光学生物传感器在有机磷农药检测中的应用.pdf

现代食品XIANDAISHIPIN110/食品科技Food Science and Technologydoi:10.16736/41-1434/ts.2023.13.027光学生物传感器在有机磷农药检测中的应用Application of Optical Biosensors in Organophosphorus Pesticide Detection 李佳洁，沈俊毅，贾敏（上海市虹口区疾病预防控制中心，上海 200082）LI Jiajie,SHEN Junyi,JIA Min(Hongkou District Center for Disease Control and Prevention,Shanghai 200082,China)摘要：有机磷农药（Organophosphorus Pesticides，OPPs）作为一类高效广谱杀虫剂，能有效地保护农作物免受害虫侵害，增加作物产量，但其过量和不合理使用对生态安全和人体健康具有严重的危害。光学生物传感器因具有灵敏、快速、便携、成本低廉和环境友好等优点而受到越来越多研究人员的关注。本文主要对光学生物传感器检测有机磷农药的传感原理、分析条件及检测限进行了综述。关键词：有机磷农药；光学生物传感器；应用Abstract：Organophosphorus pesticides(OPPs),as a class of highly efficient broad-spectrum pesticides,can effectively protect crops from pests and increase crop yield,but their excessive and irrational use has serious harm to ecological security and human health.Optical biosensors have attracted a lot of attention because of their unique and intriguing features,such as sensitivity,rapid,portability,low-cost and environmental-friendly.In this review,a detailed discussion was conducted on the principles,analytical conditions and properties of optical biosensors.Keywords：organophosphorus pesticides;optical biosensors;application中图分类号：TP212有机磷农药（Organophosphorus Pesticides，OPPs）是农业生产领域使用最广泛的杀虫剂，主要通过抑制昆虫神经系统中乙酰胆碱酯（Acetylcholinesterase，AChE）的活性，造成乙酰胆碱在突触间隙积累，过度刺激昆虫神经系统，导致昆虫瘫痪、痉挛或死亡1。然而，有机磷农药的使用虽能有效提高农作物的产量，但过量使用会对农产品质量安全、人畜安全和生态环境安全带来严峻挑战2。光谱法3-4、色谱法5-6、酶联免疫分析法7-8、生物传感器9是当前有机磷农药残留检测的常用手段。然而，传统大型精密仪器检测技术虽然在痕量分析方面具有较高的灵敏度和稳定性，但仪器设备复杂昂贵、样品前处理步骤烦琐耗时，并且需要专业的实验操作人员，仅能满足实验室分析检测需求，难以实现农药残留的现场快速检测。而基于单克隆抗体的酶联免疫分析法虽然具有较高的特异性和选择性，但其在实际复杂基质样品中的适用性和精准度仍需进一步提升。近年来，生物传感器凭借操作简单、选择性好、灵敏度高等优势被认为是最具有前景的农药快速检测平台。其中，光学传感器得到了快速发展10。因此，基金项目：2021 上海市创新项目（SCDC-2021-08）。作者简介：李佳洁（1994），女，硕士，技师，研究方向为食品风险评估和卫生生化监测。通信作者：贾敏（1994），男，硕士，技师，研究方向为食品风险评估和卫生生化监测。E-mail：874360163 。