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電化學(xué)生物傳感器在有機(jī)磷農(nóng)藥分析中的應(yīng)用

文檔作者：梁剛，滿燕，賈文坤，潘立剛文檔來(lái)源：北京農(nóng)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與檢測(cè)技術(shù)研究中心農(nóng)業(yè)部農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估實(shí)驗(yàn)室(北京)，農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境監(jiān)測(cè)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2025年06月08日
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上一篇：分子印跡技術(shù)在農(nóng)藥殘留檢測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)展

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第7卷第2期
2016年2月
食品安全質(zhì)量檢測(cè)學(xué)報(bào)
Journal of Food Safety and Quality
Vbl_7 No．2
Feb．，2016
電化學(xué)生物傳感器在有機(jī)磷農(nóng)藥分析中的應(yīng)用
梁剛，滿燕，賈文坤，潘立剛+
(北京農(nóng)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與檢測(cè)技術(shù)研究中心，農(nóng)業(yè)部農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估實(shí)驗(yàn)室(北京)，
農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境監(jiān)測(cè)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100097)
摘要：農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中有機(jī)磷農(nóng)藥的大量使用導(dǎo)致農(nóng)產(chǎn)品中農(nóng)藥殘留問(wèn)題，對(duì)人類健康產(chǎn)生了嚴(yán)重的危害。因此，
建立快速、靈敏的有機(jī)磷農(nóng)藥殘留分析方法，具有重要的研究意義。近年來(lái)，電化學(xué)生物傳感器因具有靈敏性
高、選擇性好、制備成本低、操作簡(jiǎn)單、攜帶方便、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛用于農(nóng)藥殘留分析，成為食品
安全快速檢測(cè)技術(shù)重要的發(fā)展方向之一。本文主要綜述了目前國(guó)內(nèi)外檢測(cè)有機(jī)磷農(nóng)藥的電化學(xué)生物傳感方法。
簡(jiǎn)要介紹了生物傳感器的概念、檢測(cè)原理，重點(diǎn)討論了電化學(xué)酶生物傳感器(乙酰膽堿酯酶、丁酰膽堿酯酶、
磷酸水解酶)及電化學(xué)免疫生物傳感器在檢測(cè)有機(jī)磷農(nóng)藥分析中的應(yīng)用，并對(duì)各類傳感器的檢測(cè)原理、最新進(jìn)
展及存在的優(yōu)、缺點(diǎn)進(jìn)行了闡述，最后對(duì)電化學(xué)生物傳感器存在問(wèn)題的解決途徑及未來(lái)發(fā)展方向進(jìn)行了展望。
關(guān)鍵詞：電化學(xué)；酶生物傳感器；免疫生物傳感器：有機(jī)磷農(nóng)藥
Application of electrochemical biosensors for the detection of
organophosphorus pesticide
LIANG Gang，MAN Yan，JIA Wen-Shen，PAN Li—Gang‘
(Beijing Research Cen把rfor Agricultural Standards and Testing，Risk Assessment Labfor Agro-products(Beijing)，
Ministry ofAgriculture，Beijing Municipal Key Laboratory ofAgriculture Environment Monitoring，Beijing 1 00097，
China)
ABSTRACT：The excessive use of organophosphorus pesticide(OPs)in the process of agricultural production
resulted in OPs residues in the agricultural products，which had been found to seriously threaten human health．Hence，
it is of great significance to establish rapid and sensitive methods for analysis of OPs residues．In recent years，
electrochemical biosensors have been widely used in the detection of OPs residues with the merits of high sensitivity,
