電化學(xué)傳感器技術(shù)在農(nóng)藥殘留分析中的應(yīng)用

孫敬明，郭浩，張慧君

（齊齊哈爾大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，黑龍江齊齊哈爾 161006）

農(nóng)藥是用于防治害蟲(chóng)、去除雜草的一類非均相化合物，可有效提高作物產(chǎn)量。施用于農(nóng)作物的農(nóng)藥，一部分會(huì)附著于作物的表面，另一部分會(huì)分散在大氣、水及土壤中，而殘存于環(huán)境中的農(nóng)藥又會(huì)被植物吸收。農(nóng)藥殘留（簡(jiǎn)稱“農(nóng)殘”）會(huì)直接通過(guò)果實(shí)、水、大氣等方式進(jìn)入人體。農(nóng)藥具有毒性，會(huì)導(dǎo)致人眼睛失明、肺損傷、腫瘤、基因突變等，嚴(yán)重時(shí)會(huì)致癌。按照作用對(duì)象不同，農(nóng)藥可分為除蟲(chóng)劑和除草劑兩大類。目前用于農(nóng)藥檢測(cè)的方法主要有氣相色譜法、高效液相色譜法、熒光法、酶聯(lián)免疫法、傅里葉變換紅外光譜法、化學(xué)比色法、電分析法等[1]。在采用氣相色譜檢測(cè)法時(shí)，往往需要對(duì)樣品進(jìn)行水解或氧化等處理，操作繁瑣，所以應(yīng)用較少。液相色譜技術(shù)由于適用性廣和效率高等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用，但這種方法由于需要大量的有機(jī)溶劑、昂貴的設(shè)備、經(jīng)驗(yàn)豐富的技術(shù)人員、耗時(shí)的準(zhǔn)備和檢測(cè)程序等條件的限制，不適合實(shí)時(shí)檢測(cè)。酶聯(lián)免疫法既可進(jìn)行定性分析，也可用于定量分析，是目前用于農(nóng)藥殘留檢測(cè)的常用方法之一，但該方法易受樣品基質(zhì)、結(jié)構(gòu)類似物以及有機(jī)溶劑的干擾，使檢測(cè)結(jié)果出現(xiàn)假陽(yáng)性現(xiàn)象。傅里葉變換紅外光譜法在確定農(nóng)藥種類方面應(yīng)用廣泛，是一種良好的定性檢測(cè)方法，但其定量限無(wú)法達(dá)到國(guó)家相關(guān)的檢出標(biāo)準(zhǔn)。化學(xué)比色法在定量分析中具有較好的表現(xiàn)，但光學(xué)分析方法檢測(cè)特異性較差，難以對(duì)結(jié)構(gòu)類似的農(nóng)藥進(jìn)行定性檢測(cè)。