现代食品XIANDAISHIPIN111/食品科技FoodScienceandTechnology本文主要对用于有机磷农药检测的光学生物传感器包括荧光、比色、表面增强拉曼散射（Surface-Enhanced Raman Scattering，SERS）、表面等离子体共振（Surface plasma resonance，SPR）等的传感原理、分析条件及其各自的检测限进行了综述。1 有机磷农药传感器1.1 荧光生物传感器荧光检测是指以荧光基团的荧光强度变化为检测信号进行定性或定量测定待检靶标的方法。根据荧光探针荧光强度的不同变化，传感器可分为猝灭型（On-Off 型）、增敏型（Off-On 型）和比率型。OPPs 残留荧光传感器是主要基于荧光共振能量转移原理而研究开发的。为了提高检测灵敏度、特异性和化学稳定性，研究人员结合荧光信号放大策略和合成受体（如适体、分子印迹聚合物）开发高灵敏农药传感器。KIM 等11以 AChE 和量子点为荧光探针，利用聚乙二醇水凝胶微阵列制备了一个基于酶的微型荧光生物传感器。研究基于金属增强荧光策略（Metal Enhanced Fluorescence，MEF）将量子点修饰到涂覆有二氧化硅的银纳米颗粒（Ag Silica）表面，使荧光强度提高了 5 倍。结果表明 MEF 显著增强了对氧磷的检测，在有无 MEF 的情况下，检测限分别为 1.010-10 molL-1和 2.010-7 molL-1。LIU 等12利用三螺旋分子开关（Triple-Helix Molecular Switch，THMS）开发了一个基于适体的有机磷荧光传感平台。THMS 由两个定制的 DNA 探针组成，即一个无标记的中心靶区特异性适体序列，两侧有两个臂段作为识别探针；一个发夹状结构的寡核苷酸作为信号转导探针，分别在 3 端和5 端用荧光和猝灭剂标记。该传感器的检测线性范围为 100 1 200 nmolL-1，检测限低至 9.12 nmolL-1。1.2 表面增强拉曼散射生物传感器表面增强拉曼散射（Surface Enhanced Raman Scat-tering，SERS）生物传感器是从普通的拉曼散射生物传感器发展而来的，是指当一些分子吸附到 Au 或 Ag表面，拉曼信号极大增强的现象。目前，SERS 凭借高灵敏度、快速无损等优势在农药残留多组分检测中具有广阔的应用前景，研究人员结合纳米材料和核酸适配体开发了灵敏度高且选择性好的 SERS 传感平台。WANG 等13受壁虎启发，通过在 3D-PDMS 纳米触手阵列上沉积银纳米粒子获得了具有柔性和优异SERS 活性的“壁虎式纳米触须”SERS 平台，并通过简单直观的“press and peeled-off”方法成功对黄瓜、苹果和葡萄表面的甲基对硫磷等多组分农药实现了微阵列采样、原位富集和多组分农药残留快速检测。LI 等14基于还原型氧化石墨烯修饰的丝网印刷电极结合电动势捕获（Electrokinetic Trapping，EKT）开发了一种可同时定量几种带电农药的 SERS 平台。该EKT-SERS 传感平台仅需微升体积样品就可达到亚纳摩尔级别的检测限，具有良好的重现性和长期稳定性。1.3 表面等离子体共振和化学发光生物传感器表面等离子体共振（Surface Plasmon Resonance，SPR）是一种物理光学现象。SPR 生物传感器具有灵敏度高、无需标记、成本低廉、可实时监测等优点，已广泛应用于各种化学物质的检测中。YAO等15利用磁性印迹 Fe3O4 聚多巴胺纳米粒（Fe3O4PDA-NP）识别系统开发了增强毒死蜱响应灵敏度的 SPR 传感器。该生物传感器具有优异的灵敏度、选择性和稳定性，在 0.001 10.000 molL-1，SPR角位移与毒死蜱浓度呈良好的线性关系，检测限为 0.76 nmolL-1。OUYANG 等16通过杂交细胞混合策略开发了可同时结合甲基对硫磷（Parathion-Methyl，PM）和吡虫啉的新型双特异性单克隆抗体，并以其为识别元件设计开发了二者的多组分免疫化学发光（Chemiluminiscence，CL）生物传感器。实验通过添加 CL 共活化剂同时触发两个 CL 反应，分别在0.6 s 和 1 000 s 收集甲基对硫磷和吡虫啉检测信号，二者的线性范围均为 1.0 500.0 ngmL-1，检出限为 0.33 ngmL-1（S/N=3），在人参和西洋参中的加标农药检测中，回收率为 80%118%。该工作成功验证了仅使用一种抗体进行多组分免疫分析的可行性。1.4 比色生物传感器比色生物传感器检测主要依据朗伯-比尔定律，根据反应前后颜色和吸收强度的变化对样品中的待测物进行定性或定量检测。