光电化学生物传感器在农药残留检测中的应用进展

黄兴羽,曾明玥,王飞,董秀秀

(江苏大学 农业工程学院,江苏 镇江 212013)

农产品如蔬菜、水果等在生产过程中不可避免地会出现多种病虫害,致使产量和质量下降。而农药作为重要的生产资料,在农业生产中的作用不可忽视。据有关文献报道,在每年喷洒农药的情况下能够挽回生产农产品总量的7%[1]。但是随着农药的大量使用以及使用年限的增加,农药残留逐渐加重。造成蔬菜农药残留量超标的主要是已经禁用的有机磷农药和氨基甲酸酯类农药。而农产品中过量的农药残留对于我国人民以及我国农产品对外出口贸易有很大影响,国家因此对于农药检测制定了严格的标准(如GB 23200.8—2016,GB 23200.113—2016,GB 2763—2021等)。农药残留快速检测方法主要有生化测定(酶抑制法[2]、比色法[3]、电化学传感法[4])以及色谱检测法(液相色谱法[5]、气相色谱法[6]、毛细管电泳法[7])等。色谱法具有分析准确、灵敏度高等优点,但依赖于实验室大型分析仪器,且检测费用高昂,无法用于田间地头的现场检测且不能及时反馈于农民。生化检测抑制法中酶抑制法[2]更为便利,然而其只对有机磷和氨基甲酸酯类农药残留检测有效,检测应用具有一定的局限性,且对于农药残留的检测精度低。

近年来,作为电化学传感法中的新兴检测技术,光电化学传感检测技术[8]是将光学响应和电化学传感相结合的一种低背景、高灵敏的检测技术。该技术以光作为激发信号,电流作为输出信号,从能量形式上实现了信号分离,降低了背景信号,提高了检测灵敏度,且具有取样量少、快速、简便等优点。以光电化学传感检测技术为前提,耦合免疫识别、适配体结合等生物传感策略,构筑的光电化学生物传感器,在农药残留检测中的应用受到了广泛关注[9]。

1 光电化学生物传感器

光电化学生物传感器[10]是将光电化学反应特性与分析探针特异性识别相结合的一种新型检测技术。特异性识别元件与光电活性纳米材料通过共价键或分子间力固定在电极表面;当目标物质与识别探针结合形成复合物,该复合物会发生一系列的物理或化学反应,引起传感器的光电流变化。因此,可以通过电流的变化来确定分析物的具体含量。

1.1 光电化学生物传感器的组成

光电化学生物传感装置的组成部件,主要包括激发光源、光电活性材料、生物识别元件、信号转换装置及信号放大器等。其中,光电活性材料是光电化学传感器实现光电转换的关键部分[11],生物识别元件是实现目标物捕获与检测的关键。

1.2 光电化学生物传感器的分类

按照生物识别元件的不同[12],光电化学生物传感器主要分为光电化学酶传感器、光电化学免疫传感器、光电化学适配体传感器、光电化学分子印迹传感器等。根据信号响应与目标物浓度相关性可以分为信号减弱型、信号增强型光电化学传感器。

2 光电化学生物传感器在农药残留检测中的应用

2.1 光电化学生物传感器在有机磷中的检测

早在2011年,Li等人[13]利用聚(3-己基噻吩)功能化纳米二氧化钛(TiO2)构建可见光且零电位响应的光电化学传感器检测有机磷农药毒死蜱。如图1所示,在可见光的照射下,光激发聚(3-己基噻吩)电子从价带跃迁到导带,并注入到纳米TiO2的导带,最后传递到电极上;同时纳米TiO2的空穴从价带跃迁到聚(3-己基噻吩)的价带,并与水反应生成羟基自由基,待测物毒死蜱被氧化成其自由基的形式并促进了光电流信号的放大。

图1 毒死蜱在P3HT/TiO2修饰电极界面的光电化学氧化机理示意图[13]

