传感技术在农药残留快速检测中的应用

霍佳平，张 红，王 莹，王颜红

(1沈阳市化工学校，沈阳 110122;2中科院沈阳应用生态研究所，沈阳 110015)

近10 年来，应用于农业生产的农药种类日渐繁多，功能各异，一方面保证了农作物的高产，却在另一方面严重危害着农产品的食用安全。对农药原体、有毒代谢物及降解物残留量的有效控制是食品安全亟待解决的问题之一。

目前，对于农药残留的测定主要分为实验室检测和快速检测两大技术，前者以气相色谱(GC)、高效液相色谱(HPCL)、色质联用为主要检测手段［1］，灵敏度和精确度高、分离效果好，但存在前处理繁杂、专业性强，不利于现场监测;而后者虽存在漏检和农药的适用范围受限等问题［2］，却因其用时短、可操作性强、准确、灵敏等优势，受到科学界更广泛的关注。迄今为止，快速检测技术的研究主要集中在酶联吸附、免疫分析、分子生物、光谱分析技术上［3］，现有成熟手段包括检测卡、试剂盒、速测仪等。

传感技术是从自然信源获取信息并对其识别、处理的现代科学与工程技术，被称为科学研究的“感觉系统”。主要分为生物传感技术、光电传感技术(光传感技术)和多传感技术。生物传感和光传感技术在农残检测中均有应用，不仅有效拓宽了农药品种的检测范围，提高了检测灵敏度，与上述快速检测技术联用，同时实现了检测仪器的小型化和便携化。本文将就传感技术在农药残留检测中的应用研究情况作简要综述，旨在为未来传感器在农残检测领域的科学探索提供一个清晰的研究思路。

1 生物传感技术

生物传感技术以固定化活性元件作为敏感材料，对被测物质实现特异性识别，结合化学、物理转换器，用于检测环境化学物质或与之交互作用后产生的响应。生物传感器由两部分组成，具有专一识别性的生物分子和具有信号转化功能的换能器。固定的生物分子可选择性鉴别具有特异性作用的待测物，换能器将生化反应信号转化为电信号，放大和模数转换，通过信号大小完成对浓度的检测。已报道的用于食品中农药残留快速检测用途的生物传感检测技术主要有酶传感器和免疫传感器两大类型［4］。

1.1 酶传感器(EBS)

酶传感器也称为酶电极。将酶固定在电极表面形成酶膜，酶膜与特异性待测物作用，引发电信号的变化，从而实现检测。不同酶膜对底物识别过程中的原理不同，专一选择性不同。

1.1.1 酶抑制型生物传感器

酶抑制性传感器的作用原理主要基于底物对酶活性的抑制作用，已见报道的酶传感材料有胆碱酯酶、碱性磷酸酶、酸性磷酸酶、酪氨酸酶、过氧化物酶［5］，以乙酰胆碱酯酶应用最广。当测试环境中存在有机磷或氨基甲酸酯类农药，可专一性地与乙酰胆碱酯酶结合，抑制其催化乙酰胆碱的水解作用，根据酶活性受抑制程度采集氧化电流的信号变化，以此判断样品的农药残留量。李元光等［6］用这种方法研制了一种便携式有机磷农药快速检测仪，将一次性的乙酰胆碱酯酶电极连接到PC 机上，现场对蔬菜汁进行检测，结果表明:响应时间为3min，敌敌畏和对氧磷的检测范围分别为0.5—43.1μg/mL、0.1—15.0μg/mL。Alexey Ivanov［7］将乙酰胆碱酯酶用戊二醛及牛血清白蛋白交联于普鲁士蓝、聚苯胺修饰电极上，测定水溶液与葡萄汁农药残留，修饰后的电极在分析特性上有了显著改善，甲基毒死蜱、蝇毒磷、克百威的检测限分别达到2.0×10-8、5.0×10-18、8.0 ×10-9mol/L。Michele Del Carfo 等［8］在硬质小麦样品中探索出了乙酰胆碱酯酶及普鲁士蓝修饰的胆碱氧化酶传感器测定甲基嘧啶磷的最优条件。Chen 等［9］构建的表面声波酶传感器检测磷酸二乙基对硝基苯基酯，检测限达到5.3×10-11mol/L。