比色法由于操作简便、成本低、结果可视化等优点成为 OPPs 速测传感器开发的重要策略。如表 1 所示，基于比色法检测不同 OPPs的生物传感器被广泛研究与报道。QIAN 等17基于乙酰胆碱酯酶和过氧化氢敏感指示剂设计了一种有机磷农药比色传感器，该传感器通过 OPPs 对乙酰胆碱酯酶进行抑制作用，阻止 S-乙酰硫胆碱和乙酰胆碱分别形成硫胆碱和过氧化氢，进而导致指示剂的颜色反现代食品XIANDAISHIPIN112/食品科技Food Science and Technology应降低或变暗。该传感器具有选择性好、灵敏度高、抗干扰能力强等优点，能够同时检测毒死蜱、乐果、三唑磷、甲胺磷和辛硫磷多种有机磷农药。GUO 等18利用多酶级联反应体系结合碘-淀粉显色反应，设计了一种用于对氧磷定性分析的新型比色生物传感器。该传感器利用 AChE 和 ChO 酶催化生成过氧化氢。过氧化氢在辣根过氧化物酶存在下与碘化钾反应产生碘，碘遇淀粉变蓝色。而当对氧磷存在时，对氧磷抑制 AChE 酶，阻止了过氧化氢的产生，进而抑制了蓝色减弱或消失，该传感器的检测限为 4.7 ppb。LUO等19报道了一种基于血红素过氧化物酶催化活性的比色传感器，该酶活性受寡核苷酸和杀虫剂的调节，可用于检测蔬菜样品中的水胺硫磷，该传感器的检测限 为 0.6 gL-1。表 1比色生物传感器检测有机磷农药表农药检测限应用参考文献毒死蜱4.610-8 gL-1苹果汁、绿茶17三唑磷3.010-8 gL-1水胺硫磷0.6 gL-1蔬菜19乐果0.5 mgkg-1果蔬20甲拌磷0.01 nmolL-1苹果汁21马拉松60 ngmL自来水22对硫磷0.025 nmolL-123毒死蜱10 ppb水、土壤和蔬菜24对氧磷10 ppb25对硫磷32.0 ngmL-1苹果汁、自来水、大米26西维因29.0 ngmL-1马拉松22.0 ngmL-1对氧磷17.0 ngmL-1毒死蜱36.0 ngmL-1二嗪农45.0 ngmL-1注：“”代表无提及。2 结语与展望本文主要综述了近年来用于检测有机磷农药的光学生物传感器。尽管相较于传统的检测方法，光学传感器凭借检测快速、反应灵敏和用户友好等明显优势为有机磷农药快速检测的技术创新和实际应用提供了众多思路。但是，目前仍存在以下两方面亟待解决的问题。在技术革新方面，用于构建光学生物传感器的敏感元件如酶、纳米材料、核酸适配体的稳定性、特异性、重复性以及表面改性研究等方面需进一步探索，在提高传感性能的同时尽可能降低检测成本。在实际应用方面，由于有机磷农药种类繁多且实际农产品或土壤等生态样品复杂，因此不仅需要不断简化样品的前处理过程，降低背景干扰，不断提高检测方法的特异性、准确性和便捷性，还应尽可能将多种检测技术相互结合、优势互补，努力开发出一系列成熟稳定、实用性强的新型多元化生物传感器，以实现复杂样品中多种农药残留的现场实时、同步监测。参考文献1FUKUTO T R.Mechanism of action of organophosphorus and carbamate insecticides J.Environ Health Perspect，1990，87：245-254.2XIONG S，DENG Y，ZHOU Y，et al.Current progress in biosensors for organophosphorus pesticides based on enzyme functionalized nanostructures：a reviewJ.Analytical Methods，2018，10（46）：5468-5479.3 蒋淑英.基于高光谱图像信息的桑叶农残精确定量无损检测与可视化分析 D.镇江：江苏大学，2016.4 孙俊，金夏明，毛罕平，等.基于有监督特征提取的生菜叶片农药残留浓度高光谱鉴别研究 J.江苏农业科学，2014，42（5）：227-229.5 许泓，林安清，古珑，等.果蔬中 107 种残留农药的气相色谱-质谱检测方法 J.分析测试学报，2004，23（3）：34-38.6 H A R S H I T D，C H A R M Y K，N R U P E S H P.Organophosphorus pesticides determination by novel HPLC and spectrophotometric 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