傳感技術(shù)在農(nóng)藥殘留快速檢測(cè)中的應(yīng)用

霍佳平，張 紅，王 瑩，王顏紅

(1沈陽(yáng)市化工學(xué)校，沈陽(yáng) 110122;2中科院沈陽(yáng)應(yīng)用生態(tài)研究所，沈陽(yáng) 110015)

近10 年來(lái)，應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的農(nóng)藥種類(lèi)日漸繁多，功能各異，一方面保證了農(nóng)作物的高產(chǎn)，卻在另一方面嚴(yán)重危害著農(nóng)產(chǎn)品的食用安全。對(duì)農(nóng)藥原體、有毒代謝物及降解物殘留量的有效控制是食品安全亟待解決的問(wèn)題之一。

目前，對(duì)于農(nóng)藥殘留的測(cè)定主要分為實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)和快速檢測(cè)兩大技術(shù)，前者以氣相色譜(GC)、高效液相色譜(HPCL)、色質(zhì)聯(lián)用為主要檢測(cè)手段［1］，靈敏度和精確度高、分離效果好，但存在前處理繁雜、專業(yè)性強(qiáng)，不利于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè);而后者雖存在漏檢和農(nóng)藥的適用范圍受限等問(wèn)題［2］，卻因其用時(shí)短、可操作性強(qiáng)、準(zhǔn)確、靈敏等優(yōu)勢(shì)，受到科學(xué)界更廣泛的關(guān)注。迄今為止，快速檢測(cè)技術(shù)的研究主要集中在酶聯(lián)吸附、免疫分析、分子生物、光譜分析技術(shù)上［3］，現(xiàn)有成熟手段包括檢測(cè)卡、試劑盒、速測(cè)儀等。

傳感技術(shù)是從自然信源獲取信息并對(duì)其識(shí)別、處理的現(xiàn)代科學(xué)與工程技術(shù)，被稱為科學(xué)研究的“感覺(jué)系統(tǒng)”。主要分為生物傳感技術(shù)、光電傳感技術(shù)(光傳感技術(shù))和多傳感技術(shù)。生物傳感和光傳感技術(shù)在農(nóng)殘檢測(cè)中均有應(yīng)用，不僅有效拓寬了農(nóng)藥品種的檢測(cè)范圍，提高了檢測(cè)靈敏度，與上述快速檢測(cè)技術(shù)聯(lián)用，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)儀器的小型化和便攜化。本文將就傳感技術(shù)在農(nóng)藥殘留檢測(cè)中的應(yīng)用研究情況作簡(jiǎn)要綜述，旨在為未來(lái)傳感器在農(nóng)殘檢測(cè)領(lǐng)域的科學(xué)探索提供一個(gè)清晰的研究思路。

1 生物傳感技術(shù)

生物傳感技術(shù)以固定化活性元件作為敏感材料，對(duì)被測(cè)物質(zhì)實(shí)現(xiàn)特異性識(shí)別，結(jié)合化學(xué)、物理轉(zhuǎn)換器，用于檢測(cè)環(huán)境化學(xué)物質(zhì)或與之交互作用后產(chǎn)生的響應(yīng)。生物傳感器由兩部分組成，具有專一識(shí)別性的生物分子和具有信號(hào)轉(zhuǎn)化功能的換能器。固定的生物分子可選擇性鑒別具有特異性作用的待測(cè)物，換能器將生化反應(yīng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換，通過(guò)信號(hào)大小完成對(duì)濃度的檢測(cè)。已報(bào)道的用于食品中農(nóng)藥殘留快速檢測(cè)用途的生物傳感檢測(cè)技術(shù)主要有酶?jìng)鞲衅骱兔庖邆鞲衅鲀纱箢?lèi)型［4］。

1.1 酶?jìng)鞲衅?EBS)

酶?jìng)鞲衅饕卜Q為酶電極。將酶固定在電極表面形成酶膜，酶膜與特異性待測(cè)物作用，引發(fā)電信號(hào)的變化，從而實(shí)現(xiàn)檢測(cè)。不同酶膜對(duì)底物識(shí)別過(guò)程中的原理不同，專一選擇性不同。