電化學(xué)傳感器是通過(guò)傳感膜（即電極修飾材料，由納米、生物等敏感材料組成）與待測(cè)物分子之間的相互作用產(chǎn)生化學(xué)信號(hào)，利用轉(zhuǎn)換元件將化學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，通過(guò)顯示的電化學(xué)信號(hào)與待測(cè)物濃度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行反應(yīng)物含量的計(jì)算，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)檢測(cè)的目的。起初，根據(jù)特定的酶對(duì)農(nóng)藥殘留產(chǎn)生單一信號(hào)的原理而采用電化學(xué)酶?jìng)鞲衅?。但是，?dāng)酶固定于傳感膜后，會(huì)降低反應(yīng)物與電極電子的傳遞過(guò)程，繼而導(dǎo)致電化學(xué)酶?jìng)鞲衅鞯撵`敏度較低；而且待測(cè)溶液中所含的金屬陽(yáng)離子、有機(jī)物也會(huì)抑制酶的活性甚至使其失去活性，以至于每檢測(cè)一次樣品后都需要重新修飾，從而延長(zhǎng)了檢測(cè)時(shí)間。電化學(xué)酶?jìng)鞲衅鞅粓?bào)道后，基于抗原、抗體特異性結(jié)合的電化學(xué)免疫傳感器技術(shù)被應(yīng)用到農(nóng)藥殘留檢測(cè)中。除了傳統(tǒng)的電化學(xué)免疫傳感器和電化學(xué)酶?jìng)鞲衅饕酝猓{米材料和分子印跡聚合物的修飾電極也被應(yīng)用到電化學(xué)傳感器中。近年來(lái)，石墨烯納米片、多壁碳納米管、氧化鋯等納米材料被應(yīng)用于農(nóng)藥殘留的檢測(cè)。分子印跡電化學(xué)傳感器主要利用人工合成的分子印跡聚合物特殊孔穴對(duì)目標(biāo)樣品進(jìn)行特異性結(jié)合，進(jìn)而對(duì)分析物進(jìn)行高選擇性檢測(cè)。結(jié)果表明，這兩種技術(shù)與電化學(xué)傳感器技術(shù)的結(jié)合可以大大提高傳感器的靈敏度、選擇性及重現(xiàn)性。電化學(xué)傳感器檢測(cè)農(nóng)藥殘留含量時(shí)，所需儀器成本較低，使用有毒有機(jī)溶劑較少，樣品制備程序較為簡(jiǎn)單，所以更適合現(xiàn)場(chǎng)分析或在線監(jiān)測(cè)[2]。此外，電化學(xué)分析技術(shù)具有檢測(cè)限低、分析物選擇性高和通用性強(qiáng)的特點(diǎn)，在近年來(lái)得到廣泛關(guān)注。本文主要基于電化學(xué)傳感器技術(shù)在農(nóng)藥殘留檢測(cè)方面的應(yīng)用進(jìn)行綜述。

1 電化學(xué)傳感器技術(shù)在幾種殺蟲(chóng)劑檢測(cè)中的應(yīng)用

殺蟲(chóng)劑是用于預(yù)防、控制或消滅有害于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的害蟲(chóng)，提高作物產(chǎn)量的化學(xué)品。殺蟲(chóng)劑是農(nóng)藥中用量最大、品種最多的一類藥劑，多數(shù)只能殺蟲(chóng)而不能防病。殺蟲(chóng)劑為農(nóng)業(yè)增產(chǎn)和解決人類糧食問(wèn)題起了極為重要的作用，其具有化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不易降解，易在土壤及生物體內(nèi)積累等特點(diǎn)，但同時(shí)也是造成農(nóng)藥污染環(huán)境的最重要因素之一。目前，有益生物數(shù)量的減少甚至瀕臨滅絕等現(xiàn)象與殺蟲(chóng)劑的使用有密切關(guān)系。按照化學(xué)結(jié)構(gòu)，殺蟲(chóng)劑可分為新煙堿類、有機(jī)磷、氨基甲酸鹽、有機(jī)氯和擬除蟲(chóng)菊酯等幾種。

1.1 新煙堿類殺蟲(chóng)劑

新煙堿類殺蟲(chóng)劑是在煙堿結(jié)構(gòu)修飾的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的一類低毒、低殘留、高效、高選擇性的新型殺蟲(chóng)劑，已經(jīng)成為我國(guó)殺蟲(chóng)劑的重要組成部分。新煙堿類殺蟲(chóng)劑是通過(guò)與昆蟲(chóng)中樞神經(jīng)系統(tǒng)的煙堿受體結(jié)合來(lái)抑制乙酰膽堿酯酶的傳遞，從而導(dǎo)致乙酰膽堿的積累，致使昆蟲(chóng)麻痹和死亡。主要品種有吡蟲(chóng)啉、噻啶蟲(chóng)胺、噻蟲(chóng)嗪、硝吡喃、噻蟲(chóng)胺、呋蟲(chóng)胺等。由于它們?cè)跉⑾x(chóng)方面表現(xiàn)出的高效率，近年來(lái)，這些殺蟲(chóng)劑在農(nóng)業(yè)上的使用大幅增加。然而，生物安全性卻面臨極大的考驗(yàn)。有研究表明，新煙堿類殺蟲(chóng)劑對(duì)蚯蚓表現(xiàn)出一定程度的急性毒性，對(duì)蜜蜂、家蠶表現(xiàn)出較高毒性。自新煙堿類農(nóng)藥進(jìn)入市場(chǎng)以來(lái)，在大米等農(nóng)產(chǎn)品的檢測(cè)中時(shí)常被檢出。因此為了保障人類健康，必須建立一種靈敏、準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)的檢測(cè)方法。