1.1.2 酶水解型生物传感器

酶水解型传感器常见水解酶包括有机磷水解酶(OPH)、对硫磷水解酶 (PH)、酸性磷酸水解酶(OPAA)，以有机磷水解酶报道最多。有机磷水解酶以有机磷农药(OPs)为底物，催化水解其中的P—O，P—F，P—S，P—CN 键产生酸和醇，从而导致反应体系中pH 的变化，转换成可测量的光信号或电信号，即可实现OPs 浓度的测定［5］。不过，以有机磷水解酶制备的电位型传感器仅反映能产生对硝基酚的OPs，做成的电流型传感器可以反映各种OPs 的信号［10］，Sch ning M J据此原理设计的电流—电位型传感器可实现农药的区别检测，检测限在10 × 10-7级，为农药多残留检测提供了新的思路［11］。

目前，对酶传感器的研究已较为广泛，信号转换元件已发展成熟，但生物敏感元件的选择性、灵敏度、检测限、稳定性、响应时间以及可重复性等仍影响着传感器的市场化应用，故真正达到实用化阶段的产品还极其有限［12］。为克服酶的应用瓶颈，专家们致力于新型生物酶的研究。利用基因工程技术，通过碱基替换、插入、剪切以及组合突变等方法［13-16］，筛选出具有一定有机溶剂耐受性、强选择性的胆碱酯酶。此外，将OPH 基因导入微生物体内并胞外表达得到的OPH 也成功应用在酶传感器中［17］，大大降低了OPH 的生产成本。

1.2 免疫传感器

免疫生物传感器的核心是抗原—抗体间的特异性分子识别机制，即固定在信号转换元件(换能器)表面的抗体(Ab)或抗原(Ag)可以识别并结合与之相对应的特定分析物中的Ag 或Ab，再利用合适的信号转换方法，将抗原—抗体反应所产生的生物学信息转化为测量参数，从而构成相应的免疫生物传感器，根据免疫反应中是否使用标记物分为非标记型免疫传感器和标记性免疫传感器［18］。

1.2.1 非标记型免疫传感器

表面等离子共振(SPR)型免疫传感器、石英晶体微天平(QCM)型免疫传感器、电容型免疫传感器是目前报道较多的3 种无标记型免疫传感器［18］，其中以SPR与QCM 在农药残留检测中应用较多，可以直接用于饮用水、果汁和葡萄酒等饮品中农药残留快速检测及剧毒农药初筛。

SPR 型免疫传感器先在检测芯片表面固定一层抗体或抗原生物识别膜，当待测样品流过芯片表面，能与识别膜发生特异性作用的抗原或抗体将引起金膜表面样品质量和折射率变化，导致入射的偏振光照到金膜上，共振角变化，进而反映生物分子的动态结合和解离过程，获悉目标物浓度。柳明等［19］即利用间接竞争法结合表面等离子体共振(SPR)免疫传感技术，以抗原或抗体作为传感器敏感识别元件对水中的阿特拉津进行检测，最低检出限2.34ng/mL (S/N=3)，IC50=32.36ng/mL，检测范围5.75—181.97ng/mL，检测时间＜30min，回收率98.4%—104.2%。

压电传感器是一种质量敏感型QCM，将农药抗体固定在石英电极金表面，形成敏感膜，当样品中存在目标抗原时，抗体抗原发生特异性结合，在石英电极表面沉积，引起石英晶体震荡频率变化。由于压电效应，在一定范围内，特征频率的变化量与样品中抗原浓度成正比。蒋雪松等［20］利用此方法，结合流动注射技术，建立了压电免疫传感器用于有机磷农药的测定，最低检测限为2.16×10-3μg/mL，选择性较好，可重复使用。