selectivity,low—cost，easy operation，portability and excellent capacity of resisting disturbance，and they are
considered as an important development trend of rapid detection technology for food safety．This paper focused on
the current development of electrochemical biosensing methods for OPs residues detection at home and abroad．This
article briefly introduced the concept，working principle of the biosensor,and then highlighted the applications of
electrochemical enzyme biosensors(acetylcholine esterase，butyrylcholine esterase and organophosphorus hydrolase)
and electrochemical immuno biosensors in analyzing the OPs as well as the sensing mechanism，recent progresses，
the merits and demerits of the individual biosensor．Finally,the potential resolutions to the existing problems and the
基金項(xiàng)目：北京農(nóng)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與檢測(cè)技術(shù)研究中心開(kāi)放課題(ZBZXKFKT201511)、北京市留學(xué)人員科技活動(dòng)擇優(yōu)資助項(xiàng)目
Fund：Supported by the Open Project of Beijing Research Center for Agricultural Standards and Testing(ZBZXKFKT20 1 5 1 1)and
Technology Foundation for Selected Overseas Chinese Scholar of Beijing City
+通訊作者：潘立剛，研究員，博士，主要研究方向?yàn)檗r(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全。E．mail：panlg@nercita．org．cn
+Corresponding author：PAN Li-Gang,Professor,Ph。D Beijing Research Center for Agricultural Standards and Testing，Beijing Academy of
Agriculture and Forestry Science，Haidian District,Shuguang Garden Middle Road，No．9，Beijing 100097，China．E—mail：panlg@nereita．org．crl
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
434 食品安全質(zhì)量檢測(cè)學(xué)報(bào)第7卷
future development of the electrochemical biosensor were prospected．
KEY WORDS：electrochemistry；immuno biosensor；enzyme biosensor；organophosphorus pesticide
1 引言
隨著貿(mào)易全球化的發(fā)展，我國(guó)國(guó)際農(nóng)產(chǎn)品貿(mào)易的范
圍、規(guī)模越來(lái)越大，農(nóng)產(chǎn)品安全問(wèn)題在國(guó)際農(nóng)產(chǎn)品貿(mào)易中
的地位越來(lái)越凸顯重要。農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全問(wèn)題主要是在農(nóng)
產(chǎn)品生產(chǎn)、加工、貯運(yùn)過(guò)程中產(chǎn)生的危害人體健康的有毒
生物、化學(xué)及物理性物質(zhì)，包括農(nóng)藥殘留、獸藥殘留、重
金屬、致病菌、產(chǎn)生的毒素、輻射污染和轉(zhuǎn)基因食品等。
農(nóng)殘問(wèn)題主要是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中農(nóng)藥的大量、長(zhǎng)期、
廣泛使用導(dǎo)致的農(nóng)藥殘留超標(biāo)問(wèn)題。其中，有機(jī)磷農(nóng)藥因具
有環(huán)境殘留期短、價(jià)格低廉、藥效高、殺蟲(chóng)譜廣等優(yōu)點(diǎn)，是
目前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中使用最多的農(nóng)藥【lj】，因而其大量使用嚴(yán)
重危害生態(tài)環(huán)境。殘留于環(huán)境體系的有機(jī)磷農(nóng)藥可以通過(guò)
多種途徑進(jìn)入人體，導(dǎo)致急性中毒，甚至造成大量個(gè)體死
