量子点传感器在农药残留检测中的应用研究进展

赵芳，李为琴，段江莲，李琴

（1.山西师范大学实验设备处，山西临汾041000；2.山西师范大学食品科学学院，山西临汾041000）

随着人口日益增长，农药在农业中使用日趋广泛，以清除杂草和控制害虫从而提高产量。但是这会带来环境污染，进而会对其他生物体产生不利影响。例如，人类感染这些农残化合物，就可能会导致神经中毒、内分泌失调、基因突变和罹患癌症等[1]，即使农药残留的浓度很低。各国政府都颁布了相应法律来规范农药的使用，并且制定了水和农产品的最高残留限量。为了达到高产，农药的使用是不可避免的，尽管有相关规范的实施，但是也会有一些农残超标的情况发生。欧洲食品安全局从不同国家抽样了8 000 份不同的农产品，它们发现来自第三世界的国家其农残超标率（5.7%）高于欧盟国家的（1.4%）。虽然很多样品的农残在标准范围内，但是长期摄入也会对公众造成严重的健康危害。另外，有些还没有规定残留标准或是新型的农药，也在农产品中广泛使用，它们的毒害性可能还未完全明确，就被推入市场。因此，为了相关条例的有效执行，就需要高灵敏度、高特异性和价格合适的分析方法来检测农药残留化合物。传统的方法操作繁琐，耗时很长，为了达到要求的灵敏度，往往需要复杂的样品处理过程，如：提取、清除、浓缩，有时还需衍生。近年来，有很多报道利用量子点材料进行荧光传感检测来替代传统方法。

量子点（quantum dot，QD）是半导晶体纳米材料，由于其显著的约束效应，拥有独特的导电性和光学性质，使得它们很适合做分析传感器。量子点的传感是基于冷发光对纳米颗粒表面态的敏感性，也就是量子点与目标分析物的物理或化学反应，它们能够导致光致发光增强或猝灭。大多数量子点传感不是直接与量子点表面反应，而是在量子点荧光团和分析物之间产生能量流。一个量子点供体可以通过偶极-偶极相互作用将能量转移到附近的量子点受体，这个现象叫共振能量转移（forster resonance energy transfer，FRET），这种非辐射的能量转移其发生要满足如下几个条件：供体的荧光量子产率要较高；供体的发射光谱与受体的吸收光谱要重叠；供、受体的发射光谱要足够分开；供、受体在空间上比较接近。供体的荧光强度减弱，寿命缩短，相应地，受体的荧光强度增强，寿命延长，这可以证明FRET 现象的发生。因此，通过FRET 机制，量子点很适合用作光学传感器，它拥有很宽的吸收光谱、很高的量子产率和较长的荧光寿命[2]。

在20 世纪70 年代，人们发现量子点之初，对于量子点的应用仅局限在光电材料和微电子领域。1998年，Alivisatos 等[3]和 Nie 等[4]分别攻克了以量子点作为生物探针与生物之间相容性问题的难关，使量子点作为荧光探针标记生物大分子的分析成为现实，首次实现量子点用于生物分析。半导体量子点能通过不同的方法从元素周期表II-VI 族或者III-V 族的分子制得。近几年也出现了另一种利用碳材料制得的碳量子点，在分子传感中也得到较好的应用。量子点的中心一般由重金属合成，用得较多的是镉，但是对环境和人体不利。于是有很多报道在细胞和老鼠活体内研究不同量子点的毒性。结果表明，如果用无毒的壳包裹核心，可以有效减少镉的泄露，进而减少潜在的毒性。例如，Kuzyniak 等[5]在活细胞中加入CdSe 量子点，以细胞质酶的释放作为毒性指标，结果表明，给量子点加上谷胱甘肽（glutathione，GSH）配基，然后用无毒的 ZnS 包覆，形成GSH-CdSe/ZnS 纳米颗粒，能够显著降低量子点对于活细胞的毒性。这就此打开了量子点的应用大门，其中包括农残的检测。近几年，具有独特荧光特性的量子点在生物化学、分子生物学、基因组学、蛋白质组学、生物分子相互作用等研究领域已得到广泛应用，并迅速成为国内外研究的焦点。研究表明量子点传感器能够检测出远低于最高残留限量的农药残留量。本文主要阐述了近年来量子点光学传感器在检测食品和水中农药残留的应用，并且讨论了量子点表面修饰的不同方法及其对应的选择性检测分析物，说明了各方法的优点和缺陷。