1.1.1 酶抑制型生物傳感器

酶抑制性傳感器的作用原理主要基于底物對(duì)酶活性的抑制作用，已見(jiàn)報(bào)道的酶?jìng)鞲胁牧嫌心憠A酯酶、堿性磷酸酶、酸性磷酸酶、酪氨酸酶、過(guò)氧化物酶［5］，以乙酰膽堿酯酶應(yīng)用最廣。當(dāng)測(cè)試環(huán)境中存在有機(jī)磷或氨基甲酸酯類(lèi)農(nóng)藥，可專一性地與乙酰膽堿酯酶結(jié)合，抑制其催化乙酰膽堿的水解作用，根據(jù)酶活性受抑制程度采集氧化電流的信號(hào)變化，以此判斷樣品的農(nóng)藥殘留量。李元光等［6］用這種方法研制了一種便攜式有機(jī)磷農(nóng)藥快速檢測(cè)儀，將一次性的乙酰膽堿酯酶電極連接到PC 機(jī)上，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)蔬菜汁進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果表明:響應(yīng)時(shí)間為3min，敵敵畏和對(duì)氧磷的檢測(cè)范圍分別為0.5—43.1μg/mL、0.1—15.0μg/mL。Alexey Ivanov［7］將乙酰膽堿酯酶用戊二醛及牛血清白蛋白交聯(lián)于普魯士藍(lán)、聚苯胺修飾電極上，測(cè)定水溶液與葡萄汁農(nóng)藥殘留，修飾后的電極在分析特性上有了顯著改善，甲基毒死蜱、蠅毒磷、克百威的檢測(cè)限分別達(dá)到2.0×10-8、5.0×10-18、8.0 ×10-9mol/L。Michele Del Carfo 等［8］在硬質(zhì)小麥樣品中探索出了乙酰膽堿酯酶及普魯士藍(lán)修飾的膽堿氧化酶?jìng)鞲衅鳒y(cè)定甲基嘧啶磷的最優(yōu)條件。Chen 等［9］構(gòu)建的表面聲波酶?jìng)鞲衅鳈z測(cè)磷酸二乙基對(duì)硝基苯基酯，檢測(cè)限達(dá)到5.3×10-11mol/L。

1.1.2 酶水解型生物傳感器

酶水解型傳感器常見(jiàn)水解酶包括有機(jī)磷水解酶(OPH)、對(duì)硫磷水解酶 (PH)、酸性磷酸水解酶(OPAA)，以有機(jī)磷水解酶報(bào)道最多。有機(jī)磷水解酶以有機(jī)磷農(nóng)藥(OPs)為底物，催化水解其中的P—O，P—F，P—S，P—CN 鍵產(chǎn)生酸和醇，從而導(dǎo)致反應(yīng)體系中pH 的變化，轉(zhuǎn)換成可測(cè)量的光信號(hào)或電信號(hào)，即可實(shí)現(xiàn)OPs 濃度的測(cè)定［5］。不過(guò)，以有機(jī)磷水解酶制備的電位型傳感器僅反映能產(chǎn)生對(duì)硝基酚的OPs，做成的電流型傳感器可以反映各種OPs 的信號(hào)［10］，Sch ning M J據(jù)此原理設(shè)計(jì)的電流—電位型傳感器可實(shí)現(xiàn)農(nóng)藥的區(qū)別檢測(cè)，檢測(cè)限在10 × 10-7級(jí)，為農(nóng)藥多殘留檢測(cè)提供了新的思路［11］。

目前，對(duì)酶?jìng)鞲衅鞯难芯恳演^為廣泛，信號(hào)轉(zhuǎn)換元件已發(fā)展成熟，但生物敏感元件的選擇性、靈敏度、檢測(cè)限、穩(wěn)定性、響應(yīng)時(shí)間以及可重復(fù)性等仍影響著傳感器的市場(chǎng)化應(yīng)用，故真正達(dá)到實(shí)用化階段的產(chǎn)品還極其有限［12］。為克服酶的應(yīng)用瓶頸，專家們致力于新型生物酶的研究。利用基因工程技術(shù)，通過(guò)堿基替換、插入、剪切以及組合突變等方法［13-16］，篩選出具有一定有機(jī)溶劑耐受性、強(qiáng)選擇性的膽堿酯酶。此外，將OPH 基因?qū)胛⑸矬w內(nèi)并胞外表達(dá)得到的OPH 也成功應(yīng)用在酶?jìng)鞲衅髦校?7］，大大降低了OPH 的生產(chǎn)成本。