1.2.2 标记型免疫传感器

免疫标记是在抗原或抗体上标记上易显示的特征物，通过检测特征物了解抗原和抗体的反应情况，间接反应待测抗体或抗原的存在状况的检测技术。现存的抗体标记方法主要有酶标记、放射性标记、生物素标记和荧光抗体标记。其中酶标记(EIA)的抗体保存期长，高敏感性，此类传感器也在农残检测中应用最广。酶联免疫传感器既是一种酶标记型免疫传感器，用化学或生物的方法将酶与抗体或抗原结合起来，形成酶标记物，或用免疫方法将酶与抗酶体结合形成含酶免疫复合物，在检测中，加入适当的底物，利用免疫复合物上酶的催化作用，促使底物水解、氧化或还原，再通过电化学分析对反应情况进行跟踪，实现测定［21］。

已用于EIA 分析的农药有60 种左右，其中除草剂和杀虫剂较多，杀菌剂较少，在由多抗转向单抗、纯化抗体和抗原、改进抗体的载体和反应环境，以及定量方式等方面有了新的进展。近两年，荧光标记的人工抗体微纳传感器已被成功研制，并用于农残检测，通过以磁性纳米粒子为基质，合成出高效的人工抗体新材料，实现了复杂样品中农药成分的快速分离富集。

生物传感器检测用时短，无需繁杂的前处理，样品用量小，可同时实现农残的分离与检测，适于现场和在线监测。如果能够进一步解决生物物质的有效性和重复性等一些技术上的问题，未来将在食品安全监控中有更广泛的应用。

2 光传感技术

光传感技术是采用光电元件作为检测的敏感元件，把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号实现检测。光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。通过光源照射可直接发光的农药类别不多，现存已报道用于食品中农残检测的光传感器主要为荧光传感器。

荧光传感器利用紫外光或可见光照射待测物质，产生出能够反映出该物质特性的荧光，根据荧光的波长和强度对待测物质进行定性和定量的分析，是农残检测应用中相对成熟的一种分析技术。氨基甲酸酯类农药在结构上均带有甲胺基团(—NHCH3)，其化合物在碱性条件下加水分解成甲胺，与衍生剂反应可生成强荧光物质，多用荧光检测。除氨基甲酸酯类农药外，孙玲等［22］利用激光诱导荧光技术对农药的荧光检测进行了定性研究，发现苯甲酰脲类、吡虫啉类杀虫剂也都具有较强的荧光特性。

光传感技术使待测物的采样方式变得更为灵活。20世纪90 年代，光谱技术与光纤技术联用的光纤传感器在农残检测研究中应用广泛。利用光纤探头把远离光谱仪器的样品光谱源引到光谱仪内，实现了低损耗、高灵敏度，为非接触式在线无损检测提供了较为有利的条件和前景。王忠东等［23］利用荧光技术和光纤技术，以脉冲氙灯为激发光源，以特制的光纤式锥形探头探测荧光，以小型平场光谱仪实现荧光分光，以高速数据采集模块实现荧光信号的采集转换，设计出了适于土壤中农残检测的光纤式荧光测量系统。该系统一次曝光即可获得农药的荧光光谱，实现了不同浓度的西维因在土壤中的光谱试验。光纤技术的引入，同时也拓宽了近红外光谱和拉曼光谱分析技术的应用范围。陈蕊等［24］采用近红外—可见光漫反射光纤传感技术，对4 种高残留农药在绿色植物活体上无损检测进行了研究，建立了多神经元的神经网络感知器，有效甄别出农药的种类。代芬等［25］用FieldSpee3 光谱仪对龙眼表面的敌百虫和敌敌畏进行快速检测，敌百虫农药残留检测正确率为93%，敌敌畏为80%。李永玉等［26］利用激光显微拉曼光谱仪，以苹果为载体，探讨苹果表面敌百虫农药的快速无损检测方法，检测限为48mg/kg。

光学传感技术以传输速度快、抗干扰性强、无损采样等优势为农作物农药残留的在线监测和实时监控提供了可能，未来将与化学计量学和计算机技术的发展相结合，更广泛应用于食品安全监管。