1 量子点的表面修饰及其在农药残留检测中的应用

半导体量子点材料一般是由金属有机合成，其中的量子点颗粒表面通常会被一些有机配体包覆，配体中的功能性基团会使量子点改性，可以用作目标分析物的识别位点，促进量子点与不同受体的结合，提高目的分析物的选择性，使之即使在有其它农药残留存在的情况下，也可以选择性检测出目标分析物，达到理想的应用[6]。这些受体包括酶、抗体、核酸、超分子、分子印迹聚合物（molecularly imprinted polymers，MIPs）等。

1.1 混合的量子点材料在农药残留检测中的应用

将原子（一般是过渡金属，如Mn2+）结合到量子点晶格结构中，可以使其形成期望的特性。混合的量子点不仅保留了量子点原有的特性，还可能会增加其发光寿命，减少细胞毒性[7]。如：将Mn2+混合到CuInS/ZnS量子点中，与不混合（发光寿命401 ns）相比，可以显著延长激发态的寿命（3.78 ms）[8]。很多研究报道将ZnS：Mn2+量子点作为荧光传感器，来检测农药残留，如：五氯苯酚[9-10]、苯腈菊酯[11]和啶虫脒[12]。混合的量子点材料一般会携带一个识别分子，如核酸适配体[12]、酶[13]或者MIPs[14-16]等，来提高对目标农残的选择性。

1.2 SiO2纳米颗粒修饰的量子点材料在农药残留检测中的应用

将功能性量子点插入SiO2纳米颗粒，可以作为荧光传感器来检测水中各种农药，如：λ-三氟氯氰菊酯、灭多威、草甘膦和甲基对硫磷[17-20]。制备QD-Si 纳米颗粒的方法有很多，其中反相微乳液是最常用的方法，量子点和SiO2可以在反相微乳液中通过共缩合作用直接形成QD-Si 纳米颗粒[21]。根据不同用途，其表面也可以被合适的配体或者受体分子修饰。

将量子点包覆在SiO2颗粒里面，有以下优点：（1）可以提高其化学稳定性，还可以降低量子点的潜在毒害性；并且可以在不影响量子点本身特性的情况下减少荧光漂白现象[22]；（2）SiO2来源广泛，为制备低成本传感器提供了可能；（3）SiO2化学性质稳定，光学透明，很适合在不同的介质中用作荧光传感材料[23]；（4）SiO2材料表面还可以进行不同受体的修饰，如：杯（n）芳烃[17-19]、MIPs[18-24]或者石墨烯材料[25]等，以提高对目标农药分析的选择性。

1.3 以大环或超大分子作为修饰主体的量子点材料在农药残留检测中的应用

大环分子拥有适宜的空洞空间，可以通过客-主反应与量子点材料结合，作为农药检测的识别分子。如，杯（n）芳烃大分子拥有疏水的空洞，可以作为目标农药的识别分子，通过不同大小的杯（n）芳烃，就可以完成对不同目标分析物的选择。Li H 等[19]将嵌有CdTe量子点的SiO2纳米颗粒包覆在杯（4）芳烃下来用作农药检测，当灭多威浓度增加时，荧光强度增强，检测限度最低可以到80 nmol/L。该探针在其它农药的检测中也显示较好的选择性，如：甲基对硫磷、螨胺磷、水胺硫磷和啶虫脒。用磺化杯（4）芳烃修饰CdTe 量子点，可以将螨胺磷和啶虫脒的检测限度分别降到12 nmol/L和34 nmol/L，并且磺化杯（4）芳烃对啶虫脒的选择性高于其它农药[26]。Li 等[17]利用杯（6）芳烃制备了一个荧光传感器用作草甘膦的检测，其中的量子点材料是SiO2包覆的CdTe，这个探针可以在其它农药存在的时候选择性检出草甘膦，并且检测限度低至0.072 5 nmol/L，这比传统的高效液相色谱和质谱技术还要灵敏。