Pérez-Fernándz 等[3]開(kāi)發(fā)了一種競(jìng)爭(zhēng)性的免疫測(cè)定方法來(lái)測(cè)定吡蟲(chóng)啉，使用高特異性的單克隆抗體修飾在絲網(wǎng)印刷碳電極上進(jìn)行電化學(xué)檢測(cè)。優(yōu)化后的免疫傳感器具有重現(xiàn)性好、檢出限低等優(yōu)點(diǎn)。采用高效液相色譜-質(zhì)譜-質(zhì)譜法和酶聯(lián)免疫吸附法進(jìn)行對(duì)比分析，電化學(xué)免疫傳感器的反應(yīng)范圍更廣，檢出限更低。這些特點(diǎn)使電化學(xué)免疫傳感器成為一種有效的、優(yōu)勢(shì)的吡蟲(chóng)啉現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)工具。LEZI N 等[4]基于一次性絲網(wǎng)印刷的電極技術(shù)，采用陰極脈沖伏安法測(cè)定水樣中4 種新煙堿類農(nóng)藥（噻蟲(chóng)胺、吡蟲(chóng)啉、硝吡喃、呋蟲(chóng)胺）的含量。OLIVERIRA AEF 等[5]通過(guò)采用β-環(huán)糊精和石墨烯修飾玻碳電極來(lái)測(cè)定三種煙堿農(nóng)藥?；讦?環(huán)糊精的包涵體特性和石墨烯的高導(dǎo)電性，研制出的電化學(xué)傳感器具有很高的靈敏度和導(dǎo)電性，在傳感器的結(jié)構(gòu)中具有極其重要的特點(diǎn)，通過(guò)所構(gòu)建的傳感器可用于測(cè)定這些樣品中三種不同的新煙堿類農(nóng)藥。該方法不需要預(yù)處理，可直接在蜂蜜樣品中測(cè)定，快速、簡(jiǎn)便。

1.2 有機(jī)磷類殺蟲(chóng)劑

有機(jī)磷農(nóng)藥是世界范圍內(nèi)廣泛使用的一類重要農(nóng)藥，對(duì)害蟲(chóng)具有極高的毒性。它們?cè)谵r(nóng)業(yè)產(chǎn)品的產(chǎn)量及質(zhì)量提高方面發(fā)揮了很好的效果。然而，由于大量使用，這些有毒化合物可通過(guò)水或土壤進(jìn)入到環(huán)境中。殘留的有機(jī)磷殺蟲(chóng)劑可在自然環(huán)境中長(zhǎng)期存在，產(chǎn)生污染，并對(duì)人類、動(dòng)物和自然產(chǎn)生潛在危害。有機(jī)磷類殺蟲(chóng)劑主要包括甲基對(duì)硫磷、殺螟硫磷、毒死蜱、丙二醇等，它們的特點(diǎn)是在水果和蔬菜的采摘前和采摘后的處理中均會(huì)增加。殘留在土壤中的有機(jī)磷殺蟲(chóng)劑會(huì)經(jīng)由灌溉水、雨水等滲入到地下水中，經(jīng)常食用含有有機(jī)磷殺蟲(chóng)劑殘留的食物，會(huì)導(dǎo)致農(nóng)藥在人體內(nèi)的積累，在體內(nèi)積累過(guò)多可引起人膽堿酯酶抑制，出現(xiàn)過(guò)度刺激神經(jīng)系統(tǒng)，引起惡心、頭暈、神志不清，過(guò)量食用還會(huì)出現(xiàn)呼吸困難、麻痹甚至死亡等情況。因此，食品中有機(jī)磷類殺蟲(chóng)劑的殘留還需要嚴(yán)格控制，發(fā)展有機(jī)磷類殺蟲(chóng)劑的快速檢測(cè)方法已成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。

