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生物傳感器在有機磷農(nóng)藥殘留量檢測中的應用研究進展

文檔作者：戴瑩1, 2, 王紀華1, 2, 韓平1, 2, 馬帥1, 2, 馮曉元1, 2* ( 文檔來源： 1. 北京農(nóng)業(yè)質(zhì)量標準與檢測技術(shù)研究中心 2. 農(nóng)業(yè)部農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全風險評估實驗室(北京),		點擊數(shù)：	更新時間： 2025年07月20日
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第6 卷 第8 期 食品安全質(zhì)量檢測學報 Vol. 6 No. 8
2015 年8 月 Journal of Food Safety and Quality Aug. , 2015
基金項目: 北京市農(nóng)林科學院青年科研基金(QNJJ201521)、公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項課題 (201303075)、農(nóng)業(yè)部農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全風險評
估實驗室(北京)開放課題項目(ATFM-KFKT2014004)
Fund: Supported by Youth Foundation of Beijing Academy of Agriculture and Forestry Sciences (QNJJ201521), Special Fund for Agro-scientific
Research in the Public Interest Project (201303075), Open Project of Risk Assessment Lab for Agro-products(Beijing), Ministry of Agriculture
(ATFM-KFKT2014004)
*通訊作者: 馮曉元, 研究員, 主要研究方向為果品質(zhì)量與安全。E-mail: fengxiaoyuan2014@126.com
*Corresponding author: FENG Xiao-Yuan, Researcher, Beijing Research Center for Agricultural Standards and Testing, Room 701, Block A, Beijing
Agricultural Building, No.11 Middle Road of Shuguanghuayuan, Haidian District, Beijing 100097, China. E-mail: fengxiaoyuan2014@126.com
生物傳感器在有機磷農(nóng)藥殘留量檢測中的
應用研究進展
戴 瑩1, 2, 王紀華1, 2, 韓 平1, 2, 馬 帥1, 2, 馮曉元1, 2*
(1. 北京農(nóng)業(yè)質(zhì)量標準與檢測技術(shù)研究中心, 北京農(nóng)林科學院, 北京 100097;
2. 農(nóng)業(yè)部農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全風險評估實驗室(北京), 北京 100097)
摘要: 有機磷農(nóng)藥是我國使用最廣泛的農(nóng)藥, 具有廣譜、高效等特點, 但對人類的健康和環(huán)境安全存在潛在
威脅。因此, 發(fā)展快速、簡易、準確測定有機磷農(nóng)藥殘留量的方法具有重要意義。生物傳感器具有簡單、靈敏、
低成本、便于攜帶, 可實現(xiàn)現(xiàn)場監(jiān)控等優(yōu)點, 已成為有機磷農(nóng)藥殘留量速測技術(shù)中的研究熱點。本文綜述了近
年來國內(nèi)外生物傳感器技術(shù)在有機磷農(nóng)藥測定中的應用情況, 主要介紹了酶生物傳感器、免疫生物傳感器。最
后本文對生物傳感器在有機磷農(nóng)藥殘留檢測中應用的未來發(fā)展進行展望。
關(guān)鍵詞: 生物傳感器; 有機磷農(nóng)藥; 酶生物傳感器; 免疫生物傳感器
Recent progress of biosensors for detection of organophosphorus
pesticide residues
DAI Ying1, 2, WANG Ji-Hua1, 2, HAN Ping1, 2, MA Shuai1, 2, FENG Xiao-Yuan1, 2*
(1. Beijing Research Center for Agricultural Standards and Testing, Beijing Academy of Agriculture and Forestry Sciences,
Beijing 100097, China; 2. Risk Assessment Lab for Agro-products(Beijing), Ministry of Agriculture. P. R. China,
Beijing 100097, China)
ABSTRACT: Organophosphorus pesticides are extensively used in China owing to their high insecticide
activity. However, human health and environment safety are threatened by organophosphorus pesticide residues
due to their high toxicity. It is of great significance to develop a rapid, easy and reliable analytical method for
pesticide detection. Biosensors are particularly attractive due to their advantages of simple operation, high
sensitivity, low cost, easy portability and in-situ monitoring. In this review, recent progress of biosensors for
detection of organophosphorus pesticide residues had been summarized with emphasis on the development of
enzyme-based biosensor and immunosensor. Besides, limitations as well as possible research tendency had
been discussed, which might provide practical guidance for future research of biosensor.
