付瑞杰，周 靜，田風(fēng)玉，焦必寧,*，何 悅,*

（1.西南大學(xué)柑桔研究所，重慶 400712；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部柑桔及苗木質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)測試中心，重慶 400712）

農(nóng)藥可有效防治病蟲害及調(diào)節(jié)植物生長，因而在農(nóng)田中被廣泛使用[1]。然而，農(nóng)作物在施加農(nóng)藥之后，農(nóng)藥會在農(nóng)作物、土壤、環(huán)境水以及大氣中長期殘留。這些殘留的農(nóng)藥一方面會造成嚴(yán)重的環(huán)境污染問題；另一方面會通過食物鏈的富集作用對人類的身體健康造成極大的威脅。因而，由農(nóng)藥廣泛使用所帶來的農(nóng)藥殘留問題已經(jīng)發(fā)展成為嚴(yán)重的公共衛(wèi)生問題。需要特別注意的是，農(nóng)藥殘留已經(jīng)導(dǎo)致許多食品安全問題的發(fā)生，如導(dǎo)致急慢性中毒、致突變、致畸、致癌等，對人體健康危害極大[2]。例如，我國主要使用的殺蟲劑——高毒性有機(jī)磷類農(nóng)藥氧樂果、敵百蟲、對氧磷等，其對動物體內(nèi)的膽堿酯酶，尤其是乙酰膽堿酯酶（acetylcholinesterase，AChE）活性表現(xiàn)出顯著的抑制作用，通過對AChE活性的抑制，引起神經(jīng)遞質(zhì)乙酰膽堿的累積，造成神經(jīng)功能的紊亂[3]。

在過去的幾十年里，科學(xué)家們?yōu)閷?shí)現(xiàn)對農(nóng)藥殘留的有效監(jiān)測付出了巨大的努力。目前傳統(tǒng)的檢測方法包括高效液相色譜-質(zhì)譜/質(zhì)譜法[4]、液相色譜-質(zhì)譜/質(zhì)譜法[5]、氣相色譜-質(zhì)譜/質(zhì)譜法[6]、酶聯(lián)免疫分析法[7]、電感耦合等離子體質(zhì)譜法[8]、毛細(xì)管電泳法[9]等。以上方法可以實(shí)現(xiàn)農(nóng)藥殘留的靈敏、快速、準(zhǔn)確檢測以及多組分同時(shí)檢測，在農(nóng)藥殘留定量分析中應(yīng)用廣泛。但是這些方法需要用到大量的有機(jī)溶劑、繁瑣的樣品前處理、大型精密儀器以及專業(yè)技術(shù)人員，因而極大地限制了它們在農(nóng)藥殘留快速篩查及在線檢測方面的應(yīng)用。因此，開發(fā)其他高效、便捷、快速的農(nóng)藥殘留檢測方法十分必要[10]。生物傳感器正是在此背景下發(fā)展起來的。生物傳感器具有檢測速度快、選擇性高、可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場快速檢測等優(yōu)點(diǎn)，是農(nóng)藥殘留現(xiàn)場檢測的理想方法[11]。近幾十年來，納米技術(shù)的發(fā)展極大地促進(jìn)了生物傳感器的發(fā)展[12]。納米材料是指在三維空間中至少有一維在納米尺度范圍內(nèi)（1～100 nm）的材料，或由其作為基本單元構(gòu)成的材料。當(dāng)材料的結(jié)構(gòu)進(jìn)入納米范圍時(shí)，會表現(xiàn)出塊狀材料所不具備的表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)等。因而與傳統(tǒng)材料相比，納米材料的光物理性能更加卓越[13]。隨著納米材料在生物傳感領(lǐng)域中的應(yīng)用，研究者們建立了許多新型的農(nóng)藥殘留快速檢測方法，極大地推動了農(nóng)藥殘留快速檢測技術(shù)的發(fā)展。

適配體是通過指數(shù)富集配體系統(tǒng)進(jìn)化技術(shù)（systematic evolution of ligands by exponential enrichment，SELEX）篩選得到的單鏈寡核苷酸（DNA或RNA）。與抗體相比，適配體具備很多獨(dú)特的優(yōu)勢，例如：適配體具有易于合成和修飾、親和力高、專一性強(qiáng)、成本低、穩(wěn)定性好、分子質(zhì)量低、可持續(xù)反復(fù)變性和復(fù)性等優(yōu)點(diǎn)。正是由于這些獨(dú)特的優(yōu)勢，適配體被認(rèn)為是理想的生物傳感器識別元件[14]，并被廣泛應(yīng)用于治療[15]、環(huán)境監(jiān)測[16]以及食品分析[17]等領(lǐng)域。值得一提的是，與功能RNA分子相比，功能DNA分子的成本更低廉、穩(wěn)定性更高，因此更多地被應(yīng)用于生物傳感器的開發(fā)中[18]。以適配體為識別元件，研究者們構(gòu)建了多種農(nóng)藥殘留生物傳感器，如比色適配體傳感器[19]、熒光適配體傳感器[19]、電化學(xué)適配體傳感器[20]等。將納米材料應(yīng)用于適配體傳感器，可獲得許多新穎的信號傳導(dǎo)方式。本文綜述了近幾年基于納米材料所構(gòu)建的光學(xué)適配體傳感器在農(nóng)藥殘留快速檢測中的應(yīng)用研究進(jìn)展，并對該領(lǐng)域的挑戰(zhàn)和發(fā)展前景進(jìn)行闡述。表1對目前檢測農(nóng)藥殘留的方法進(jìn)行了簡單的比較。