1.2 免疫傳感器

免疫生物傳感器的核心是抗原—抗體間的特異性分子識(shí)別機(jī)制，即固定在信號(hào)轉(zhuǎn)換元件(換能器)表面的抗體(Ab)或抗原(Ag)可以識(shí)別并結(jié)合與之相對(duì)應(yīng)的特定分析物中的Ag 或Ab，再利用合適的信號(hào)轉(zhuǎn)換方法，將抗原—抗體反應(yīng)所產(chǎn)生的生物學(xué)信息轉(zhuǎn)化為測(cè)量參數(shù)，從而構(gòu)成相應(yīng)的免疫生物傳感器，根據(jù)免疫反應(yīng)中是否使用標(biāo)記物分為非標(biāo)記型免疫傳感器和標(biāo)記性免疫傳感器［18］。

1.2.1 非標(biāo)記型免疫傳感器

表面等離子共振(SPR)型免疫傳感器、石英晶體微天平(QCM)型免疫傳感器、電容型免疫傳感器是目前報(bào)道較多的3 種無(wú)標(biāo)記型免疫傳感器［18］，其中以SPR與QCM 在農(nóng)藥殘留檢測(cè)中應(yīng)用較多，可以直接用于飲用水、果汁和葡萄酒等飲品中農(nóng)藥殘留快速檢測(cè)及劇毒農(nóng)藥初篩。

SPR 型免疫傳感器先在檢測(cè)芯片表面固定一層抗體或抗原生物識(shí)別膜，當(dāng)待測(cè)樣品流過(guò)芯片表面，能與識(shí)別膜發(fā)生特異性作用的抗原或抗體將引起金膜表面樣品質(zhì)量和折射率變化，導(dǎo)致入射的偏振光照到金膜上，共振角變化，進(jìn)而反映生物分子的動(dòng)態(tài)結(jié)合和解離過(guò)程，獲悉目標(biāo)物濃度。柳明等［19］即利用間接競(jìng)爭(zhēng)法結(jié)合表面等離子體共振(SPR)免疫傳感技術(shù)，以抗原或抗體作為傳感器敏感識(shí)別元件對(duì)水中的阿特拉津進(jìn)行檢測(cè)，最低檢出限2.34ng/mL (S/N=3)，IC50=32.36ng/mL，檢測(cè)范圍5.75—181.97ng/mL，檢測(cè)時(shí)間＜30min，回收率98.4%—104.2%。

壓電傳感器是一種質(zhì)量敏感型QCM，將農(nóng)藥抗體固定在石英電極金表面，形成敏感膜，當(dāng)樣品中存在目標(biāo)抗原時(shí)，抗體抗原發(fā)生特異性結(jié)合，在石英電極表面沉積，引起石英晶體震蕩頻率變化。由于壓電效應(yīng)，在一定范圍內(nèi)，特征頻率的變化量與樣品中抗原濃度成正比。蔣雪松等［20］利用此方法，結(jié)合流動(dòng)注射技術(shù)，建立了壓電免疫傳感器用于有機(jī)磷農(nóng)藥的測(cè)定，最低檢測(cè)限為2.16×10-3μg/mL，選擇性較好，可重復(fù)使用。

1.2.2 標(biāo)記型免疫傳感器

免疫標(biāo)記是在抗原或抗體上標(biāo)記上易顯示的特征物，通過(guò)檢測(cè)特征物了解抗原和抗體的反應(yīng)情況，間接反應(yīng)待測(cè)抗體或抗原的存在狀況的檢測(cè)技術(shù)?，F(xiàn)存的抗體標(biāo)記方法主要有酶標(biāo)記、放射性標(biāo)記、生物素標(biāo)記和熒光抗體標(biāo)記。其中酶標(biāo)記(EIA)的抗體保存期長(zhǎng)，高敏感性，此類(lèi)傳感器也在農(nóng)殘檢測(cè)中應(yīng)用最廣。酶聯(lián)免疫傳感器既是一種酶標(biāo)記型免疫傳感器，用化學(xué)或生物的方法將酶與抗體或抗原結(jié)合起來(lái)，形成酶標(biāo)記物，或用免疫方法將酶與抗酶體結(jié)合形成含酶免疫復(fù)合物，在檢測(cè)中，加入適當(dāng)?shù)牡孜?，利用免疫?fù)合物上酶的催化作用，促使底物水解、氧化或還原，再通過(guò)電化學(xué)分析對(duì)反應(yīng)情況進(jìn)行跟蹤，實(shí)現(xiàn)測(cè)定［21］。