亡【4‘7J，因此格外引人關(guān)注。到目前為止，傳統(tǒng)的儀器分析
方法如氣相色譜法、高效液相色譜法、色譜．質(zhì)譜聯(lián)用法【8。0】
等仍然是農(nóng)藥殘留檢測(cè)和定量分析的“金標(biāo)準(zhǔn)”。但儀器分
析法存在著儀器設(shè)備昂貴、檢測(cè)成本高、前處理時(shí)間較長(zhǎng)
及過(guò)程煩瑣、需專門技術(shù)人員操作、不能實(shí)現(xiàn)在線、野外
現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)等不足之處[11,12]，而且農(nóng)殘常規(guī)檢測(cè)中的提取、
凈化、濃縮及檢測(cè)等過(guò)程，每一操作步驟所用的實(shí)驗(yàn)方法、
人員技術(shù)熟練程度、硬件設(shè)施乃至整體管理水平等多方面
因素都會(huì)對(duì)測(cè)定結(jié)果產(chǎn)生較大影響。
近年來(lái)，隨著科技水平的發(fā)展，在農(nóng)產(chǎn)品分析領(lǐng)域涌
現(xiàn)了許多新的檢測(cè)平臺(tái)，電化學(xué)生物傳感技術(shù)就是其中之
一。電化學(xué)生物傳感器具有快速、簡(jiǎn)單、廉價(jià)、靈敏性高、
抗干擾性強(qiáng)、易于攜帶及微型化等優(yōu)點(diǎn)【13?！盷，使得其在農(nóng)
藥殘留分析中發(fā)揮了重要作用，具有巨大的應(yīng)用潛力和良
好的發(fā)展前景。隨著電化學(xué)生物傳感器的不斷發(fā)展、改進(jìn)
和完善，電化學(xué)生物傳感器的檢測(cè)對(duì)象越來(lái)越廣，檢測(cè)功
能越來(lái)越強(qiáng)，檢測(cè)性能也越來(lái)越好，成為農(nóng)產(chǎn)品安全快速
檢測(cè)技術(shù)重要發(fā)展方向之一[16,171。
本文介紹電化學(xué)酶和電化學(xué)免疫兩種生物傳感器
在有機(jī)磷農(nóng)藥分析中的應(yīng)用，重點(diǎn)闡述電化學(xué)酶生物傳
感器在有機(jī)磷農(nóng)藥分析中的研究進(jìn)展，并對(duì)其發(fā)展方向
進(jìn)行展望。
2生物傳感器概述
2．1生物傳感器的概念及檢測(cè)原理
生物傳感器是一種以固定化的生物成分(酶、蛋白
質(zhì)、DNA、抗體、抗原、生物膜等)或生物體本身(細(xì)胞、
微生物、組織等)作為識(shí)別元件，與適當(dāng)?shù)奈锢?、化學(xué)轉(zhuǎn)
換器相結(jié)合，將樣品中被測(cè)物的濃度轉(zhuǎn)化成數(shù)字化可測(cè)
量的物理、化學(xué)信號(hào)的分析檢測(cè)裝置[博】。其工作原理是
待測(cè)物質(zhì)經(jīng)擴(kuò)散作用接近生物膜敏感層，被識(shí)別分子捕
獲而發(fā)生一定生物、物理、化學(xué)作用，從而引起一定的信
號(hào)變化，經(jīng)儀器測(cè)定以相應(yīng)信號(hào)輸出，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)
分子的檢測(cè)。
2．2生物傳感器的分類
根據(jù)生物傳感器的概念其主要包括特異性、選擇性識(shí)
別目標(biāo)待測(cè)物的生物敏感元件和信號(hào)轉(zhuǎn)換元件兩部分
【191。因此，生物傳感器根據(jù)分類標(biāo)準(zhǔn)不同分為多種類型【201，
如根據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換方式不同可以分為電化學(xué)生物傳感器、光
學(xué)生物傳感器、場(chǎng)效應(yīng)晶體管生物傳感器、壓電生物傳感
器、熱生物傳感器以及磁生物傳感器；根據(jù)敏感元件不同
可以分為DNA傳感器、酶?jìng)鞲衅?、免疫傳感器、微生?
傳感器、細(xì)胞傳感器、組織傳感器以及分子印跡生物傳感
器等：根據(jù)輸出信號(hào)方式不同可以分為生物親合型生物傳
感器、代謝型、催化型生物傳感器。
3電化學(xué)生物傳感器在有機(jī)磷農(nóng)藥分析中的應(yīng)用
電化學(xué)生物傳感器是以酶、抗原／抗體、DNA等生物
物質(zhì)為分子識(shí)別元件并與電化學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換器(電極)相結(jié)合，
將與目標(biāo)物作用的生物學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換成可識(shí)別電信號(hào)的傳感
裝置【2¨。電化學(xué)生物傳感器技術(shù)具有分析速度快、準(zhǔn)確性
好、選擇性高、靈敏性和特異性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，且具有易于攜
帶、操作簡(jiǎn)單、儀器價(jià)格便宜、精度高、試樣需要量少、
對(duì)樣品的損傷程度低、環(huán)境污染小以及易于批量生產(chǎn)等特
點(diǎn)【22-24]，因此電化學(xué)生物傳感器引起了科研工作者極大的
興趣，被廣泛用于分析檢測(cè)領(lǐng)域。
電化學(xué)生物傳感器是目前常用的有機(jī)磷農(nóng)藥分析手
段。主要包括電化學(xué)酶生物傳感器和電化學(xué)免疫生物傳感
器。其中電化學(xué)酶生物傳感器既具有對(duì)底物的高度選擇性
特征，又具有電化學(xué)電極的高靈敏度的優(yōu)點(diǎn)，主要有兩種
類型：電化學(xué)抑制型酶?jìng)鞲衅骱碗娀瘜W(xué)水解型酶?jìng)鞲衅鳎?