表1 農(nóng)藥殘留檢測方法比較Table 1 Comparison of pesticide residue detection methods

1 農(nóng)藥適配體的篩選

農(nóng)藥濫用導(dǎo)致了嚴(yán)重的食品安全、生態(tài)環(huán)境問題。因此，為了實(shí)現(xiàn)農(nóng)藥殘留高靈敏、高特異性、簡捷、快速、實(shí)時(shí)和就地檢測的目標(biāo)，眾多科學(xué)家孜孜不倦地探索新方法。在生物傳感器不斷發(fā)展的背景下，作為性能更佳的信號識別分子——適配體進(jìn)入研究者的視野。眾所周知，目前使用的農(nóng)藥種類繁多，因此迫切需要篩選更多的適配體。為此，越來越多的科學(xué)家致力于農(nóng)藥分子適配體的篩選。啶蟲脒屬于新煙堿類殺蟲劑，被廣泛用于代替有機(jī)磷和其他常規(guī)的殺蟲劑，可有效防治吸允類昆蟲[21]。雖然啶蟲脒對害蟲的藥效非常顯著，但對人體具有一定的神經(jīng)毒性。急性中毒主要損傷心血管系統(tǒng)，慢性中毒會造成神經(jīng)衰弱、誘發(fā)癌癥等。因此為了保護(hù)人類身體健康，對其進(jìn)行高靈敏和高特異性檢測是十分必要的。He Jiang等[22]首先在2011年利用SELEX技術(shù)對啶蟲脒的適配體進(jìn)行了篩選，通過18 輪篩選成功獲得了一條對啶蟲脒專一識別的適配體序列，該適配體為49 個(gè)堿基長度（49 mer）的單鏈寡核苷酸，與啶蟲脒之間的表觀解離常數(shù)（Kd）為4.98 μmol/L。除識別單一農(nóng)藥分子的適配體以外，Wang Li等[23]通過SELEX技術(shù)篩選得到可識別4 種有機(jī)磷農(nóng)藥的適配體，這4 種有機(jī)磷農(nóng)藥分別為甲拌磷、丙溴磷、氧樂果、水胺硫磷。由于該適配體可識別4 種農(nóng)藥分子，所以被稱作為廣譜適配體。除以上實(shí)驗(yàn)工作篩選得到的適配體外，其他一些農(nóng)藥適配體分子也被篩選出來，詳見表2。

2 應(yīng)用于構(gòu)建光學(xué)適配體傳感器檢測農(nóng)藥殘留的納米材料的主要類型

在構(gòu)建的各種光學(xué)適配體傳感器中，采用的納米材料主要分為以下兩類：金屬納米材料（金納米粒子（gold nanoparticles，AuNPs）、銀納米粒子（silver nanoparticles，AgNPs）、磁性納米粒子、量子點(diǎn)（quantum dots，QDs）、上轉(zhuǎn)換納米粒子（up-conversion nanoparticles，UCNPs）等）和碳基納米材料（碳點(diǎn)（carbon dots，CDs）、氧化石墨烯（graphene oxide，GO）、碳納米管等）。下面對金屬納米材料和碳基納米材料中的一種或者幾種進(jìn)行詳細(xì)介紹。

AuNPs具有獨(dú)特可調(diào)的光學(xué)性能和電子特性，合成操作簡易，在生物傳感領(lǐng)域具有極廣泛的應(yīng)用[33]。當(dāng)AuNPs呈分散態(tài)的時(shí)候，表現(xiàn)為酒紅色，靜電作用或者靶向連接作用誘使AuNPs發(fā)生團(tuán)聚后，其表面等離子共振吸收峰也會發(fā)生明顯地移動，此時(shí)溶液呈現(xiàn)藍(lán)顏色。一方面，通過適配體對AuNPs的“分散/聚集”狀態(tài)進(jìn)行調(diào)控，即可實(shí)現(xiàn)農(nóng)藥殘留的比色檢測[34]；另一方面，AuNPs具有很好的熒光猝滅特性，可用于構(gòu)建熒光生物傳感器，實(shí)現(xiàn)農(nóng)藥殘留高靈敏檢測[35]。

AgNPs與AuNPs相比，消光系數(shù)更高、消光帶更窄。鑒于AgNPs這些優(yōu)異的特性，常常被應(yīng)用于諸多光學(xué)傳感器的構(gòu)建，如比色、表面折射率、表面增強(qiáng)拉曼散射（surface enhanced raman scattering，SERS）等[36]，在農(nóng)藥殘留檢測方面呈現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用前景。