已用于EIA 分析的農(nóng)藥有60 種左右，其中除草劑和殺蟲(chóng)劑較多，殺菌劑較少，在由多抗轉(zhuǎn)向單抗、純化抗體和抗原、改進(jìn)抗體的載體和反應(yīng)環(huán)境，以及定量方式等方面有了新的進(jìn)展。近兩年，熒光標(biāo)記的人工抗體微納傳感器已被成功研制，并用于農(nóng)殘檢測(cè)，通過(guò)以磁性納米粒子為基質(zhì)，合成出高效的人工抗體新材料，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜樣品中農(nóng)藥成分的快速分離富集。

生物傳感器檢測(cè)用時(shí)短，無(wú)需繁雜的前處理，樣品用量小，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)農(nóng)殘的分離與檢測(cè)，適于現(xiàn)場(chǎng)和在線監(jiān)測(cè)。如果能夠進(jìn)一步解決生物物質(zhì)的有效性和重復(fù)性等一些技術(shù)上的問(wèn)題，未來(lái)將在食品安全監(jiān)控中有更廣泛的應(yīng)用。

2 光傳感技術(shù)

光傳感技術(shù)是采用光電元件作為檢測(cè)的敏感元件，把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化，然后借助光電元件進(jìn)一步將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)。光電傳感器一般由光源、光學(xué)通路和光電元件三部分組成。通過(guò)光源照射可直接發(fā)光的農(nóng)藥類(lèi)別不多，現(xiàn)存已報(bào)道用于食品中農(nóng)殘檢測(cè)的光傳感器主要為熒光傳感器。

熒光傳感器利用紫外光或可見(jiàn)光照射待測(cè)物質(zhì)，產(chǎn)生出能夠反映出該物質(zhì)特性的熒光，根據(jù)熒光的波長(zhǎng)和強(qiáng)度對(duì)待測(cè)物質(zhì)進(jìn)行定性和定量的分析，是農(nóng)殘檢測(cè)應(yīng)用中相對(duì)成熟的一種分析技術(shù)。氨基甲酸酯類(lèi)農(nóng)藥在結(jié)構(gòu)上均帶有甲胺基團(tuán)(—NHCH3)，其化合物在堿性條件下加水分解成甲胺，與衍生劑反應(yīng)可生成強(qiáng)熒光物質(zhì)，多用熒光檢測(cè)。除氨基甲酸酯類(lèi)農(nóng)藥外，孫玲等［22］利用激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)對(duì)農(nóng)藥的熒光檢測(cè)進(jìn)行了定性研究，發(fā)現(xiàn)苯甲酰脲類(lèi)、吡蟲(chóng)啉類(lèi)殺蟲(chóng)劑也都具有較強(qiáng)的熒光特性。

光傳感技術(shù)使待測(cè)物的采樣方式變得更為靈活。20世紀(jì)90 年代，光譜技術(shù)與光纖技術(shù)聯(lián)用的光纖傳感器在農(nóng)殘檢測(cè)研究中應(yīng)用廣泛。利用光纖探頭把遠(yuǎn)離光譜儀器的樣品光譜源引到光譜儀內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了低損耗、高靈敏度，為非接觸式在線無(wú)損檢測(cè)提供了較為有利的條件和前景。王忠東等［23］利用熒光技術(shù)和光纖技術(shù)，以脈沖氙燈為激發(fā)光源，以特制的光纖式錐形探頭探測(cè)熒光，以小型平場(chǎng)光譜儀實(shí)現(xiàn)熒光分光，以高速數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)現(xiàn)熒光信號(hào)的采集轉(zhuǎn)換，設(shè)計(jì)出了適于土壤中農(nóng)殘檢測(cè)的光纖式熒光測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)一次曝光即可獲得農(nóng)藥的熒光光譜，實(shí)現(xiàn)了不同濃度的西維因在土壤中的光譜試驗(yàn)。光纖技術(shù)的引入，同時(shí)也拓寬了近紅外光譜和拉曼光譜分析技術(shù)的應(yīng)用范圍。陳蕊等［24］采用近紅外—可見(jiàn)光漫反射光纖傳感技術(shù)，對(duì)4 種高殘留農(nóng)藥在綠色植物活體上無(wú)損檢測(cè)進(jìn)行了研究，建立了多神經(jīng)元的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)感知器，有效甄別出農(nóng)藥的種類(lèi)。代芬等［25］用FieldSpee3 光譜儀對(duì)龍眼表面的敵百蟲(chóng)和敵敵畏進(jìn)行快速檢測(cè)，敵百蟲(chóng)農(nóng)藥殘留檢測(cè)正確率為93%，敵敵畏為80%。李永玉等［26］利用激光顯微拉曼光譜儀，以蘋(píng)果為載體，探討蘋(píng)果表面敵百蟲(chóng)農(nóng)藥的快速無(wú)損檢測(cè)方法，檢測(cè)限為48mg/kg。