采用的分別是膽酰酯酶(乙酰膽堿酯酶、丁酰膽堿酯酶)和
有機(jī)磷水解酶。本文將重點(diǎn)闡述電化學(xué)酶生物傳感器和電
化學(xué)免疫傳感器在檢測(cè)有機(jī)磷農(nóng)藥方面的應(yīng)用研究。
3．1 電化學(xué)乙酰膽堿酯酶生物傳感器對(duì)有機(jī)磷農(nóng)藥
分析檢測(cè)
電化學(xué)乙酰膽堿酯酶生物傳感器檢測(cè)有機(jī)磷農(nóng)藥
的原理主要是基于有機(jī)磷農(nóng)藥對(duì)乙酰膽堿酯酶的抑制
作用‘2 51。
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
第2期梁剛，等：電化學(xué)生物傳感器在有機(jī)磷農(nóng)藥分析中的應(yīng)用435
最初人們只是將膽堿酯酶直接固載于電極表面用于
有機(jī)磷農(nóng)藥的分析，如Albareda．Sirvent等【26】將乙酰膽堿
酯酶固定在銅絲碳糊電極表面，對(duì)對(duì)氧磷進(jìn)行了分析檢測(cè)，
檢測(cè)限為0．1 nmol／L。該課題組將此酶?jìng)鞲衅饔糜诠瓨?
品分析，對(duì)氧磷回收率接近于100％，證明該酶?jìng)鞲衅骺?
用于實(shí)際樣品中對(duì)氧磷的分析。隨著生物傳感技術(shù)和納米
技術(shù)的發(fā)展，科研工作者將納米材料、量子點(diǎn)等用于生物
傳感領(lǐng)域，大大提高了傳感器的靈敏度。Liu等【27】采用電沉
積法制備納米Zr02修飾的金電極，基于Zr02對(duì)磷酸基團(tuán)
的強(qiáng)吸附作用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)甲基對(duì)硫磷的高靈敏檢測(cè)，檢測(cè)
限達(dá)到了3．8×10一mol／L，該方法有望用于實(shí)際樣品中甲基
對(duì)硫磷的分析。此后該課題組將碳納米管(CNTl修飾于
玻碳電極(GCE)表面，制備了“三明治”型“PPDA／乙酰膽
堿酯酶／PDDA／CNT／GCE”傳感界面，基于碳納米管的良好
的導(dǎo)電性實(shí)現(xiàn)了對(duì)氧磷的高靈敏、快速檢測(cè)，檢測(cè)限達(dá)到
了4．0×10。13 mol／L。此外，該傳感器亦實(shí)現(xiàn)了乙酰膽堿酯酶
活性的再生，從而可以實(shí)現(xiàn)對(duì)氧磷的多次檢測(cè)‘281。Du掣29】
制備了CdTe量子點(diǎn)／金納米粒子／殼聚糖修飾玻碳電極傳感
界面，基于量子點(diǎn)和納米金較好的導(dǎo)電特性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)久
效磷農(nóng)藥的高靈敏檢測(cè)，檢測(cè)限為1_3×10一mol／L。Wang
課題組【3 0】將金納米粒子、還原石墨烯復(fù)合材料修飾于電極
表面，制備了乙酰膽堿酯酶／金納米粒子／還原石墨烯修飾
的傳感界面，基于金納米粒子和還原石墨烯的雙重電信號(hào)
放大作用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)氧磷農(nóng)藥的高靈敏檢測(cè)，檢測(cè)限達(dá)到
了1×10一Bmol／L。
Song等[3H采用乙酰膽堿酯酶／普魯士藍(lán)．殼聚糖復(fù)合
物(PB—CHI)修飾的玻碳電極實(shí)現(xiàn)了對(duì)氨基甲酸酯類農(nóng)藥
的檢測(cè)。電極表面納米尺度的普魯士藍(lán)對(duì)硫代膽堿(硫代乙
酰膽酶在乙酰膽堿酯酶作用下的水解產(chǎn)物)具有較強(qiáng)的電催
化活性，當(dāng)氨基甲酸甲酯農(nóng)藥存在時(shí)，酶活性受到抑制，電