QDs是一種三維團(tuán)簇，由有限數(shù)目的原子組成，3 個(gè)維度尺寸均在納米量級。與傳統(tǒng)的有機(jī)熒光材料相比，QDs激發(fā)波長范圍較寬且分布連續(xù)、發(fā)射波長范圍較窄且呈蓋斯對稱、斯托克斯位移大、熒光發(fā)射波長位置可由QDs大小調(diào)控等優(yōu)點(diǎn)[37-38]?；谝陨咸匦?，QDs常被用于構(gòu)建各式熒光傳感器用于農(nóng)藥殘留的檢測。

UCNPs是可以通過雙光子或多光子機(jī)制將長波輻射（如近紅外光）轉(zhuǎn)化為短波輻射（如可見光）的一種納米材料[39]。與傳統(tǒng)的熒光材料相比，稀土摻雜的UCNPs具有熒光壽命長、光漂白率低、量子產(chǎn)率高、發(fā)射峰窄、斯托克斯位移大等優(yōu)點(diǎn)。此外，它們的低毒性、高化學(xué)穩(wěn)定性和通過改變鑭系摻雜劑的可調(diào)光學(xué)性質(zhì)使其更加適合于熒光標(biāo)記，在構(gòu)建熒光適配體傳感器中具有巨大應(yīng)用前景。

CDs是尺寸小于10 nm的球形碳納米材料。CDs作為一種低毒的新型熒光納米材料，在生物傳感器等領(lǐng)域得到了廣泛的研究和應(yīng)用[40]。

碳納米管可分為單壁碳納米管（single-walled carbon nanotubes，SWNTs）和多壁碳納米管（multi-walled carbon nanotubes，MWNTs）。SWNTs是由單層石墨片同軸卷繞而成的無縫管，而MWNTs一般包含幾層到幾十層石墨片，層間距約為0.34 nm。SWNTs和MWNTs具有較好的生物相容性，表面易于進(jìn)行化學(xué)修飾，因而被廣泛應(yīng)用于生物傳感領(lǐng)域。

GO是一種單層的碳原子材料，它是由碳六元環(huán)組成的二維周期蜂窩狀點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，它可以翹成零維的富勒烯、卷成一維的碳納米管甚至堆垛成三維的石墨。GO具有巨大的共軛結(jié)構(gòu)，是一種高效的熒光猝滅劑。作為碳基材料，GO具有較低的細(xì)胞毒性。目前，GO在構(gòu)建光學(xué)適配體傳感器中的應(yīng)用也越來越多[29]。

3 基于納米材料構(gòu)建的光學(xué)適配體傳感器在農(nóng)藥殘留檢測方面的應(yīng)用

隨著性能優(yōu)良的納米材料不斷涌現(xiàn)和農(nóng)藥分子適配體篩選工作的不斷進(jìn)行，越來越多檢測農(nóng)藥殘留的研究被報(bào)道（表3）。

3.1 比色適配體傳感器

比色適配體傳感器由于其易于操作、低成本，且易于用肉眼觀察結(jié)果的顯著優(yōu)點(diǎn)而受到研究者的青睞[62]。在眾多納米材料中，AuNPs、AgNPs和納米酶常被用于比色適配體傳感器的構(gòu)建。其中AuNPs和AgNPs的表觀顏色可在其表面性質(zhì)發(fā)生改變之后產(chǎn)生相應(yīng)的變化。適配體可對AuNPs和AgNPs的“分散/聚集”狀態(tài)進(jìn)行有效調(diào)控，從而實(shí)現(xiàn)農(nóng)藥分子的比色檢測[34]。納米酶具有優(yōu)異的催化性能，可催化底物如3,3’,5,5’-四甲基聯(lián)苯胺（3,3’,5,5’-tetramethylbenzidine，TMB）[46]、2,2’-聯(lián)氮-二(3-乙基-苯并噻唑-6-磺酸)（2,2’-azino-bis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid)，ABTS）[47]和鄰苯二胺氧化顯色，分別生成藍(lán)色、綠色和黃色的氧化產(chǎn)物。適配體可對納米酶的催化性能進(jìn)行調(diào)控，從而實(shí)現(xiàn)農(nóng)藥殘留的可視化檢測。

3.1.1 基于AuNPs的比色適配體傳感器

AuNPs與傳統(tǒng)的有機(jī)生色團(tuán)相比，具有更高的消光系數(shù)。并且AuNPs還具有與距離相關(guān)的光學(xué)特性，表現(xiàn)為分散狀態(tài)的AuNPs，呈現(xiàn)紅色，而當(dāng)AuNPs發(fā)生團(tuán)聚時(shí)顏色變?yōu)樗{(lán)色或紫色。Shi Huijie等[34]首先開發(fā)了基于AuNPs的比色適配體傳感器用于啶蟲脒的檢測。當(dāng)不存在啶蟲脒時(shí)，溶液中的DNA適配體呈現(xiàn)自由卷曲結(jié)構(gòu)，適配體中的堿基可以通過與AuNPs的配位作用而隨機(jī)纏繞在AuNPs表面，保護(hù)AuNPs在較高鹽濃度下呈現(xiàn)出良好的分散性；當(dāng)啶蟲脒存在時(shí)，適配體與啶蟲脒特異性結(jié)合，使得適配體呈現(xiàn)相對剛性的折疊結(jié)構(gòu)，此時(shí)適配體難以吸附到AuNPs表面，無法保護(hù)AuNPs在較高鹽濃度下保持分散狀態(tài)，此時(shí)肉眼可見溶液顏色從紅色變?yōu)樗{(lán)色。該方法對啶蟲脒檢測的線性范圍為75 nmol/L～7.5 μmol/L，檢測限為5 nmol/L。Bala[33]、Wang Pengjuan[42]及Liu Jinchuan[43]等基于同樣的原理分別實(shí)現(xiàn)了對甲拌磷、氧樂果及滅蠅胺的比色可視化檢測，檢測限分別為0.01 nmol/L、0.1 μmol/L、1 ng/mL。

