提供了一种用于检测三种二硫代氨基甲酸酯类农药福美双、福美锌与福美钠的酪氨酸酶光学生物传感器的制备与应用方法。下面结合具体实施方式对本发明做进一步说明。
一、仪器与试剂：
岛津UV2600紫外-可见光分光光度计。
酪氨酸酶、福美双与福美钠购买于阿拉丁；福美锌购买于麦克林；邻苯二酚紫购买于西亚试剂。用时除酪氨酸酶用磷酸盐缓冲液配制，其他用超纯水稀释成所需浓度的工作溶液。
二、酪氨酸酶光学生物传感器设计及检测机理
生物传感器是由生物识别部件与物理化学信号传感器组成的分析系统。生物识别部件为酶等能特异性地与某种特定化合物相互作用的物质，这种特异性的相互作用产生的变化通过物理化学传感器转换为某种信号，然后将得到的信号进行处理，即能对分析物进行定量分析。本发明的生物传感器采用商品化的酪氨酸酶作为生物识别部件与福美双、福美锌及福美钠发生相互作用，采用邻苯二酚紫作为指示剂输出吸光度信号实现定量分析。
参见图1，本发明的生物传感器的检测机理基于福美双、福美锌及福美钠对酪氨酸酶催化的指示剂褪色反应的影响。酪氨酸酶可催化邻苯二酚紫氧化，从而使有色的邻苯二酚紫溶液褪色，使紫外-可见光光谱仪测得的吸收光谱改变。而福美双、福美锌及福美钠可抑制酪氨酸酶活性，使反应程度降低，邻苯二酚紫的褪色效应减弱，表现为吸收光谱的改变程度减少。以福美锌为例，如图2所示，随着福美锌浓度的提高，传感器在360nm处的吸光度逐渐降低。通过建立待测农药浓度对数与吸光度的线性关系，即可定量检测福美双、福美锌及福美钠。
三、酪氨酸酶光学生物传感器结合紫外-可见光分光光度计检测福美双、福美锌及福美钠的分析方法
(1)福美双的检测方法：取10μL含不同浓度福美双的水溶液与25μL浓度为100U/mL的酪氨酸酶磷酸盐缓冲溶液混合，37℃下静置25分钟。然后加入100μL浓度为0.1g/L邻苯二酚紫水溶液并用磷酸盐缓冲液稀释至1mL，37℃下静置20分钟取出，使用紫外-可见光分光光度计测定溶液的在360nm处的吸光度，对福美双进行定量分析。
(2)福美锌的检测方法：取10μL含不同浓度福美锌的水溶液与25μL浓度为100U/mL的酪氨酸酶磷酸盐缓冲溶液混合，37℃下静置10分钟。然后加入100μL浓度为0.1g/L邻苯二酚紫水溶液并用磷酸盐缓冲液稀释至1mL，37℃下静置15分钟取出，使用紫外-可见光分光光度计测定溶液的在360nm处的吸光度，对福美锌进行定量分析。
(3)福美钠的检测方法：取10μL含不同浓度福美钠的水溶液与25μL浓度为100U/mL的酪氨酸酶磷酸盐缓冲溶液混合，37℃下静置5分钟。然后加入100μL浓度为0.1g/L邻苯二酚紫水溶液并用磷酸盐缓冲液稀释至1mL，37℃下静置15分钟取出，使用紫外-可见光分光光度计测定溶液的在360nm处的吸光度，对福美钠进行定量分析。
四、基于酪氨酸酶光学生物传感器吸光度信号对福美双、福美锌及福美钠进行定量检测
将含不同浓度的某一种待测农药(福美双或福美锌或福美钠)的酪氨酸酶光学生物传感器置于紫外-可见光分光光度计中，记录含不同浓度待测农药的生物传感器在360nm处的吸光度，待测农药的每个不同浓度设置三次重复实验。对测得的吸光度数据进一步处理，得到待测农药对酪氨酸酶活性抑制率(IE，％)数据。抑制率(IE)的计算方法如下：
式中，Ap与A0分别代表待测农药存在与不存在时酪氨酸酶生物传感器混合溶液在360nm处的吸光度；A代表单独的邻苯二酚紫水溶液在360nm处的吸光度。
通过分别建立福美双、福美锌与福美钠浓度对数与抑制率的线性关系，可实现所述酪氨酸酶生物传感器对福美双、福美锌与福美钠的定量检测，得到线性范围数据。如图3所示，福美双浓度对数与抑制率在1.9-4.0范围内成线性关系，对应的福美双浓度范围为80-10000μg/L；如图4所示，福美锌浓度对数与抑制率在1.0-3.2范围内成线性关系，对应的福美锌浓度范围为10-1500μg/L；如图5所示，福美钠浓度对数与抑制率在0.7-3.1范围内成线性关系，对应的福美钠浓度范围为5-1250μg/L。