3 展望

随着科学技术不断完善，未来传感技术的发展方向将是创新化学和生物技术的有机结合。以分子印迹聚合物(MIP)为识别元件，结合电导型、电流型、电容型、电位型、荧光型、石英晶体微天平、场效应晶体管、放射性、镧系发光纤维等［27］不同种类转换器而制得的分子印迹传感器，保留了生物传感器的专一识别性，并具备了一定的机械稳定性和热稳定性，已在三嗪类、苯氧羧酸类、有机磷类、拟除虫菊酯类等多种农药的检测应用研究中取得突破性进展。王颜红［28］等以阿特拉津为模板分子，α-甲基丙烯酸为功能单体，制备了具有良好特异性识别作用的分子印迹材料。在此基础上，此研究小组将材料固定在金电极表面制备了分子印迹膜传感器［29］，检测限1.0 × 10-13mol/L，响应时间10min。颜晓娜等［30］在磷酸盐缓冲溶液中以邻苯二胺和没食子酸为功能单体，水胺硫磷为模板分子，采用电位循环扫描法在玻碳电极表面进行电聚合，形成绝缘性的分子印迹膜，以铁氰化钾为探针，用差分脉冲伏安法对水胺硫磷进行定量分析，检测限为6.06×10-8mol/L，水果和蔬菜的添加回收率为95.6%—104.0%。赵楠等［31］用表面原子转移自由基聚合法合成了表面等离子体共振(SPR)敏感膜，用于检测莠去津，对照空白膜，印迹膜表现出更高的印迹效率和选择性，在对实际样品大豆和白米的检测中，该方法的检测限分别达到了3.51 ×10-8mol/L 和6.19×10-8mol/L。

目前，自动化、计算机技术高速发展，基于可视化学传感阵列技术也已被应用到了农药检测中，霍丹群等［32］以卟啉及其衍生物和指示剂作为传感元件，构建了一种对农药敏感的可视化学传感阵列该传感阵列可以在常温常压下对浓度为0.1mg/L 的12 种农药快速识别和分类，反应时间仅为1.5min。采用聚类分析(HCA)和主成分分析(PCA)等统计学分析方法对检测结果进行分析，不同种类农药样品在聚类分析和主成分分析中均可以被准确归类，为食品中多农药残留的筛查提供了可能。传感技术将继续向着智能化、便携化发展，并将与传统的分析方法共存，以单一方法或补充方法在农残检测中发挥更核心的作用。

［1］王缇，孙园媛.国内外农残检测技术进展［J］.现代园艺，2012，20:140-141.

［2］步岩刚，隋建中.使用农药残留快速检测法的局限性及解决方法［J］.新疆农业科技，2013，1:51-52.

［3］徐溢，张玉志，范伟，等.环境和食品中农药快速检测技术研究进展［J］.化学通报，2006，69:1-5.

［4］何玲，王李斌.农药残留检测技术进展［J］.农药科学与管理，2013，33(2):20-24.

［5］王明珠，徐斐，曹慧，等.用于农药残留快速检测的酶生物传感器研究进展［J］.传感器与微系统，2012，31(3):4-6.

［6］李元光，吴太虎，罗金辉，等.有机磷农药现场快速检测仪的研制［J］.医疗卫生装备，2001，2:19-20.

［7］A.Ivanov，G.Evtugyn，H.Budnikov，et al.Cholinesterase sensors based on screen-printed electrodes for detection of organosphorus and carbamic pesticides ［J］.Anal Bioanal Chem，2003，377:624-631.

［8］Del Carlo M，Pepe A，Mascini M，De Gregorio M，Visconti A，Compagnone D.Determining pirimiphos-methyl in durum wheat samples using an acetylcholinesterase inhibition assay ［J］.Anal Bioanal Chem，2005，381:1367-1372.

［9］Chen D，Wang YJ，Xu Y，et al.Highly sensitive detection of organophosphorus pesticides by acetylcholinesterase-coated thin film bulk acoustic resonator mass-loading sensor ［J］.Biosens Bioelectron，2013，41(15):163-167.

［10］Chough S H，Mulchandani A，Mulchandani P，et al.Organophosphorus hydrolase-based amperometric sensor:Modulation of sensitivity and substrate selectivity ［J］.Electroanalysis，2002，14(4):273-276.

［11］Sch ning M J，Krause R，Block K，et al.A dual amperometric/potentiometric FIA-based biosensor for the distinctive detection of organophosphorus pesticides ［J］.Sensors and Actuators，2003，95:291-296.