在基于AuNPs的比色適配體傳感器的構(gòu)建中，若使用的適配體可識別多種農(nóng)藥分子，則可用于多種農(nóng)藥分子的可視化檢測。例如，Kwon等篩選到一條可識別克瘟散和異稻瘟凈這兩種農(nóng)藥分子的適配體。他們采用該適配體構(gòu)建的基于AuNPs的比色適配體傳感器，成功實(shí)現(xiàn)了克瘟散和異稻瘟凈的高靈敏檢測，檢測限分別為10 nmol/L和5 nmol/L[31]。此外，Bai Wenhui等利用可識別6 種有機(jī)磷農(nóng)藥（甲胺磷、水胺硫磷、乙酰甲胺磷、伏殺硫磷、敵百蟲、毒死蜱）的廣譜適配體，建立了基于AuNPs的比色適配體傳感器，實(shí)現(xiàn)了這6 種農(nóng)藥的高靈敏檢測[25]。

3.1.2 基于AgNPs的比色適配體傳感器

相同粒徑下的AgNPs與AuNPs相比具有更大的消光系數(shù)，消光系數(shù)的增加會顯著增加比色適配體傳感器的靈敏性，有望實(shí)現(xiàn)更靈敏的農(nóng)藥殘留比色檢測[63]。例如，Li Xingmei等[45]開發(fā)了一種基于AgNPs的適配體傳感器，用于甲拌磷的比色檢測。在該傳感體系中，研究者在甲拌磷的適配體序列末端添加富含G堿基的序列，當(dāng)目標(biāo)物不存在時(shí)，Ag+以富G序列為模板，通過硼氫化鈉的還原作用形成銀納米簇，此時(shí)溶液顏色為深棕色；向該溶液中加入甲拌磷后，適配體與甲拌磷特異性結(jié)合，導(dǎo)致AgNPs聚集，使溶液顏色由深棕色轉(zhuǎn)為無色。該傳感器對甲拌磷的檢測線性范圍為0～25 μg/mL，檢測限低至0.012 ng/mL。

3.1.3 基于納米酶的比色適配體傳感器

納米酶是指一類本身具有類似天然酶催化活性的無機(jī)納米材料[64]。與天然酶相比，納米酶具有制備工藝成熟、成本低、易于貯存等優(yōu)勢[65]。組成納米酶的材料主要包括貴金屬納米材料、金屬氧化物以及復(fù)合納米材料。納米酶的出現(xiàn)為新型比色傳感器的開發(fā)提供了更多機(jī)會。

AuNPs具有較強(qiáng)的催化活性，可催化過氧化氫（H2O2）氧化TMB，使溶液由無色變?yōu)樗{(lán)色。然而，當(dāng)適配體吸附在AuNPs的表面，可顯著抑制其催化活性。當(dāng)靶標(biāo)農(nóng)藥分子存在時(shí)，適配體從AuNPs表面解吸，進(jìn)而與農(nóng)藥分子特異性結(jié)合。此時(shí)，AuNPs的催化活性恢復(fù)。根據(jù)溶液顏色的變化或TMB在652 nm波長處吸光度的變化可實(shí)現(xiàn)農(nóng)藥分子的高靈敏檢測?；谠撛恚琖eerathunge等[46]實(shí)現(xiàn)了啶蟲脒的可視化檢測，檢出限為0.1 μg/mL。然而，該方法無法用肉眼判斷啶蟲脒殘留是否超過限量標(biāo)準(zhǔn)。造成這種情況的原因是由于啶蟲脒不存在時(shí)，帶負(fù)電荷的適配體吸附在AuNPs表面，使AuNPs負(fù)電荷密度增加，從而易與帶正電荷的TMB結(jié)合，帶來嚴(yán)重的背景干擾信號。為了克服上述方法的缺點(diǎn)，Yang Wenping等[47]將顯色底物由TMB換為ABTS，ABTS在溶液中帶負(fù)電荷，因此可以有效避免空白值過大的情況，所構(gòu)建的比色方法使得啶蟲脒的檢測靈敏度得到顯著提高，檢測限低至1.02 μg/L。

