霍佳平，張 紅，王 瑩，王顏紅

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

近10 年來，應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的農(nóng)藥種類日漸繁多，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題之一。

目前，對于農(nóng)藥殘留的測定主要分為實驗室檢測和快速檢測兩大技術(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，不利于現(xiàn)場監(jiān)測;而后者雖存在漏檢和農(nóng)藥的適用范圍受限等問題［2］，卻因其用時短、可操作性強、準(zhǔn)確、靈敏等優(yōu)勢，受到科學(xué)界更廣泛的關(guān)注。迄今為止，快速檢測技術(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卡、試劑盒、速測儀等。

傳感技術(shù)是從自然信源獲取信息并對其識別、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)殘檢測中均有應(yīng)用，不僅有效拓寬了農(nóng)藥品種的檢測范圍，提高了檢測靈敏度，與上述快速檢測技術(shù)聯(lián)用，同時實現(xiàn)了檢測儀器的小型化和便攜化。本文將就傳感技術(shù)在農(nóng)藥殘留檢測中的應(yīng)用研究情況作簡要綜述，旨在為未來傳感器在農(nóng)殘檢測領(lǐng)域的科學(xué)探索提供一個清晰的研究思路。

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，對被測物質(zhì)實現(xiàn)特異性識別，結(jié)合化學(xué)、物理轉(zhuǎn)換器，用于檢測環(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，具有專一識別性的生物分子和具有信號轉(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物，換能器將生化反應(yīng)信號轉(zhuǎn)化為電信號，放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換，通過信號大小完成對濃度的檢測。已報道的用于食品中農(nóng)藥殘留快速檢測用途的生物傳感檢測技術(shù)主要有酶傳感器和免疫傳感器兩大類型［4］。

1.1 酶傳感器(EBS)

酶傳感器也稱為酶電極。將酶固定在電極表面形成酶膜，酶膜與特異性待測物作用，引發(fā)電信號的變化，從而實現(xiàn)檢測。不同酶膜對底物識別過程中的原理不同，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酶活性的抑制作用，已見報道的酶傳感材料有膽堿酯酶、堿性磷酸酶、酸性磷酸酶、酪氨酸酶、過氧化物酶［5］，以乙酰膽堿酯酶應(yīng)用最廣。當(dāng)測試環(huán)境中存在有機磷或氨基甲酸酯類農(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磷農(nóng)藥快速檢測儀，將一次性的乙酰膽堿酯酶電極連接到PC 機上，現(xiàn)場對蔬菜汁進行檢測，結(jié)果表明:響應(yīng)時間為3min，敵敵畏和對氧磷的檢測范圍分別為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、聚苯胺修飾電極上，測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、克百威的檢測限分別達到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修飾的膽堿氧化酶傳感器測定甲基嘧啶磷的最優(yōu)條件。Chen 等［9］構(gòu)建的表面聲波酶傳感器檢測磷酸二乙基對硝基苯基酯，檢測限達到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水解酶包括有機磷水解酶(OPH)、對硫磷水解酶 (PH)、酸性磷酸水解酶(OPAA)，以有機磷水解酶報道最多。有機磷水解酶以有機磷農(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)換成可測量的光信號或電信號，即可實現(xiàn)OPs 濃度的測定［5］。不過，以有機磷水解酶制備的電位型傳感器僅反映能產(chǎn)生對硝基酚的OPs，做成的電流型傳感器可以反映各種OPs 的信號［10］，Sch ning M J據(jù)此原理設(shè)計的電流—電位型傳感器可實現(xiàn)農(nóng)藥的區(qū)別檢測，檢測限在10 × 10-7級，為農(nóng)藥多殘留檢測提供了新的思路［11］。

目前，對酶傳感器的研究已較為廣泛，信號轉(zhuǎn)換元件已發(fā)展成熟，但生物敏感元件的選擇性、靈敏度、檢測限、穩(wěn)定性、響應(yīng)時間以及可重復(fù)性等仍影響著傳感器的市場化應(yīng)用，故真正達到實用化階段的產(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溶劑耐受性、強選擇性的膽堿酯酶。此外，將OPH 基因?qū)胛⑸矬w內(nèi)并胞外表達得到的OPH 也成功應(yīng)用在酶傳感器中［17］，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別機制，即固定在信號轉(zhuǎn)換元件(換能器)表面的抗體(Ab)或抗原(Ag)可以識別并結(jié)合與之相對應(yīng)的特定分析物中的Ag 或Ab，再利用合適的信號轉(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道較多的3 種無標(biāo)記型免疫傳感器［18］，其中以SPR與QCM 在農(nóng)藥殘留檢測中應(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)藥殘留快速檢測及劇毒農(nóng)藥初篩。