光學(xué)傳感技術(shù)以傳輸速度快、抗干擾性強(qiáng)、無(wú)損采樣等優(yōu)勢(shì)為農(nóng)作物農(nóng)藥殘留的在線監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)監(jiān)控提供了可能，未來(lái)將與化學(xué)計(jì)量學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展相結(jié)合，更廣泛應(yīng)用于食品安全監(jiān)管。

3 展望

隨著科學(xué)技術(shù)不斷完善，未來(lái)傳感技術(shù)的發(fā)展方向?qū)⑹莿?chuàng)新化學(xué)和生物技術(shù)的有機(jī)結(jié)合。以分子印跡聚合物(MIP)為識(shí)別元件，結(jié)合電導(dǎo)型、電流型、電容型、電位型、熒光型、石英晶體微天平、場(chǎng)效應(yīng)晶體管、放射性、鑭系發(fā)光纖維等［27］不同種類(lèi)轉(zhuǎn)換器而制得的分子印跡傳感器，保留了生物傳感器的專一識(shí)別性，并具備了一定的機(jī)械穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，已在三嗪類(lèi)、苯氧羧酸類(lèi)、有機(jī)磷類(lèi)、擬除蟲(chóng)菊酯類(lèi)等多種農(nóng)藥的檢測(cè)應(yīng)用研究中取得突破性進(jìn)展。王顏紅［28］等以阿特拉津?yàn)槟０宸肿?，?甲基丙烯酸為功能單體，制備了具有良好特異性識(shí)別作用的分子印跡材料。在此基礎(chǔ)上，此研究小組將材料固定在金電極表面制備了分子印跡膜傳感器［29］，檢測(cè)限1.0 × 10-13mol/L，響應(yīng)時(shí)間10min。顏曉娜等［30］在磷酸鹽緩沖溶液中以鄰苯二胺和沒(méi)食子酸為功能單體，水胺硫磷為模板分子，采用電位循環(huán)掃描法在玻碳電極表面進(jìn)行電聚合，形成絕緣性的分子印跡膜，以鐵氰化鉀為探針，用差分脈沖伏安法對(duì)水胺硫磷進(jìn)行定量分析，檢測(cè)限為6.06×10-8mol/L，水果和蔬菜的添加回收率為95.6%—104.0%。趙楠等［31］用表面原子轉(zhuǎn)移自由基聚合法合成了表面等離子體共振(SPR)敏感膜，用于檢測(cè)莠去津，對(duì)照空白膜，印跡膜表現(xiàn)出更高的印跡效率和選擇性，在對(duì)實(shí)際樣品大豆和白米的檢測(cè)中，該方法的檢測(cè)限分別達(dá)到了3.51 ×10-8mol/L 和6.19×10-8mol/L。

目前，自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)技術(shù)高速發(fā)展，基于可視化學(xué)傳感陣列技術(shù)也已被應(yīng)用到了農(nóng)藥檢測(cè)中，霍丹群等［32］以卟啉及其衍生物和指示劑作為傳感元件，構(gòu)建了一種對(duì)農(nóng)藥敏感的可視化學(xué)傳感陣列該傳感陣列可以在常溫常壓下對(duì)濃度為0.1mg/L 的12 種農(nóng)藥快速識(shí)別和分類(lèi)，反應(yīng)時(shí)間僅為1.5min。采用聚類(lèi)分析(HCA)和主成分分析(PCA)等統(tǒng)計(jì)學(xué)分析方法對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析，不同種類(lèi)農(nóng)藥樣品在聚類(lèi)分析和主成分分析中均可以被準(zhǔn)確歸類(lèi)，為食品中多農(nóng)藥殘留的篩查提供了可能。傳感技術(shù)將繼續(xù)向著智能化、便攜化發(fā)展，并將與傳統(tǒng)的分析方法共存，以單一方法或補(bǔ)充方法在農(nóng)殘檢測(cè)中發(fā)揮更核心的作用。

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