除了AuNPs，一些復(fù)合納米材料也具有較強(qiáng)的催化活性。例如，Yang Zhenting等[48]發(fā)現(xiàn)氯高鐵血紅素功能化的還原型氧化石墨烯（hemin-functionalized reduced graphene oxide，hemin-rGO）具有很強(qiáng)的催化活性，可催化H2O2氧化TMB生成藍(lán)色產(chǎn)物。此外，hemin-rGO復(fù)合材料還可物理吸附適配體，加入啶蟲脒后，啶蟲脒與其適配體特異性結(jié)合，使得適配體從hemin-rGO復(fù)合材料上解吸附，導(dǎo)致hemin-rGO復(fù)合材料在氯化鈉溶液中團(tuán)聚。最后離心收集的上清溶液中因不含hemin-rGO復(fù)合材料，導(dǎo)致TMB無法被催化氧化。隨著啶蟲脒濃度的增大，體系的顏色由藍(lán)色逐漸變淺。該傳感器在啶蟲脒濃度0.1～10.0 μmol/L之間有線性響應(yīng)，檢測限為40 nmol/L。

雖然以上提及的基于納米材料的比色適配體傳感器具備易制備、成本低、易于用肉眼觀察結(jié)果的顯著優(yōu)點(diǎn)，但是其普遍需要在相關(guān)設(shè)備的輔助下才能實(shí)現(xiàn)定量檢測。

3.2 熒光適配體傳感器

熒光適配體傳感器主要是基于適配體在與目標(biāo)物結(jié)合或是其他反應(yīng)過程中，體系熒光性能的變化與目標(biāo)物濃度呈現(xiàn)一定的關(guān)系從而用于目標(biāo)分子的定量檢測。熒光物質(zhì)包括傳統(tǒng)有機(jī)熒光染料、CDs、QDs、UCNPs等納米熒光材料。與其他檢測方法相比，熒光傳感器具備靈敏度較高、響應(yīng)快、可靈活設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)。目前，得益于適配體領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展，應(yīng)用于農(nóng)藥殘留檢測的熒光適配體傳感器也得到相應(yīng)發(fā)展。

3.2.1 基于傳統(tǒng)有機(jī)熒光染料的熒光適配體傳感器

羧基熒光素（5-carboxy-fluorescein，F(xiàn)AM）、N-甲基嗎啉（N-methyl mesoporphyrin IX，NMM）、羅丹明B（Rhodamine B，Rho B）等傳統(tǒng)有機(jī)熒光染料被廣泛應(yīng)用于熒光適配體傳感器的構(gòu)建中。例如，Li Xiaotong等[57]利用NMM實(shí)現(xiàn)了對水胺硫磷的檢測。水胺硫磷與兩種末端可形成G-四鏈體的適配體非末端序列結(jié)合形成類似三明治結(jié)構(gòu)的復(fù)合物，該復(fù)合物由于位阻效應(yīng)不能吸附到MWNTs表面。所以結(jié)合到G-四鏈體部分的NMM的熒光不會被MWNTs猝滅；體系中不存在水胺硫磷時(shí)，NMM的熒光信號被MWNTs猝滅。該方法對水胺硫磷的檢測限為10 nmol/L。Abnous等[21]使用3 種納米材料進(jìn)一步提高了對啶蟲脒檢測的靈敏度。首先，生物素化的適配體與FAM標(biāo)記的互補(bǔ)DNA雜交形成雙鏈結(jié)構(gòu)，且適配體通過親和素-生物素反應(yīng)與硅納米顆粒形成偶聯(lián)物。當(dāng)存在啶蟲脒時(shí)，F(xiàn)AM標(biāo)記的互補(bǔ)DNA從雙鏈結(jié)構(gòu)解離并在上清液中富集。AuNPs和SWNTs的加入將顯著猝滅FAM的熒光。當(dāng)不存在啶蟲脒時(shí)，上清液中幾乎無FAM標(biāo)記的互補(bǔ)DNA，熒光響應(yīng)強(qiáng)度低，加入AuNPs和SWNTs也幾乎無影響。此方法對啶蟲脒的檢測限低至127 pmol/L。Su Lantian等[58]利用AuNPs-Rho B作為猝滅劑-熒光劑對，構(gòu)建了對多菌靈檢測的熒光適配體傳感器。當(dāng)不存在多菌靈時(shí)，游離適配體包被在AuNPs表面使其在高濃度NaCl溶液中保持分散，分散的AuNPs會有效猝滅Rho B的熒光；當(dāng)存在多菌靈時(shí)，適配體優(yōu)先與多菌靈特異性結(jié)合，導(dǎo)致AuNPs在高濃度NaCl溶液中團(tuán)聚，團(tuán)聚的AuNPs對Rho B的熒光信號幾乎無影響。該傳感器的線性范圍為2.33～800.00 nmol/L，檢測限為2.33 nmol/L。

3.2.2 基于納米熒光材料的熒光適配體傳感器

雖然上述基于傳統(tǒng)有機(jī)熒光染料的熒光適配體傳感器可實(shí)現(xiàn)對農(nóng)藥分子的高靈敏檢測，但由于傳統(tǒng)有機(jī)熒光染料熒光穩(wěn)定性差，所以尋找性能更加優(yōu)越的熒光材料以獲得更加穩(wěn)定的熒光信號十分必要。隨著納米技術(shù)的發(fā)展，涌現(xiàn)出眾多熒光性能優(yōu)越的納米材料，比如CDs、QDs、UCNPs等，以它們?yōu)榛A(chǔ)構(gòu)建的熒光適配體傳感器可以明顯克服上述熒光傳感器的不足。下面將對基于納米熒光材料的適配體傳感器進(jìn)行詳細(xì)闡述。