在优化的实验条件下,毒死蜱的检测线性范围为0.2～16 mol/L,检出限为0.01 mol/L。在其他杀虫剂存在的情况下,该光电化学传感器对毒死蜱表现出极好的选择性,并能够用于青菜样品中毒死蜱的检测,展示出很好的应用前景。为了进一步提高传感器的抗干扰能力,分子印迹聚合物被作为识别元件用于传感器的构建。Wang等人[14]基于金纳米粒子和分子印迹聚邻苯二胺修饰TiO2纳米管(PoPD-AuNPs/TiO2NTs),构建了可见光响应的光电化学分子印迹传感器检测毒死蜱,在0.05～10 mol/L浓度范围内展现出良好的相关性,检测限为0.96 nmol/L。基于乙酰胆碱酯酶(AChE)的活性(电子转移)会受到以毒死蜱为代表的农药的影响,Liu等人[15]将AChE和光电活性材料(Cd0.5Zn0.5S-rGO)修饰在电极表面,基于AChE催化氯化乙酰硫代胆碱增强光电流信号,而农药分子的存在会抑制AChE的活性,降低光电流信号。该工作所构建的光电化学酶传感器检测毒死蜱的线性相关范围为0.001～1 g/mL,检测限为0.3 ng/mL。此外,随着适配体技术的快速发展,多种识别农药分子的适配体被筛选制备,并促进了光电化学适配体传感器的构建。Tan等人[16]基于适配体竞争识别策略和CuS QDs/Co3O4介导的多重信号放大,建立光电化学生物传感平台,实现了毒死蜱的高选择性和高灵敏检测。在最优条件下,毒死蜱检测的线性相关范围为0.1 ng/mL～10 mg/mL,检测限为0.34 pg/mL。Li等人[17]基于马拉硫磷与适配体结合诱导生物催化反应生成BiOBr/Bi2S3,获得光电流响应增强,实现马拉硫磷的灵敏检测,检测限低至0.12 pg/mL。

2.2 光电化学生物传感器在氨基甲酸酯中的检测

Tian等人[18]以TiO2纳米管阵列作为光电基底材料,结合CdS QDs的原位生成策略,构建光电化学传感器,实现了磺草灵的光电化学传感检测(图2)。该传感器的线性范围为0.02～2.0 ng/mL,检测限为4.1 pg/mL。石小雪等人[19]通过电聚合在AgBiS2/Bi2S3表面电沉积形成分子印迹聚合物膜,能够特异性识别残杀威。残杀威与印迹孔穴特异性结合后,阻碍电子供体穿过孔穴到达电极表面,导致光电流降低,进而实现残杀威的检测。在1.0 pmol/L到0.5 nmol/L浓度范围内具有线性相关,检出限为0.23 pmol/L,用于水果等实际样品的检测,回收率介于101.0%～103.1%之间。Yan等人[20]基于噻吩-硫共掺杂石墨烯复合氧化锌(Thiophene-sulfur-doped graphene/ZnO nanoplates)光电复合材料和适配体识别反应组装“信号开-信号关-信号开”型光电化学适配体传感器,实现了啶虫脒的灵敏检测,检测限为0.33 ng/mL。

图2 基于TiO2纳米管阵列的酶促生物反应及硫化镉量子点的原位合成[18]

2.3 光电化学生物传感器在拟除虫菊酯中的检测

基于高选择性农药现场检测设备的迫切需求,Wang等人[21]将分子印迹光电化学引入基于纸的微流控分析策略中,设计了一种纸基的光电化学检测方法(图3)。分子印迹光电化学策略是基于CdTe量子点复合分子印迹聚合物(CdTe QDs@MIPs)构建的,并由普通紫外灯(～365 nm)触发。利用金纳米粒子(Au NPs)将CdTe QDs@MIPs固定在纸基丝网印刷工作电极上,并在工作电极表面电沉积金纳米粒子以提高电子转移效率,从而获得高灵敏度的纸基光电化学分子印迹传感器。以高氰戊菊酯为模型分析物,纸基分子印迹光电化学传感器在紫外辐射下产生的光电流随高氰戊菊酯溶液浓度的增加而减小,猝灭型纸基分子印迹光电化学传感器的检测限为3.2 nmol/L。本研究成功研制了高选择性、高灵敏度的s-氰戊酸酯监测光电化学传感器。

图3 (A) 丝网印刷工作电极的改性过程;(B) 纸基MI-PEC传感器的示意图;(C) 外部紫外光源下改性纸样区的光电流产生机制示意图[21]