流信號(hào)強(qiáng)度下降，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)氨基甲酸甲酯農(nóng)藥的高靈敏、
快速檢測(cè)。Wang等【2]制備了鈀納米線．氮摻雜石墨烯復(fù)合材料
修飾的玻碳電極，并將乙酰膽堿酯酶固載于上述電極表面，
當(dāng)酶底物硫代乙酰膽堿水解后，其水解產(chǎn)物硫代膽堿的在電
極表面氧化產(chǎn)生電流，基于電流強(qiáng)度的變化實(shí)現(xiàn)了乙基對(duì)氧
磷的檢測(cè)，檢測(cè)限1．3×10一mol／L，該方法成功用于實(shí)際白菜
樣品乙基對(duì)氧磷的分析，檢測(cè)量4×10’9mol／L。
需要指出的是，乙酰膽堿酯酶生物傳感器在檢測(cè)過(guò)
程中容易受到某些重金屬離子如Fe、Pb、Cu、Zn等的干
擾【321，對(duì)測(cè)定結(jié)果產(chǎn)生較大的影響。Stein課題組㈨研究發(fā)
現(xiàn)，牛血清白蛋白與酶共孵育后得到的敏感膜可有效地消
除上述重金屬離子的干擾，因此在制備傳感界面的過(guò)程中，
可采用該方法處理傳感膜從而可以使檢測(cè)結(jié)果更加準(zhǔn)確。
3．2 電化學(xué)丁酰膽堿酯酶生物傳感器對(duì)有機(jī)磷農(nóng)藥
分析檢測(cè)
電化學(xué)丁酰膽堿酯酶生物傳感器檢測(cè)有機(jī)磷農(nóng)藥的
原理與乙酰膽堿酯酶?jìng)鞲衅鞯臋z測(cè)原理相同，也是基于有
機(jī)磷農(nóng)藥對(duì)丁酰膽堿酯酶活性的抑制作用。研究表明，丁
酰膽堿酯酶比乙酰膽堿酯酶的穩(wěn)定性要高，但是科研工作
者多是采用乙酰膽堿酯酶生物傳感器用于有機(jī)磷農(nóng)藥的分
析檢測(cè)，這主要是因?yàn)閷?duì)于大部分有機(jī)磷農(nóng)藥來(lái)說(shuō)，丁酰
膽堿酯酶?jìng)鞲衅鳈z測(cè)的靈敏度相對(duì)較差【341。一些國(guó)內(nèi)外課
題組亦制備了丁酰膽堿酯酶?jìng)鞲衅饔糜谟袡C(jī)磷農(nóng)藥的分
析。如Campanella掣35】將丁酰膽堿酯酶及膽堿氧化酶同時(shí)
固載于滲透膜修飾的克拉克氧電極表面，并成功用于有機(jī)
磷農(nóng)藥的分析。李生發(fā)課題組【36】制備了硫代丁酰膽堿酯酶
修飾的銀基汞膜電極傳感器對(duì)有機(jī)磷農(nóng)藥進(jìn)行了檢測(cè)，基
于硫代丁酰膽堿在．0．55 V氧化電流的信號(hào)變化實(shí)現(xiàn)了對(duì)
敵百蟲(chóng)、對(duì)硫磷、辛硫磷及亞胺硫磷等有機(jī)磷農(nóng)藥的靈敏
檢測(cè)。Kumaran等【37]將丁酰膽堿酯酶吸附在預(yù)先活化了的
尼龍一聚酰胺膜上，并用尼龍網(wǎng)將載酶的膜片固定在pH
電極表面，并用于測(cè)定土壤中有機(jī)磷農(nóng)藥乙基對(duì)硫磷和速
滅磷，測(cè)定檢出限分別為1．3×10巧mol／L和6．2×10～mol／L。
Imato課題組【38】制備了丁酰膽堿酯酶固載的PVC膜傳感界
面，并對(duì)有機(jī)磷農(nóng)藥多蟲(chóng)磷進(jìn)行了分析，檢測(cè)限達(dá)到亞微
摩爾級(jí)。Arduini掣39】對(duì)電極材料進(jìn)行了改進(jìn)，將電活性物
質(zhì)普魯士藍(lán)修飾于絲網(wǎng)印刷碳電極表面，后將丁酰膽堿酯
酶固載于上述傳感界面，以硫代丁酰膽堿為酶底物，實(shí)現(xiàn)
了對(duì)有機(jī)磷農(nóng)藥對(duì)氧磷、甲基毒死蜱的檢測(cè)，檢測(cè)限分別
為1．45x10一moVL、3．1×10一molFL。該傳感器亦應(yīng)用于廢
水及河水中有機(jī)磷農(nóng)藥的分析，回收率107％～113％。