3.2.2.1 基于CDs的熒光適配體傳感器

熒光體的內(nèi)濾效應(yīng)是指當(dāng)熒光體濃度較大或與其他吸光物質(zhì)共存時(shí)，由于熒光體或其他吸光物質(zhì)對于激發(fā)光或發(fā)射光的吸收而導(dǎo)致熒光減弱的現(xiàn)象[35]。Wang Jinlong等[35]利用AuNPs和CDs兩者的內(nèi)濾效應(yīng)設(shè)計(jì)了一種檢測啶蟲脒的傳感器。非團(tuán)聚狀態(tài)AuNPs與CDs發(fā)生熒光內(nèi)濾效應(yīng)，從而使CDs熒光有效猝滅；而團(tuán)聚狀態(tài)AuNPs的吸收光譜與CDs的熒光發(fā)射光譜不再重疊，CDs的熒光恢復(fù)。通過檢測體系中啶蟲脒的存在與否影響AuNPs的分散/團(tuán)聚狀態(tài)，進(jìn)而影響熒光強(qiáng)度，從而實(shí)現(xiàn)定量檢測啶蟲脒。該傳感器對啶蟲脒檢測的線性范圍為5～100 μg/L，檢測限為1.08 μg/L。

除AuNPs外，帶負(fù)電荷的適配體同樣可以猝滅CDs的熒光，Saberi等[49]便基于該原理實(shí)現(xiàn)了對啶蟲脒的高靈敏檢測。當(dāng)不存在啶蟲脒時(shí)，CDs的藍(lán)色熒光被表面吸附的適配體猝滅；當(dāng)存在啶蟲脒時(shí)，適配體從CDs表面解吸，使CDs藍(lán)色熒光恢復(fù)。該方法對啶蟲脒的檢測范圍為1.6～120.0 nmol/L，檢測限為0.3 nmol/L。

此外，Li Xin等[50]研究發(fā)現(xiàn)氮摻雜CDs（NCDs）具有類過氧化物酶活性，其在H2O2存在下可以催化TMB生成TMB氧化物，該物質(zhì)在406 nm波長處顯示出較強(qiáng)的熒光信號。然而，當(dāng)水胺硫磷適配體吸附在NCDs的表面，可顯著抑制其催化活性。當(dāng)水胺硫磷存在時(shí)，水胺硫磷與其適配體特異性結(jié)合，使得適配體從NCDs表面解吸附。此時(shí)，NCDs的催化活性恢復(fù)?；诖?，可實(shí)現(xiàn)水胺硫磷的高靈敏檢測。該傳感器對水胺硫磷的檢測范圍為0.025～1.500 μg/L，檢測限為0.015 μg/L。

3.2.2.2 基于QDs的熒光適配體傳感器

Guo Jiajia等[52]利用AuNPs和QDs之間的內(nèi)濾效應(yīng)實(shí)現(xiàn)了對啶蟲脒的檢測。與AuNPs與CDs之間的內(nèi)濾效應(yīng)相似，AuNPs與QDs之間的內(nèi)濾效應(yīng)也與AuNPs的“分散/團(tuán)聚”狀態(tài)有關(guān)。在這個(gè)方法中對啶蟲脒的線性檢測范圍為0.05～1.00 μmol/L，檢測限為7.29 nmol/L。除去內(nèi)濾效應(yīng)，研究者們發(fā)現(xiàn)有些納米材料本身具有良好的吸收光譜，當(dāng)有機(jī)熒光染料、熒光團(tuán)或者量子點(diǎn)與其相距很近時(shí)就會發(fā)生熒光共振能量轉(zhuǎn)移（fluorescence resonance energy transfer，F(xiàn)RET）。Lin Bixia等[51]基于MWNTs和QDs兩者之間的FRET效應(yīng)實(shí)現(xiàn)了對啶蟲脒的高靈敏檢測。他們將硫化鋅∶錳量子點(diǎn)（ZnS∶MnQD）與適配體偶聯(lián)得到熒光探針。當(dāng)啶蟲脒不存在時(shí)，該熒光探針吸附在MWNTs表面，使ZnS∶MnQD熒光被有效猝滅；當(dāng)存在啶蟲脒時(shí)，適配體與啶蟲脒特異性結(jié)合，從而使熒光探針脫離MWNTs表面，導(dǎo)致ZnS∶MnQD和MWNTs之間的FRET減弱，ZnS∶MnQD熒光得到有效恢復(fù)。該方法對啶蟲脒的線性檢測范圍為0～150 nmol/L，檢測限降至0.7 nmol/L。Zhang Cuiping等[54]通過摻雜氮基團(tuán)，制備得到熒光量子產(chǎn)率達(dá)到30%的石墨烯量子點(diǎn)（graphene quantum dots，GQDs），并建立了基于GQDs的熒光偏振檢測方法，實(shí)現(xiàn)了對氧樂果的高靈敏檢測，檢測限低至0.029 pmol/L。