为验证所述酪氨酸酶生物传感器对于实际环境样本的检测能力，选取福美锌进行添加回收实验进行验证。取不含福美锌的河水、苹果与大米样本，添加3个不同浓度(1000μg/L,200μg/L,20μg/L)的福美锌后，按所述的分析方法进行福美锌的检测。如表1所示，所述酪氨酸酶生物传感器对于3个不同浓度的福美锌检测回收率范围为81.3-112.3％，检测相对标准偏差范围为1.34-9.76％，证明所述酪氨酸酶生物传感器可应用于定量检测河水、苹果与大米样本中的福美锌。
表1福美锌在不同样本中的添加回收
五、酪氨酸酶光学生物传感器结合智能手机检测福美锌的分析方法
取10μL含不同浓度福美锌的水溶液与25μL浓度为100U/mL的酪氨酸酶磷酸盐缓冲溶液混合，37℃下静置10分钟。然后加入100μL浓度为0.1g/L邻苯二酚紫水溶液与50μL浓度为1g/L硝酸铜水溶液，并用磷酸盐缓冲液稀释至1mL，37℃下静置15分钟取出，使用具有拍照功能且安装了可测定RGB值的手机应用软件的智能手机分别测定所得溶液的RGB值，将RGB值转换为对应的HSV值，记录其中的S值(饱和度)对福美钠进行定量分析。福美锌的每个不同浓度设置三次重复实验。
通过建立福美锌浓度对数与S值(饱和度)的线性关系，可实现所述酪氨酸酶生物传感器对福美锌的定量检测，得到线性范围数据。如图6所示，福美锌浓度与S值(饱和度)在0.1-5.0mg/L范围内成线性关系。
本领域技术人员应该理解，上文所述具体实施方式仅为了更好地理解本发明，并不用于对本发明进行限制，本发明的保护范围应以权利要求书的限定为准。

Claims (4)

1.一种酪氨酸酶光学生物传感器，其特征在于，由酪氨酸酶和邻苯二酚紫组成，其中酪氨酸酶作为催化剂，邻苯二酚紫作为催化底物与指示剂。
2.一种吸收光谱法检测二硫代氨基甲酸酯类农药的方法，包括以下步骤：
(1)提供如权利要求1的酪氨酸酶光学生物传感器；
(2)分别配置一系列浓度的二硫代氨基甲酸酯类农药标准液，分别加入到酪氨酸酶磷酸盐缓冲溶液中，混合静置后，加入邻苯二酚紫水溶液，并用磷酸盐缓冲液稀释；
(3)使用紫外-可见光分光光度计分别测定步骤(2)所得溶液的吸光度Ap，进行线性拟合后得到二硫代氨基甲酸酯类农药对应的标准方程；
(4)将含二硫代氨基甲酸酯类待测农药的样品液加入到酪氨酸酶磷酸盐缓冲溶液中，混合静置后，加入邻苯二酚紫水溶液，并用磷酸盐缓冲液稀释振荡一定时间后，采用紫外-可见光分光光度计检测吸光度，与待测农药对应的标准方程比对后得出样品液中待测农药的含量。
3.根据权利要求2所述的方法，紫外-可见光分光光度计检测吸光度位于360nm。
4.一种基于智能手机检测二硫代氨基甲酸酯类农药的方法，包括以下步骤：
(1)提供如权利要求1的酪氨酸酶光学生物传感器；
(2)配置一系列浓度的二硫代氨基甲酸酯类农药标准液，分别加入到酪氨酸酶磷酸盐缓冲溶液中，混合静置后，加入邻苯二酚紫水溶液与硝酸铜水溶液，并用磷酸盐缓冲液稀释；
(3)使用具有拍照功能且安装了可测定RGB值的手机应用软件的智能手机分别测定步骤(2)所得溶液的RGB值，将RGB值转换为对应的HSV值，记录其中的S值(饱和度)并进行线性拟合后得到二硫代氨基甲酸酯类农药的标准方程；
(4)将含二硫代氨基甲酸酯类农药待测农药的样品液加入到酪氨酸酶磷酸盐缓冲溶液中，混合静置后，加入邻苯二酚紫水溶液与硝酸铜水溶液，并用磷酸盐缓冲液稀释振荡一定时间后，采用具有拍照功能且安装了可测定RGB值的手机应用软件的智能手机测定溶液的RGB值，将RGB值转换为对应的HSV值，记录其中的S值，与二硫代氨基甲酸酯类农药的标准方程比对后得出样品液中二硫代氨基甲酸酯类农药的含量。
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