SPR 型免疫傳感器先在檢測芯片表面固定一層抗體或抗原生物識別膜，當(dāng)待測樣品流過芯片表面，能與識別膜發(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，進而反映生物分子的動態(tài)結(jié)合和解離過程，獲悉目標(biāo)物濃度。柳明等［19］即利用間接競爭法結(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別元件對水中的阿特拉津進行檢測，最低檢出限2.34ng/mL (S/N=3)，IC50=32.36ng/mL，檢測范圍5.75—181.97ng/mL，檢測時間＜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，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)合流動注射技術(shù)，建立了壓電免疫傳感器用于有機磷農(nóng)藥的測定，最低檢測限為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，通過檢測特征物了解抗原和抗體的反應(yīng)情況，間接反應(yīng)待測抗體或抗原的存在狀況的檢測技術(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，高敏感性，此類傳感器也在農(nóng)殘檢測中應(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，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，再通過電化學(xué)分析對反應(yīng)情況進行跟蹤，實現(xiàn)測定［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，通過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。

生物傳感器檢測用時短，無需繁雜的前處理，樣品用量小，可同時實現(xiàn)農(nóng)殘的分離與檢測，適于現(xiàn)場和在線監(jiān)測。如果能夠進一步解決生物物質(zhì)的有效性和重復(fù)性等一些技術(shù)上的問題，未來將在食品安全監(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的敏感元件，把被測量的變化轉(zhuǎn)換成光信號的變化，然后借助光電元件進一步將光信號轉(zhuǎn)換成電信號實現(xiàn)檢測。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。通過光源照射可直接發(fā)光的農(nóng)藥類別不多，現(xiàn)存已報道用于食品中農(nóng)殘檢測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光照射待測物質(zhì)，產(chǎn)生出能夠反映出該物質(zhì)特性的熒光，根據(jù)熒光的波長和強度對待測物質(zhì)進行定性和定量的分析，是農(nóng)殘檢測應(yīng)用中相對成熟的一種分析技術(shù)。氨基甲酸酯類農(nóng)藥在結(jié)構(gòu)上均帶有甲胺基團(—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)可生成強熒光物質(zhì)，多用熒光檢測。除氨基甲酸酯類農(nóng)藥外，孫玲等［22］利用激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)對農(nóng)藥的熒光檢測進行了定性研究，發(fā)現(xiàn)苯甲酰脲類、吡蟲啉類殺蟲劑也都具有較強的熒光特性。

光傳感技術(shù)使待測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)殘檢測研究中應(yīng)用廣泛。利用光纖探頭把遠離光譜儀器的樣品光譜源引到光譜儀內(nèi)，實現(xiàn)了低損耗、高靈敏度，為非接觸式在線無損檢測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熒光，以小型平場光譜儀實現(xiàn)熒光分光，以高速數(shù)據(jù)采集模塊實現(xiàn)熒光信號的采集轉(zhuǎn)換，設(shè)計出了適于土壤中農(nóng)殘檢測的光纖式熒光測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)一次曝光即可獲得農(nóng)藥的熒光光譜，實現(xiàn)了不同濃度的西維因在土壤中的光譜試驗。光纖技術(shù)的引入，同時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—可見光漫反射光纖傳感技術(shù)，對4 種高殘留農(nóng)藥在綠色植物活體上無損檢測進行了研究，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。代芬等［25］用FieldSpee3 光譜儀對龍眼表面的敵百蟲和敵敵畏進行快速檢測，敵百蟲農(nóng)藥殘留檢測正確率為93%，敵敵畏為80%。李永玉等［26］利用激光顯微拉曼光譜儀，以蘋果為載體，探討蘋果表面敵百蟲農(nóng)藥的快速無損檢測方法，檢測限為48mg/kg。

光學(xué)傳感技術(shù)以傳輸速度快、抗干擾性強、無損采樣等優(yōu)勢為農(nóng)作物農(nóng)藥殘留的在線監(jiān)測和實時監(jiān)控提供了可能，未來將與化學(xué)計量學(xué)和計算機技術(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)的有機結(jié)合。以分子印跡聚合物(MIP)為識別元件，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、場效應(yīng)晶體管、放射性、鑭系發(fā)光纖維等［27］不同種類轉(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別性，并具備了一定的機械穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，已在三嗪類、苯氧羧酸類、有機磷類、擬除蟲菊酯類等多種農(nóng)藥的檢測應(yīng)用研究中取得突破性進展。王顏紅［28］等以阿特拉津為模板分子，α-甲基丙烯酸為功能單體，制備了具有良好特異性識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］，檢測限1.0 × 10-13mol/L，響應(yīng)時間10min。顏曉娜等［30］在磷酸鹽緩沖溶液中以鄰苯二胺和沒食子酸為功能單體，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水胺硫磷進行定量分析，檢測限為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，用于檢測莠去津，對照空白膜，印跡膜表現(xiàn)出更高的印跡效率和選擇性，在對實際樣品大豆和白米的檢測中，該方法的檢測限分別達到了3.51 ×10-8mol/L 和6.19×10-8mol/L。

目前，自動化、計算機技術(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濃度為0.1mg/L 的12 種農(nóng)藥快速識別和分類，反應(yīng)時間僅為1.5min。采用聚類分析(HCA)和主成分分析(PCA)等統(tǒng)計學(xué)分析方法對檢測結(jié)果進行分析，不同種類農(nóng)藥樣品在聚類分析和主成分分析中均可以被準(zhǔn)確歸類，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，以單一方法或補充方法在農(nóng)殘檢測中發(fā)揮更核心的作用。

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