Zhang D 等[6]制備了一種基于多壁碳納米管的新型分子印跡，將其應(yīng)用于甲基對(duì)硫磷的電化學(xué)測(cè)定，結(jié)果快速、選擇性好、重現(xiàn)性好、靈敏度高；并成功應(yīng)用于梨和黃瓜樣品中甲基對(duì)硫磷的檢測(cè)。ABACI 等[7]合成一種新型偶氮染料及石墨烯對(duì)石墨電極表面進(jìn)行電化學(xué)修飾，用方波伏安法測(cè)定了pH 對(duì)峰電位的影響，并對(duì)修飾電極進(jìn)行了靈敏度和選擇性檢測(cè)，將電極用于番茄樣品中殺螟硫磷分析，取得了較好結(jié)果。CREW A 等[8]制造了一臺(tái)用于有機(jī)磷農(nóng)藥檢測(cè)的新型自動(dòng)化儀器，該儀器包含一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)程序，利用6 種不同乙酰膽堿酯酶的生物傳感器陣列成功地為多種樣品提供了快速、準(zhǔn)確、可靠的數(shù)據(jù)。JIAO Y 等[9]合成了一種基于炭黑、氧化石墨烯及四氧化三鐵納米粒子復(fù)合薄膜的靈敏選擇性電化學(xué)自適應(yīng)傳感器，用于毒死蜱的檢測(cè)。由于殼聚糖化炭黑具有較高的比表面積、良好的分散性和導(dǎo)電性，利用該材料來(lái)捕獲更多的氧化石墨烯四氧化三鐵粒子，繼而能進(jìn)一步放大適配器傳感器的電流信號(hào)，結(jié)果表明，該傳感器用于毒死蜱的檢測(cè)具有良好的選擇性、重復(fù)性和穩(wěn)定性。

1.3 其他種類除蟲(chóng)劑

除前文提到的兩類在農(nóng)田中用量較大的除蟲(chóng)劑外，還有幾種除蟲(chóng)劑也可通過(guò)電化學(xué)傳感器進(jìn)行含量測(cè)定。氨基甲酸酯類化合物因其環(huán)境持久性比有機(jī)氯酸鹽低、對(duì)昆蟲(chóng)的防治活性高而被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)中。但是這類農(nóng)藥在脊椎動(dòng)物和昆蟲(chóng)中的作用模式是基于對(duì)乙酰膽堿水解過(guò)程中乙酰膽堿酯酶活性的抑制。DUTTA RR 等[10]以酪氨酸酶為固定化劑，戊二醛與牛血清白蛋白交聯(lián)，在酞菁鈷（II）改性纖維素石墨復(fù)合電極表面制備了電流型生物傳感器，用于測(cè)定氨基甲酸酯類農(nóng)藥。然而有機(jī)氯類農(nóng)藥在棉花、蘋(píng)果和柑橘等農(nóng)作物上的大量應(yīng)用，給人類和環(huán)境帶來(lái)了嚴(yán)重的問(wèn)題。LIU G 等[11]通過(guò)基于碳基底垂直排列碳納米管化學(xué)組裝的電化學(xué)免疫傳感器直接檢測(cè)水中硫丹的含量。