2.4 光电化学生物传感器在有机氯中的检测

Wang等人[22]利用邻苯基烯二胺(o-PD)单体和γ-六氯环己烷(林丹)模板分子在TiO2纳米管上电聚合,制备了γ-六氯环己烷分子印迹聚合物薄膜,用于光电化学传感检测γ-六氯环己烷分子。如图4所示,在可见光的照射下,分子印迹聚合物薄膜可以产生从最高的占据分子轨道到最低的未占据分子轨道的光电跃迁,将被激发的电子传递到TiO2纳米管的导带中。同时,我们认为参与氧化过程的分子印迹聚合物的正电荷(h+)被消耗,以促进放大的光电流响应。该传感器具有良好的特异性,可成功应用于γ-六氯环己烷的识别和检测,在0.1～10 mol/L浓度范围内具有良好的线性相关,同时该传感器构建策略在有机氯农药处理中具有广阔的应用前景。

图4 PEC传感器的制备(A,B,C,D和E)和检测机理(F和G)示意图[22]

2.5 光电化学生物传感器在其他类农药分子中的检测

其他农药像链霉素,也常施用于谷物、蔬菜等,容易引起农产品农药残留问题。Okoth等人[23]制备Mo掺杂BiVO4(Mo-BiVO4)与石墨烯纳米复合材料作为光活性材料,构建了可见光驱动的光电化学生物传感器(图5)。光电化学检测结果表明,在Mo-BiVO4中加入适量石墨烯,电荷转移速率提高,可见光吸收增强,大大促进了光电流响应。此外,纳米复合材料中的石墨烯通过-叠加作用在链霉素适配体的固定过程中发挥了关键作用。在没有链霉素的情况下,由于适配体的位阻作用,光电化学适配体表现出较弱的光响应。在链霉素与适配体特异性相互作用后,该传感器对链霉素的光电流响应增强,这是由于光产生的空穴对链霉素分子的氧化作用。在最优条件下,所制备的光电化学适配体传感器对链霉素在0.1～100 nmol/L浓度范围内呈现线性光电流响应,检测限为0.048 1 nmol/L。Liu等人[24]基于界面工程理论构建了一种新的直接Z型CdTe量子点(QDs)和WO3纳米片的异质结构,用于链霉素的光电化学适配体传感检测。为了制备具有较大有效面积的固-固界面,采用(3-氨基丙基)三乙氧基盐(APTES)对WO3进行表面改性,通过静电相互作用均匀吸收带负电荷的CdTe量子点。合成的CdTe/APTES-WO3异质结构具有比CdTe量子点放大2.5倍的光电化学响应。在这种异质结构中,证实了光诱导的Z-Scheme电子转移机理。利用其优越的光电化学特性,构建了一种用于链霉素检测的高性能光电化学适配体传感器。该传感器在1.0 nmol/L～0.1 mol/L范围内具有良好的线性响应,检出限为0.33 nmol/L。此外,该光电化学适配体传感器用于辣椒叶片的链霉素分析,回收率为90%。

图5 基于G/Mo-BiVO4修饰电极的光电化学适配体传感器检测链霉素示意图[23]

3 总结与展望

光电化学生物传感技术在农药残留检测方面已经展现出显著优势,如背景信号低、灵敏度高、检测快速等。然而,进一步实现农药残留的现场分析,需要简化光电化学传感装置,主要包括作为光源的实验室用氙灯和信号转换装置的电化学工作站。目前简化光源的方式主要是有两种,一是利用化学反应产生发光;二是利用太阳光。通过设计材料体系获得化学反应发光作为激发光源的光电化学传感体系已有报道[25],但是针对农药分子的检测应用还没有报道,因此发光分子与农药分子间的作用机理需要进一步的实验探究。太阳光驱动作为光源激发的光电化学传感体系是现场检测的发展趋势[26],解决受天气、时间等影响的太阳光照强度变化,是值得关注的问题。此外,通过界面工程理论调控光电活性材料的能级配置,设计制备具有光伏效应的光电复合材料,利用光电压驱动产生电流信号,以微型万用表替代电化学工作站[27],进一步地简化光电化学传感装置,推动光电化学生物传感技术在农药残留现场检测分析的研究进程。