［12］刘真真，张敏，姚海军，等.酶生物传感器的研究进展［J］.东莞理工学院学报，2007，14(30):97-101.

［13］Sotiropoulou S，Fournier D，Chaniotakis N A.Genetically engineered acetylcholinesterase-based biosensor for attomolar detection of dichlorvos ［J］.Biosens Bioelectron，2005，2:2347-2352.

［14］Devic E，Li D，Dauta A，et al.Detection of anatoxin-a(s)in environmental samples of cyanobacteria by using a biosensor with engineered acetylcholinesterases ［J］.Appl Environ Microbiol，2002，68:4102-4106.

［15］Valdes-Ramirez G，Fournier D，Ramirez-Silva M T，et al.Sensitive amperometric biosensor for dichlorovos quantification:Application to detection of residues on apple skin ［J］.Talanta，2008，4:741-746.

［16］Schulze H，Schmid R D，Bachmann T T.Activation of phosphorothionate pesticides based on a cytochrome P450 BM-3 (CYP102-A1)mutant for expanded neurotoxin detection in food using acetylcholinesterase biosensors ［J］.Anal Chem，2004，76:1720-1725.

［17］Joshi K A，Prouza M，Kum M，et al.V-type nerve agent detection using a carbon nanotube-based amperometric enzyme electrode ［J］.Anal Chem，2006，78(1):331-336.

［18］王珂，江德臣，刘宝红，等.无标记型免疫传感器的原理及其应用［J］.分析化学，2005，33(3):411-416.

［19］柳明，祁军，刘磊.SPR 免疫传感技术检测水中阿特拉津除草剂［J］.J Prev Med Chin PLA，2013，31(4):299-301.

［20］蒋雪松，王剑平，叶尊中，等.用于农药残留快速检测的压电免疫生物传感器的研究［J］.农业工程学报.2008，24(6):189-192.

［21］丁建英.电化学酶联免疫传感器在农畜产品安全检测中的应用研究［J］.畜牧与饲料科学，2009，30(9):61-62.

［22］孙玲，周寿桓，阎吉祥，等.激光诱导荧光技术在农药残留物探测中的应用［J］.激光与红外，2003，33(6):417-418.

［23］王忠东，闫铁，王宝辉，等.适于土壤中农药检测的荧光光纤系统［J］.光学精密工程，2008，16 (7):1207-1212.

［24］陈蕊，张骏，李晓龙，等.蔬菜表面农药残留可见—近红外光谱探测与分类识别研究［J］.光谱学与光谱分析，2012，32(5):1230-1233.

［25］代芬，张昆，洪添胜，等.龙眼表面农药残留的无损检测研究——基于近红外光谱分析［J］.农机化研究，2010(10):111-114.

［26］李永玉，彭彦昆，孙云云，等.拉曼光谱技术检测苹果表面残留的敌百虫农药［J］.食品安全质量检测学报，2012，3(6):672-675.

［27］张慧婷，叶贵标，李文明，等.分子印迹传感器技术在农药检测中的应用［J］.农药学学报，2006，8(1):8-13.

［28］王颜红，霍佳平，张红，等.阿特拉津分子固相萃取柱的制备及应用［J］.分析化学，2010，38(5):678-682.

［29］Gui Feng Lin，Yanhong Wang，Guochen Li，et al.Construction and Application of Molecularly Imprinted Film Sensor on Determination of Chlorpyrifos in water ［A］.材料科学与工程技术国际会议论文集［C］.上海:2014.

［30］颜晓娜，许金生，王丽丽，等.水胺硫磷分子印迹传感器的制备与应用［J］.分析试验室，2012，31(2):41-46.

［31］Zhao Nan，Chen changbao，Zhou Jie.Surface plasmon resonance detection of ametryn using a molecularly imprinted sensing film prepared by surface-initiated atom transfer radical polymerization ［J］.Sensors and Actuators B，2012，166/167(20):473-479.

［32］霍丹群，莫炼，谢明，等.基于可视化学传感阵列的农药快速检测新方法［J］.分析试验室，2012，31(9):17-20.