2 電化學(xué)傳感器技術(shù)在幾種除草劑檢測(cè)中的應(yīng)用

除草劑指的是能殺死雜草或有害植物，而不影響農(nóng)作物正常生長(zhǎng)的化學(xué)藥劑，可用于防治農(nóng)田雜草或殺滅非農(nóng)耕地的雜草或灌木。按其化學(xué)組成可分為有機(jī)磷類、聯(lián)吡啶類、氨基甲酸酯類、苯甲酸類、取代類等除草劑。按其作用特點(diǎn)可分為選擇性除草劑和滅生性除草劑。選擇性除草劑指在使用一定劑量和濃度的范圍內(nèi)，可有選擇性地殺死某些種類的植物，而對(duì)其他種類植物無(wú)害。滅生性除草劑指對(duì)植物缺乏選擇性或選擇性小的除草劑。

2.1 有機(jī)磷類除草劑

有機(jī)磷類除草劑屬內(nèi)吸傳導(dǎo)廣譜滅生性莖葉除草劑，對(duì)多年生深根性雜草地下組織有很強(qiáng)的破壞能力，能直接殺死雜草的根系，使用該除草劑多年的果園除了生長(zhǎng)一些小根菜，很少有雜草生長(zhǎng)，因此深受果農(nóng)青睞。有機(jī)磷類除草劑主要包括草甘膦、草銨膦和雙丁銨膦。食入過(guò)多會(huì)對(duì)皮膚產(chǎn)生刺激作用，并且對(duì)眼睛有較強(qiáng)的刺激性。DO MH 等[12]利用對(duì)巰基苯胺功能化金納米粒子在草甘膦模板分子存在下的電聚合反應(yīng)，研制了一種用于檢測(cè)草甘膦的電化學(xué)分子印跡傳感器。HABEKOST A[13]采用金及多壁碳納米管制成的絲網(wǎng)印刷電極并且用納米氧化鋅顆粒修飾后，對(duì)草甘膦進(jìn)行電化學(xué)檢測(cè)。LIU H 等[14]基于雙重抑制原理構(gòu)建了一種用于草甘膦高靈敏度檢測(cè)的電化學(xué)發(fā)光傳感器。其構(gòu)建的基于Lu-Au-Lcys-Cu(II)雙重抑制策略的電化學(xué)發(fā)光傳感器對(duì)草甘膦具有檢測(cè)性能好，靈敏度高、重現(xiàn)性好、穩(wěn)定性好、準(zhǔn)確度高的特點(diǎn)。PRASAD BB 等[15]制備了一種快速、靈敏、有選擇性的雙模板印跡聚合物納米膜修飾石墨電極，用于同時(shí)分析土壤和人血清樣品中草甘膦和草銨膦的含量。

2.2 聯(lián)吡啶類除草劑

聯(lián)吡啶類除草劑是一類快速滅生性除草劑，具有觸殺作用和一定的內(nèi)吸作用，能迅速被植物綠色組織吸收，使其枯死。但是，聯(lián)吡啶類除草劑對(duì)人體有劇毒，而且對(duì)人體器官傷害極大，且無(wú)特效解毒藥，口服中毒死亡率可達(dá)99%以上。該除草劑還對(duì)眼睛有刺激作用，可引起指甲、皮膚潰爛等；口服3 g 即可導(dǎo)致系統(tǒng)性中毒，并導(dǎo)致肝、腎等多器官衰竭，肺部纖維化（不可逆）和呼吸衰竭。因中毒前期治療黃金期內(nèi)癥狀不明顯，容易誤診或忽視病情。聯(lián)吡啶類除草劑主要的代表農(nóng)藥為敵草快和百草枯。PRASAD BB 等[16]利用金電極和高頻方波伏安法檢測(cè)天然水和檸檬酸果汁樣品中百草枯除草劑的新型電分析方法。LI J 等[17]通過(guò)對(duì)石墨烯進(jìn)行改性，成功合成了聚吡咯接枝氮摻雜石墨烯，將聚吡咯接枝氮摻雜石墨烯對(duì)玻碳電極進(jìn)行修飾，并用于百草枯電化學(xué)的檢測(cè)。試驗(yàn)表明修飾電極除了具有良好的靈敏度外，由于聚吡咯與氮摻雜石墨烯的良好結(jié)合和協(xié)同效應(yīng)，傳感器還表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性和較強(qiáng)的抗干擾能力。SHAN X 等[18]在金納米-殼聚糖修飾的玻碳電極上覆蓋分子印跡聚合物膜設(shè)計(jì)了一種檢測(cè)百草枯的新型電化學(xué)傳感器。該傳感器具有高速、實(shí)時(shí)檢測(cè)能力強(qiáng)、樣品消耗量小、靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，可用于百草枯的檢測(cè)。