3．3 電化學(xué)磷酸水解酶生物傳感器對(duì)有機(jī)磷農(nóng)藥分
析檢測(cè)
有機(jī)磷農(nóng)藥是磷酸酯類化合物，在磷酸水解酶
(phosphohydrolase，OPH)的作用下可以發(fā)生水解作用。研
究發(fā)現(xiàn)對(duì)氧磷及甲基對(duì)氧磷等農(nóng)藥水解后生成對(duì)硝基苯酚，
而對(duì)硝基苯酚在電極表面氧化時(shí)產(chǎn)生電化學(xué)信號(hào)，且電流
信號(hào)大小與對(duì)硝基苯酚的濃度成正比，根據(jù)對(duì)硝基苯酚與
有機(jī)磷農(nóng)藥的關(guān)系便可確定待測(cè)溶液中有機(jī)磷農(nóng)藥的含量
【401。因此，磷酸水解酶?jìng)鞲衅髋c酶抑制傳感器相比選擇性
較好，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)硫磷、對(duì)氧磷類有機(jī)磷農(nóng)藥的檢測(cè)。
Mulchandani課題組【41】制備了OPH．Nation膜修飾的
絲網(wǎng)印刷碳電極，當(dāng)對(duì)氧磷、甲基對(duì)氧磷農(nóng)藥在OPH作用
下水解生成對(duì)硝基苯酚后，對(duì)硝基苯酚在電極界面被氧化，
根據(jù)其氧化電流信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)氧磷及甲基對(duì)氧磷農(nóng)藥的高靈
敏檢測(cè)，檢測(cè)限達(dá)到了10一mol／L，該傳感器亦成功應(yīng)用于
河水中有機(jī)磷農(nóng)藥的分析。Lee課題組【42】對(duì)電極材料進(jìn)行
了改進(jìn)，將多孑L碳(MC)．炭黑(CB)修飾到玻碳電極表面，
制備了OPH／(MC—Cn)／OC傳感界面，并成功用于對(duì)氧磷農(nóng)
藥的檢測(cè)，結(jié)果表明MC．CB材料用于電極界面的改進(jìn)，要
比其他碳材料如碳納米管等的性能要好，檢測(cè)限達(dá)到了
O．12x 10一moVL。Zhao課題組【43】制備了納米金包覆的磁性
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
436 食品安全質(zhì)量檢測(cè)學(xué)報(bào)第7卷
Fe304顆粒，然后將磷酸水解酶負(fù)載到金膜表面，并通過(guò)磁
場(chǎng)效應(yīng)將上述水解酶包覆的磁性傳感顆粒固定于絲網(wǎng)印刷
碳電極表面。當(dāng)存在甲基對(duì)硫磷農(nóng)藥時(shí)，其水解產(chǎn)物對(duì)硝
基苯酚可以在電極表面發(fā)生氧化，根據(jù)其氧化產(chǎn)生電流信
號(hào)的變化從而實(shí)現(xiàn)了甲基對(duì)硫磷的高靈敏、選擇性檢測(cè)，
檢測(cè)限達(dá)到3．8x 10。10 mol／L。與酶抑制傳感器相比，此類傳
感器因水解酶活性不受農(nóng)藥的影響，故可以重復(fù)多次使用，
從而降低了檢測(cè)的成本和效率。研究發(fā)現(xiàn)，一些不適用于
單一磷酸水解酶修飾傳感界面檢測(cè)的有機(jī)磷農(nóng)藥可以通過(guò)
修飾多酶?jìng)鞲薪缑娴耐緩浇鉀Q。Sahin等?】研究發(fā)現(xiàn)除線
磷在單一磷酸水解酶修飾傳感界面無(wú)電化學(xué)響應(yīng)信號(hào)，而
在磷酸水解酶／辣根過(guò)氧化物酶(OPI-I／HRP)雙酶修飾的
電極界面則具有較好的電流信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)除線磷農(nóng)
藥的分析檢測(cè)，檢測(cè)限2．4×10～mol／L。多酶?jìng)鞲衅鞯某晒?