基于QDs的熒光適配體傳感器除可實(shí)現(xiàn)對單種農(nóng)藥分子的檢測外，還可實(shí)現(xiàn)多種農(nóng)藥分子的檢測。Cheng Nan等[53]利用AuNPs與QDs兩者的FRET效應(yīng)和智能圖譜設(shè)備，構(gòu)建了用于毒死蜱、馬拉松、二嗪農(nóng)檢測的熒光生物傳感器，經(jīng)過一系列條件優(yōu)化，對毒死蜱、馬拉松、二嗪農(nóng)的檢測限分別為0.73、0.74、6.70 ng/mL。

3.2.2.3 基于UCNPs的熒光適配體傳感器

Hu Weiwei等[39]利用UCNPs和AuNPs兩者的FRET效應(yīng)構(gòu)建了一個(gè)檢測啶蟲脒的傳感器。當(dāng)啶蟲脒不存在時(shí)，被適配體包被的AuNPs有效猝滅UCNPs的熒光；當(dāng)存在啶蟲脒后，適配體與啶蟲脒的特異性連接導(dǎo)致失去適配體保護(hù)的AuNPs在高鹽濃度下團(tuán)聚，團(tuán)聚狀態(tài)AuNPs與UCNPs之間無FRET現(xiàn)象發(fā)生，UCNPs的熒光恢復(fù)。經(jīng)過條件優(yōu)化后，其線性檢測范圍為50～1 000 nmol/L，檢測限為3.2 nmol/L。此外，Sun Nana等[56]利用磁分離調(diào)節(jié)熒光強(qiáng)度變化實(shí)現(xiàn)對啶蟲脒更高靈敏的檢測。啶蟲脒會特異性地與適配體-MNPs結(jié)合，使互補(bǔ)DNA-UCNPs被釋放。經(jīng)過外部的磁分離導(dǎo)致熒光強(qiáng)度的降低，熒光強(qiáng)度的改變量與啶蟲脒的濃度呈正相關(guān)。在最優(yōu)條件下，對啶蟲脒的線性檢測范圍和檢測限分別是0.89～114.18 μg/L和0.65 μg/L。

不可否認(rèn)，基于納米材料的熒光適配體傳感器具備靈敏度強(qiáng)、選擇性好和穩(wěn)定性高的顯著優(yōu)點(diǎn)。但是，傳感器的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性易受熒光壽命和熒光背景的影響。所以，熒光適配體傳感器仍需進(jìn)一步改進(jìn)。

3.3 SERS適配體傳感器

SERS效應(yīng)是指在特殊制備的一些金屬良導(dǎo)體表面或溶膠中，在激發(fā)區(qū)域內(nèi)由于樣品表面或近表面的電磁場的增強(qiáng)導(dǎo)致吸附分子的拉曼散射信號比普通拉曼散射信號大大增強(qiáng)的現(xiàn)象[66]?；赟ERS構(gòu)建的適配體傳感器可以實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)物的跟蹤檢測[62]，而且，其還具有靈敏度高、特異性強(qiáng)、快速、簡捷的特點(diǎn)，在諸如農(nóng)藥、真菌毒素等小分子檢測方面倍受關(guān)注。

Feng Xiaozhen等[59]基于氮/銀共沉積的CDs催化二溴衛(wèi)矛醇（3,3’-dimethylbiphenyl-4,4’-diamine，DBD）氧化的SERS策略實(shí)現(xiàn)了對啶蟲脒的檢測。氮/銀共沉積CDs能有效催化H2O2氧化DBD，形成的DBD氧化物在銀納米溶膠襯底1 605 cm-1處有SERS活性。當(dāng)反應(yīng)體系中不存在啶蟲脒時(shí)，適配體會吸附到氮/銀共沉積的CDs上，從而抑制其催化活性，減少DBD氧化產(chǎn)物的生成，繼而在1 605 cm-1處產(chǎn)生一個(gè)弱SERS強(qiáng)度峰；當(dāng)有啶蟲脒存在時(shí)，適配體與啶蟲脒特異性結(jié)合而離開CDs表面，使CDs催化活性恢復(fù)，導(dǎo)致DBD氧化產(chǎn)物的生成量增加，進(jìn)而導(dǎo)致1 605 cm-1處的SERS強(qiáng)度也呈線性增加。該方法對啶蟲脒的檢測限為0.006 μg/L。此外，Pang等[60]建立了快速檢測多種有機(jī)磷農(nóng)藥的SERS方法。在該方法中應(yīng)用了可識別4 種有機(jī)磷農(nóng)藥（氧樂果、甲拌磷、丙溴磷、水胺硫磷）的廣譜適配體。他們首先將構(gòu)建好的SERS平臺（Ag-（Ap+MH））與各農(nóng)藥溶液孵育20 min，然后用拉曼顯微鏡和分析軟件對Ag-（Ap+MH）-P復(fù)合物進(jìn)行分析。經(jīng)過一系列條件優(yōu)化，其對氧樂果、甲拌磷、丙溴磷、水胺硫磷的檢測限分別為24.0、0.4、14.0、3.4 μmol/L。