虽然这个修饰方法有很大的发展潜力，但是超分子会受很多因素影响，包括结合机制、介质pH 值、空间电子效应和别构效应。因此此类探针的重复性会受到限制，很难建立标准化的方法。

1.4 MIPs修饰的量子点材料在农药残留检测中的应用

MIPs 可以作为受体或识别分子来修饰量子点传感器，MIPs 是以目标分子为模板，使单体之间发生聚合反应，随后再将印迹分子从聚合物中洗脱或解离出来而形成的，这种合成材料可以作为特定分子的受体。MIPs 成本低，机械性能和化学性能都很稳定，而且可以重复利用。目前有很多将MIPs 修饰的量子点用作荧光传感器，来特异性检测各种农药残留[27]。

通过改变量子点表面的MIPs，即使使用同一种量子点材料作为信号传感器，也可以完成对不同农残的选择性检测。如，用MIPs 包覆混合Mn2+的ZnS 量子点，可以选择性检测苯氰菊酯[11]，这个选择性取决于模板的大小、形状和功能特性，在水中的检测限度可以低至9.0 nmol/L。然而，使用同样的量子点，只是简单地调整合成MIPs 的模板，就可以制备成其它传感器。如：选择性检测水中的烟嘧磺隆到1.1 nmol/L 水平[16]，以及水中的毒死蜱到17 nmol/L 水平[14]。MIPs 也可作为嵌入量子点的SiO2纳米颗粒农药传感器的功能性外膜，Li 等[18]将 CdSe 量子点嵌入 SiO2中，再用 MIPs修饰，就可以选择性检测水中的λ-三氟氯氰菊酯，能量在CdSe、SiO2和MIP 纳米颗粒之间转换，而农药会使荧光猝灭，最终可以达到检测限度为80.03 nmol/L。将嵌入 CdTe 的 SiO2纳米颗粒用 MIPs 修饰形成CdTe-SiO2-MIP 复合物，可以选择性检出水果和蔬菜中的溴氰菊酯，检测限度为 0.16 μg/mL[24]。Wei 等[28]用十八烷基-对乙烯苄基-二甲基氯化铵（octadecyl-4-vinylbenzyl-dimethyl-ammonium chloride，OVDAC）使CdTe 量子点功能化，再以MIPs 修饰，形成MIP-OVDAC-CdTe 复合传感器，表面活性剂的乙烯基末端可以引导聚合物有选择地接触CdTe 量子点，这个传感器可以检测λ-三氟氯氰菊酯至0.03 μmol/L，并且这个探针的荧光强度不会受阴、阳离子存在的干扰，可以在类似物拟除虫菊酯存在的情况下特异性检测出λ-三氟氯氰菊酯。Yang 等[10]进一步用Fe3O4纳米颗粒来修饰MIPs，使MIPs 产生超顺磁性，从而可以运用外部磁场使各颗粒容易分离，该传感器检测五氯苯酚限度为 0.5 μmol/L，而 Wang 等[9]在同样条件下，不加 Fe3O4纳米颗粒修饰，检测五氯苯酚限度为86 nmol/L。运载有MIPs 的Fe3O4纳米颗粒能够在其它芳香族化合物存在的情况下选择性吸附五氯苯酚，而且当应用于实际样品时，回收率可以高达97%以上。

虽然基于MIPs 的传感器有很多成功应用的例子，但在制备MIPs 探针时还存在很多挑战，最主要的难点就是印迹分子从聚合物中的提取，这是一个很漫长的过程，需要很多溶剂，有时可能会导致聚合物腔体变形，克服这个困难是此类探针未来标准化和商业化的关键所在。

1.5 酶修饰的量子点生物传感器在农药残留检测中的应用

生物传感器就是由一个信号传感器（如：量子点或其它荧光基团）连接一个生物识别分子（如：酶、细胞、抗体或DNA）形成的探针[29]。目前，量子点-酶生物传感器用于农药检测已成为研究热点，特别是对于有机磷农药的检测[30-31]。酶由于其高度的特异性，可以作为量子点生物传感器很好的识别分子。