制備擴(kuò)大了有機(jī)磷農(nóng)藥的檢測(cè)范圍。
此外，對(duì)氧磷、對(duì)硫磷類農(nóng)藥在堿性條件下亦可發(fā)生
水解作用生成對(duì)硝基苯酚，因此用堿性溶液替代磷酸水解
酶可以大大降低實(shí)驗(yàn)的操作難度、檢測(cè)成本等。在此基礎(chǔ)
上，Li掣45】制備了Ti02修飾的ITO電極，采用光電化學(xué)方
法實(shí)現(xiàn)了甲基對(duì)硫磷的檢測(cè)，檢測(cè)限達(dá)到了8．0×1001
mol／L。此外，該方法亦成功用于實(shí)際樣品蔬菜中甲基對(duì)硫
磷的分析，結(jié)果與儀器GC．MS分析結(jié)果一致。
3．4 電化學(xué)免疫生物傳感器對(duì)有機(jī)磷農(nóng)藥分析檢測(cè)
有機(jī)磷農(nóng)藥的種類很多，其中有機(jī)磷農(nóng)藥及氨基甲
酸酯類等農(nóng)藥均會(huì)對(duì)膽堿酯酶的活性產(chǎn)生抑制作用，因此
該類電化學(xué)酶?jìng)鞲衅髦荒軠y(cè)出農(nóng)藥的總量，不能進(jìn)行農(nóng)藥
的識(shí)別研究，選擇性較差，這也導(dǎo)致了其在農(nóng)藥殘留痕量
檢測(cè)中容易出現(xiàn)錯(cuò)檢、漏檢的現(xiàn)象。而電化學(xué)免疫傳感器
具有特異性強(qiáng)、方便快捷的特點(diǎn)，可以彌補(bǔ)電化學(xué)酶生物
傳感方法的不足，同時(shí)可以將納米材料如金納米粒子、碳
納米材料、電信號(hào)標(biāo)記分子等用于電極界面的修飾，從而
可以實(shí)現(xiàn)有機(jī)磷農(nóng)藥的高靈敏檢測(cè)，因此電化學(xué)免疫生物
傳感器在檢測(cè)有機(jī)磷農(nóng)藥殘留方面具有巨大的應(yīng)用潛力。
Hu課題組【46】將對(duì)氧磷農(nóng)藥的抗體負(fù)載于金納米粒子
表面，進(jìn)而將抗體包覆的金納米粒子修飾于玻碳電極，基
于金納米粒子的優(yōu)良導(dǎo)電性及生物兼容性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)氧磷
農(nóng)藥的高靈敏檢測(cè)，檢測(cè)限達(dá)到3．9×10一mol／L。Liu【47】將
碳納米材料引入電極界面，制備了碳納米管／--茂鐵／抗原
修飾的傳感界面，基于免疫競(jìng)爭(zhēng)法實(shí)現(xiàn)了對(duì)氧磷農(nóng)藥的檢
測(cè)，檢測(cè)限達(dá)到7．3×10一mol／L。有機(jī)磷農(nóng)藥種類多、數(shù)目
大，因此研制高通量、特異性電化學(xué)生物傳感器是其發(fā)展
方向之一，可以實(shí)現(xiàn)批量檢測(cè)、提高分析效率、降低假陽(yáng)
性等，具有重要的研究意義。Cao等[48】將Protein A固定于
陣列電極表面，然后通過(guò)Protein A與抗體的特異性作用將
毒死蜱單克隆抗體固載于電極表面，制備了一種集成電化
學(xué)陣列免疫傳感器，成功的實(shí)現(xiàn)了有機(jī)磷農(nóng)藥毒死蜱的快
速、專一、高靈敏、高通量檢測(cè)，最后得到的檢測(cè)限為
4×10。1 mol／L。此外，電化學(xué)免疫生物傳感器不僅可以實(shí)現(xiàn)
目標(biāo)有機(jī)磷農(nóng)藥的檢測(cè)，而且可以用于有機(jī)磷農(nóng)藥毒性風(fēng)
險(xiǎn)分析，如Wang等【49l搭建了免疫色譜電化學(xué)生物傳感器
實(shí)現(xiàn)了對(duì)毒死蜱代謝產(chǎn)物三氯吡啶醇的檢測(cè)，該傳感器在
暴露毒死蜱農(nóng)藥的白鼠血漿中成功檢測(cè)到三氯吡啶醇，因
此該傳感器有望用于毒死蜱暴露人群風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。
4電化學(xué)生物傳感器優(yōu)、缺點(diǎn)及解決途徑
綜上所述，電化學(xué)膽堿酯酶生物傳感器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)
有機(jī)磷類農(nóng)藥、氨基甲酸酯類農(nóng)藥的高靈敏、快速檢測(cè)，而
有機(jī)磷水解酶生物傳感器則可以實(shí)現(xiàn)對(duì)氧磷、對(duì)硫磷類等
有機(jī)磷農(nóng)藥的快速、選擇性定量分析。但是電化學(xué)酶?jìng)鞲?