對于SERS適配體傳感器來說，它可以實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)分子的追蹤監(jiān)測。但是，其檢測重現(xiàn)性低、檢測限高的特點(diǎn)使該方法在農(nóng)藥殘留檢測的實(shí)用性方面仍相對有限。

3.4 化學(xué)發(fā)光適配體傳感器

化學(xué)發(fā)光是物質(zhì)在進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)過程中伴隨的一種光輻射現(xiàn)象[62]?；瘜W(xué)發(fā)光檢測技術(shù)具有靈敏性高、檢測限低、線性范圍廣、響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)[67]，被廣泛應(yīng)用于食品安全[68]、環(huán)境監(jiān)測[69]及醫(yī)療診斷[70]等領(lǐng)域。

Qi Yingying等[61]開發(fā)了一種新穎的化學(xué)發(fā)光適配體傳感器，并用于啶蟲脒的快速檢測。他們發(fā)現(xiàn)，在H2O2和魯米諾存在的條件下，AuNPs在溶液中存在的狀態(tài)與激發(fā)化學(xué)發(fā)光現(xiàn)象產(chǎn)生的催化能力密切相關(guān)。據(jù)此，當(dāng)啶蟲脒不存在時(shí)，適配體吸附到AuNPs表面使其在高濃度鹽溶液中不發(fā)生團(tuán)聚，此時(shí)加入H2O2和魯米諾，反應(yīng)體系無明顯化學(xué)發(fā)光現(xiàn)象發(fā)生；當(dāng)反應(yīng)體系中存在啶蟲脒時(shí)，適配體從AuNPs表面解吸，導(dǎo)致高鹽濃度下AuNPs團(tuán)聚，此時(shí)加入H2O2和魯米諾將產(chǎn)生明顯的化學(xué)發(fā)光現(xiàn)象。該傳感器對啶蟲脒的檢測顯示了極高的靈敏性，檢測限低至62 pmol/L。

對于化學(xué)發(fā)光適配體傳感器來說，其具有靈敏性高、檢測限低、響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)。但是，由于現(xiàn)有的化學(xué)發(fā)光標(biāo)記物在達(dá)到頂峰衰減后，其發(fā)光值尚不穩(wěn)定，因此該方法在檢測的穩(wěn)定性方面需要進(jìn)一步改進(jìn)。

4 結(jié) 語

近年來，農(nóng)藥的廣泛使用所引發(fā)的食品安全和農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境問題愈發(fā)嚴(yán)峻。傳統(tǒng)的檢測方法普遍需要大型精密儀器設(shè)備以及專業(yè)技術(shù)員，這極大地限制了這些檢測方法在資源有限區(qū)域的推廣使用。因此發(fā)展用戶友好、檢測速度快、靈敏度高的農(nóng)藥殘留檢測方法變得無比重要?；诩{米材料的光學(xué)適配體傳感器可以實(shí)現(xiàn)上述農(nóng)藥殘留檢測的要求，已被公認(rèn)為是農(nóng)藥殘留檢測的有力工具。本文簡要闡述了基于納米材料的光學(xué)適配體傳感器在農(nóng)藥殘留檢測中的應(yīng)用的最新研究進(jìn)展，這些光學(xué)適配體傳感器可簡要分為4 類：比色適配體傳感器、熒光適配體傳感器、SERS適配體傳感器和化學(xué)發(fā)光適配體傳感器。

雖然，目前不斷涌現(xiàn)的適配體傳感器在檢測農(nóng)藥殘留方面取得了不俗的成就，但是其仍存在一些不足，需要進(jìn)一步完善。1）農(nóng)藥種類繁多，而目前針對農(nóng)藥的核酸適配體種類還不齊全。而且有些篩選出來的適配體特異性不強(qiáng)，不能從眾多干擾物中對目標(biāo)農(nóng)藥進(jìn)行有效識別。因此廣大科研工作者需要進(jìn)一步加強(qiáng)農(nóng)藥適配體的篩選工作。2）一些納米材料具有毒性，這限制了它們在農(nóng)藥殘留檢測方面的應(yīng)用。因此仍需要開發(fā)低毒性的多功能納米材料，以實(shí)現(xiàn)生物傳感器的環(huán)境友好性。3）由于檢測的不同農(nóng)藥分子對生物傳感設(shè)備的要求不同，使生物傳感器的商業(yè)化應(yīng)用受到限制。因此廣大研究者仍需進(jìn)一步努力，開發(fā)可以實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用的傳感器。4）通常農(nóng)產(chǎn)品及食品樣品的組成復(fù)雜，對其進(jìn)行農(nóng)藥檢測時(shí)常受到其他成分的干擾。因此，需要進(jìn)一步提高這些傳感器的抗干擾能力。

總之，廣大研究者需要擺脫固有思維的桎梏，實(shí)現(xiàn)多學(xué)科的系統(tǒng)結(jié)合，從而對構(gòu)建光學(xué)適配體傳感器的策略不斷創(chuàng)新，進(jìn)而研究出更完美的農(nóng)藥檢測手段。