最常用作探针的酶是乙酰胆碱酯酶（acetylcholinesterase，AChE），它水解硫代乙酰胆碱和乙酰胆碱生成硫代胆碱和胆碱，如果这个传感器还存在胆碱氧化酶，那么硫代胆碱和胆碱会被进一步氧化为H2O2，这会导致量子点的荧光强度猝灭[32]。痕量的有机磷农药和氨基甲酸酯类的农药会抑制胆碱氧化酶活性，这就会使量子点的荧光强度增强。酶特异性识别农药分子的能力使得量子点传感器迅速发展，像前文所述的传感器一样，基于酶的传感器也能够和其它支撑结构如：石墨烯[33]，多层碳纳米管[34]等共价结合来提高其灵敏度，结构类似的农药如：甲基对硫磷、对硫磷等用这种类型的传感器可以成功地被识别。将SiO2包覆的量子点与乙酰胆碱酯酶和胆碱氧化酶（choline oxidase，ChOx）制备成一个生物感受器，可用来检测食品中的西维因、对硫磷、二嗪农和甲拌磷[32]。农药对于酶的抑制效应与农药浓度的对数有一定的线性关系，与传统的高效液相色谱方法相比，不但灵敏度高，还简单迅速。表1 列举了酶或其它生物传感器作为量子点荧光传感器的识别分子在不同食品农药残留检测中的应用。

表1 生物传感器作为量子点荧光检测识别分子在不同食品农药检测中的应用Table 1 Biosensors using quantum dots as recognition elements for fluorescence detection of pesticides in different media

另一种与量子点结合用作农药检测的酶是有机磷水解酶（organophosphorus hydrolase，OPH），它可以水解多种有机磷农药生成无害的产物如对硝基苯酚和二乙基磷酸盐。根据量子点的不同，这些产物都可以与量子点反应使得荧光强度增强或猝灭，因而得以检测农残。目前这种传感器已经用于检测对氧磷[46-47]、甲基对硫磷[48-49]。将CdTe 量子点与溴化十六烷基三甲铵（cetyltrimethylammonium bromide，CATB） 和 OPH 制备成一个传感器用于甲基对硫磷检测，生成的对硝基苯酚由于缺失电子，通过疏水作用吸附在CTAB 链上，因此导致量子点的荧光强度猝灭。这个猝灭效应在25 ng/mL～3000 ng/mL 范围内与甲基对硫磷有很好的线性关系，在自来水中的检测限度可以到18 ng/mL[48]。另一篇报道[49]将CuS2量子点与Pb2+与OPH 制备成生物传感器也用来检测甲基对硫磷，Pb2+的存在会使探针的荧光强度猝灭，但是水解产物二乙基硫代磷酸会与Pb2+结合，导致荧光强度增强。

虽然生物传感器的灵敏度和特异性很高，但是它依然存在很多问题阻碍它的发展和大规模生产。首先，这些生物识别分子稳定性很差，易受环境因素影响（温度和pH 值）其次。这些生物分子的生产、分离和纯化过程复杂、繁琐、耗时，并且成本高。另外，农药对于这些酶的抑制作用是不可逆的，使得此类传感器不可重复利用。

1.6 碳量子点在农药残留检测中的应用

碳量子点是一类荧光纳米颗粒，包括石墨烯量子点、聚合物量子点和碳纳米点，在荧光传感方面有很多应用。与半导体量子点相比，碳量子点拥有独特的荧光特性、低毒性和很好的生物相容性[54]。碳量子点是一种较新的材料，也有很多报道其在农药检测方面的应用。将石墨烯量子点与AChE 结合，用于对氧磷的检测，检测限度可降到0.2 nmol/L[33]。Liu 等[55]将石墨烯量子点与CdS 量子点连接，形成纳米晶体，用来检测水中的五氯苯酚，其中石墨烯量子点用作信号放大材料，因此检测限度可以达到很低（3 pg/mL）。近年来，碳量子点也用于甲基对硫磷[56]、乐果、敌敌畏和西维因[43]的低限度检测。像其他类型的量子点，碳量子点也可用酶或MIPs 修饰来提高对目标农药的选择性。与半导体量子点比较，碳量子点的最大缺点在于它的量子产率很低，目前已有报道表明可以添加氮或硫原子来提高碳量子点的量子产率[43]。