器依然存在不足之處，主要表現(xiàn)在酶?jìng)鞲须姌O的制備過(guò)程
比較繁瑣、酶在電極表面固定時(shí)容易損失酶活性、酶活性
保存時(shí)間有限、使用時(shí)對(duì)環(huán)境及樣品條件的要求比較高等。
電化學(xué)蛋白酶?jìng)鞲衅鞯倪@些缺點(diǎn)會(huì)直接導(dǎo)致電化學(xué)測(cè)定結(jié)
果偏差較大，傳感器的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性較差等問(wèn)題。電化
學(xué)免疫傳感器雖然具有特異性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，但是電化學(xué)免疫
傳感法存在抗原、抗體的開(kāi)發(fā)過(guò)程需要投入較多資金和較
長(zhǎng)時(shí)間，抗體制備難度較大，易失活、對(duì)結(jié)構(gòu)類似的化合物
有一定的交叉反應(yīng)、只適用于單一農(nóng)藥殘留的檢測(cè)分析等
問(wèn)題。因此，電化學(xué)生物傳感器在檢測(cè)有機(jī)磷類農(nóng)藥方面
仍面l艋挑戰(zhàn)，尋求新的特異性識(shí)別有機(jī)磷類農(nóng)藥的生物識(shí)
別分子(如核酸適配體、合成生物大分子等)，有望解決這
一問(wèn)題。到目前為止，通過(guò)SELEX技術(shù)篩選得到的有機(jī)磷
農(nóng)藥適體DNA數(shù)量較少，因此基于適體DNA生物傳感器
檢測(cè)有機(jī)磷農(nóng)藥的生物傳感方法的研究還相對(duì)較少，如
Wang掣50】構(gòu)建了適體生物傳感器實(shí)現(xiàn)了氧化樂(lè)果的檢測(cè)，
檢測(cè)限為1．o×10。1 mol／L。Bala等【51】建立了檢測(cè)甲拌磷的
適體生物傳感方法，檢測(cè)限為1．0×10J1 mol／L。因此，將有
機(jī)磷農(nóng)藥適體DNA修飾于電極表面，開(kāi)發(fā)電化學(xué)適體
DNA生物傳感器并與電化學(xué)酶生物傳感法、電化學(xué)免疫傳
感法相結(jié)合，有望在將來(lái)更好的實(shí)現(xiàn)有機(jī)磷農(nóng)藥的檢測(cè)。
此外，光學(xué)生物傳感法如比色法[4,52】、熒光光譜法
[3,53】、化學(xué)發(fā)光法[54,551因具有分析速度快、靈敏度高、特
異性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，也是目前有機(jī)磷農(nóng)藥快速分析的重要研究
方向之一，因此我們亦可將電化學(xué)、光學(xué)等兩種生物傳感
法相結(jié)合、互為補(bǔ)充，從而可以實(shí)現(xiàn)有機(jī)磷農(nóng)藥的快速、
靈敏、特異性檢測(cè)。
5展望
電化學(xué)生物傳感器的研發(fā)不僅實(shí)現(xiàn)了有機(jī)磷農(nóng)藥的
快速、簡(jiǎn)單、高靈敏分析，也為食品農(nóng)藥殘留分析提供了
快速篩查的工具，降低了食品安全風(fēng)險(xiǎn)，但電化學(xué)生物傳
感檢測(cè)技術(shù)仍面臨著許多挑戰(zhàn)，仍需不斷發(fā)展、提高、完
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
第2期梁剛，等：電化學(xué)生物傳感器在有機(jī)磷農(nóng)藥分析中的應(yīng)用437
善，如酶、免疫生物傳感器的檢測(cè)限還不能達(dá)到分析儀器
的標(biāo)準(zhǔn)，尚需研發(fā)高性能電極及修飾材料(如納米復(fù)合材
料【563)；傳感器的選擇性不高，仍需開(kāi)發(fā)新型傳感器(如適
體生物傳感器t50,0511)以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)有機(jī)磷農(nóng)藥的選擇性、特
異性分析：發(fā)展新的酶固定技術(shù)及固定材料的研究，減少
固定化酶活力的損失：與其它分析技術(shù)系統(tǒng)聯(lián)用使其向高
通量、微型化方向發(fā)展(如陣列傳感器【5刀)；探究膽堿酯酶
活性復(fù)活技術(shù)以降低檢測(cè)成本等【2引。這些問(wèn)題的存在制約
了電化學(xué)生物傳感器檢測(cè)有機(jī)磷農(nóng)藥的分析性能，迫切需
要解決，是分析工作者將來(lái)關(guān)注的課題，具有重要的研究
價(jià)值。
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(責(zé)任編輯：金延ffL)
梁剛，博士，助理研究員，主要研
究方向?yàn)镻OPs、有機(jī)農(nóng)藥等污染物電化
學(xué)、光學(xué)生物傳感分析。
E-mail：lghbsd2006@163．toni
潘立剛，博士，研究員，主要研究方
向?yàn)檗r(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全。
E—mail：panlg@nercita．org．ca

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