2.3 其他種類除草劑

除上述提到的在市場(chǎng)銷售中占比較大的兩類除草劑外，還有幾種除草劑可采用電化學(xué)傳感器進(jìn)行測(cè)定。如利谷隆為取代脲類除草劑，具有內(nèi)吸傳導(dǎo)和觸殺作用。利谷隆對(duì)一年生禾本科雜草，如馬唐、狗尾草、蓼等有很好的防除效果，適于芹菜、豆科、胡蘿卜、馬鈴薯、蔥等菜田應(yīng)用。SIARA LR 等[19]采用電化學(xué)預(yù)處理的沸石修飾碳糊電極，建立了一種簡(jiǎn)便、廉價(jià)、高靈敏度的電化學(xué)方法，用于測(cè)定自來(lái)水中利谷隆的含量。阿特拉津是內(nèi)吸選擇性苗前、苗后封閉除草劑。易被雨水淋洗至土壤較深層，對(duì)某些深根草亦有效，但易產(chǎn)生藥害，持效期也較長(zhǎng)。SUPRAJA P 等[20]合成了一種電紡錫（IV）氧化物的納米纖維電化學(xué)傳感器用于水中痕量阿特拉津的檢測(cè)。試驗(yàn)表明，在存在干擾化合物如尿素和葡萄糖的情況下，傳感器檢測(cè)阿特拉津的能力幾乎不受影響。

3 小結(jié)

目前對(duì)農(nóng)藥殘留的超靈敏檢測(cè)日漸成為研究的一個(gè)熱門(mén)領(lǐng)域，人們已經(jīng)開(kāi)始在宏觀、微觀和納米尺度上對(duì)新材料進(jìn)行探索。而用于農(nóng)藥檢測(cè)的電化學(xué)傳感器因其高靈敏度、選擇性好、成本低及在某些情況下自動(dòng)化設(shè)備的小型化、可移植性和集成性而備受關(guān)注。綜上所述，電化學(xué)傳感器由于具有易微型化、操作簡(jiǎn)單、響應(yīng)信號(hào)高、選擇性好、測(cè)定結(jié)果快速準(zhǔn)確的特點(diǎn)，在農(nóng)藥殘留分析領(lǐng)域潛力巨大。但在充分發(fā)揮其潛力的同時(shí)，也存在以下問(wèn)題需要解決。如在對(duì)電極表面進(jìn)行修飾后，修飾材料在測(cè)試溶液中的穩(wěn)定性需要進(jìn)一步加強(qiáng)，以防止檢測(cè)中，材料脫落的現(xiàn)象發(fā)生，影響檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。大量的檢測(cè)手段在進(jìn)行水中農(nóng)藥檢測(cè)時(shí)均表現(xiàn)出高選擇性、高靈敏度，但是在進(jìn)行實(shí)際果蔬樣品中農(nóng)藥含量測(cè)定時(shí)，由于基質(zhì)復(fù)雜，最終結(jié)果的靈敏度和分辨率并不理想。所以，在樣品前處理方面，需要進(jìn)行更深層次的研究，提高農(nóng)藥富集效率以及研發(fā)抗干擾能力強(qiáng)的電化學(xué)傳感器是未來(lái)的主要研究方向。