1.7 量子点薄膜在农药残留检测中的应用

前文所述的大多数传感系统是基于溶液的探针，虽然有很好的应用效果，但还是存在很多缺陷。首先，分析物不能从溶液中回收，这就意味着溶液传感器只能使用一次，这会导致环境污染，而且会增加常规应用的成本。其次，这些溶液会随着时间降解而变得不稳定，所以很难处理或保存。因此，会给便携式的传感设备设计带来困难。一个可能的解决方法就是把量子点传感器整合在固体材料上形成薄膜，相比溶液探针，量子点薄膜拥有更好的稳定性和可携带性，形状和大小可调，可以实时检测，在气体或液体传感中拥有更广泛的应用[57]。很多材料可以用来形成量子点膜，如：硅树脂，聚二甲硅氧烷和玻璃。有很多报道应用量子点薄膜来检测有机磷农药，Zheng 等[36]用AChE 和ChOx 作为信号分子，CdTe 量子点作为传感器，设计制备CdTe/ChOx/AChE 多分子层薄膜，这个薄膜通过抑制酶活性，从而使量子点荧光猝灭，可以检测苹果中的对氧磷、敌敌畏和对硫磷。

虽然量子点薄膜有较好的应用效果，但是将生物识别分子整合到薄膜上还比较困难，无法保证它们的稳定性，所以给设计可重复利用设备带来困难。未来可以考虑用合成受体（如MIPs）以克服生物分子带来的困难。

2 量子点荧光传感器在农药残留检测应用中的问题

很多荧光传感器主要集中在有机磷农药的检测上，因为此类农药能够抑制传感器上的酶的活性，而很少有研究有机氯农药的检测，如：莠去津和特丁津，它们在农业中也使用得很广泛。这两种农药是水中新出现的两种污染物，因此今后也需研究基于量子点的荧光传感器把这两种农药作为目标分析物，还有就是草甘膦这种化学性质不稳定的农药也需更多地作为目标分析物研究。

核苷酸适配子在生物传感器中是一种较为新兴的应用，未来很可能会成为生物传感器的研究热点，然而，对于特定的目标分析物，很难找到合适的适配子，这在未来的研究中需要解决。另外，基于适配子的探针稳定性也需提高，使得它们容易保存。

虽然以镉为量子点的传感器有很好的光学性质，但是未来还是应该探寻低毒的量子点材料，碳量子点的兴起是一个不错的选择。MIPs 作为合成受体在量子点传感器中有很多优点，但是它的合成技术以及印迹分子的洗脱技术还需要提高。未来可以和固体支撑材料或薄膜合并制备稳定的传感器设备。

由于绿色化学原则和经济优势，制备可重复利用的传感器设备必将成为未来的研究热点。如今的溶液探针只能使用一次，会导致潜在的毒害浪费。将量子点纳米颗粒固定在固体材料表面，制备的可重复利用的传感器需要尽快标准化和商业化。

3 小结

相比传统检测方法，基于量子点的荧光传感器在农药残留检测方面更卓越。近年来，很多研究致力于该方法的改进，如添加酶、MIPs 或者是特殊的超分子来作为识别分子，使其对特定分析物有一定的选择性。虽然这些传感器很容易制备，有很好的分析特性，而且高效，但还是存在很多问题需要克服，以便该传感器将来的标准化和商业化应用。如，酶修饰的量子点传感器，其中的酶反应受温度和pH 值影响较大；MIPs 修饰的量子点传感器，其聚合物不规则，模板分子可能无法洗脱而导致对目标分子的吸附能力差；超分子修饰的量子点传感器，很容易与腔体发生反应。因此，在农药残留检测的实际应用中，还需要进一步研究，提高基于量子点的荧光传感器的稳健性和选择性，那时，载体干扰是需要克服的主要困难。