KEY WORDS: biosensor; organophosphorus pesticides; enzyme-based biosensor; immunosensor
第8 期 戴 瑩, 等: 生物傳感器在有機磷農(nóng)藥殘留量檢測中的應用研究進展 2977
1 引 言
有機磷農(nóng)藥是目前我國使用最為廣泛的一類農(nóng)藥,
可以用來控制蟲害、鼠害、雜草、細菌等, 具有高效性和
廣譜性等特點, 在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中發(fā)揮著巨大作用[1-5]。然
而, 研究發(fā)現(xiàn), 有機磷農(nóng)藥對維持人和動物神經(jīng)系統(tǒng)中調(diào)
節(jié)突觸傳導的神經(jīng)遞質(zhì)-乙酰膽堿酯酶具有抑制作用, 有
機磷農(nóng)藥可通過呼吸、接觸等方式進入人體, 經(jīng)血液和淋
巴循環(huán)到全身各器官和組織, 極低劑量的有機磷農(nóng)藥暴露
即可導致對神經(jīng)細胞的毒性刺激, 可能引發(fā)腹瀉、嘔吐、
高血壓、心動過緩、呼吸麻痹、器官衰竭等毒性反應[6-10]。
有機磷農(nóng)藥殘留給人、動物和環(huán)境均可能帶來潛在風險。
因此, 開發(fā)有機磷農(nóng)藥殘留量的檢測方法, 對殘留物質(zhì)進
行有效監(jiān)控成為農(nóng)藥殘留檢測技術(shù)研究的焦點。有機磷農(nóng)
藥殘留量的傳統(tǒng)分析方法主要有氣相色譜法、氣相色譜-
質(zhì)譜聯(lián)用法、液相色譜法、液相色譜聯(lián)用法以及光譜法等
[11-14], 這些方法對有機磷農(nóng)藥的特異性、靈敏度和準確度
要求都比較高, 但樣品的前處理過程復雜, 檢測周期長、
對檢測儀器要求高, 需要專業(yè)人員進行操作, 無法滿足
現(xiàn)代農(nóng)業(yè)快速、現(xiàn)場檢測的需求。生物傳感器技術(shù)因其具
有簡單、快速、靈敏、低成本、便于攜帶, 可實現(xiàn)現(xiàn)場、
實時監(jiān)控等特點成為目前有機磷農(nóng)藥殘留量速測技術(shù)的研
究熱點[15-20]。
2 生物傳感器的檢測原理
生物傳感器通常由識別元件、轉(zhuǎn)換元件及檢測元件3
部分構(gòu)成, 識別元件一般為酶、蛋白質(zhì)、抗體、抗原等生
物敏感物質(zhì), 可完成對特定化學物質(zhì)或生物活性物質(zhì)的特
異性識別, 轉(zhuǎn)換元件是決定生物傳感器靈敏度和準確性的
關(guān)鍵元件, 可將生化信號轉(zhuǎn)化為可識別的電信號, 最后通
過檢測元件測定pH、電導等物理化學信號的變化[21,22], 達
到檢測農(nóng)藥殘留量的目的。
3 生物傳感器在有機磷農(nóng)藥殘留量檢測中的應用
應用于有機磷農(nóng)藥殘留量檢測的生物傳感器主要有
酶生物傳感器、免疫生物傳感器等。
3.1 酶生物傳感器
酶生物傳感器是以酶作為識別元件的一種生物傳感
器, 用于測定有機磷農(nóng)藥的酶生物傳感器一般基于農(nóng)藥毒
性與酶活性降低之間的相關(guān)性, 因此, 生物傳感器主要通過
測定酶暴露于目標測定物前后活性的變化來實現(xiàn)對有機磷
農(nóng)藥殘留量的檢測[23,24]。常用的有機磷農(nóng)藥酶生物傳感器有
2 類: 酶抑制生物傳感器和有機磷水解酶生物傳感器。
3.1.1 酶抑制生物傳感器
在過去20 年中, 關(guān)于農(nóng)藥生物傳感器的報道中有
40%~50%是基于酶抑制原理制備的生物傳感器[25]。有機磷
農(nóng)藥酶抑制生物傳感器的制備中較常用是乙酰膽堿酯酶、
丁酰膽堿酯酶[26]等膽堿酯酶, 其中乙酰膽堿酯酶最為常
用。測定的主要原理是乙酰膽堿酯酶可以催化乙酰硫代膽
堿水解, 酶促反應的產(chǎn)物是硫代膽堿和乙酸, 硫代膽堿具
有電化學活性, 在電極上形成不可逆的氧化峰電流。有機
磷農(nóng)藥可以不可逆地抑制乙酰膽堿酯酶的活性, 減少硫代
膽堿的氧化, 硫代膽堿的氧化峰電流與有機磷農(nóng)藥的濃度
呈反比, 通過測定硫代膽堿被抑制前后, 氧化峰電流的大
小即可測定出有機磷農(nóng)藥的濃度[27]。因此, 如何將乙酰膽
堿酯酶有效固定在電極表面, 并保持其原始的催化活性是
研究者們設計新型高靈敏度乙酰膽堿酯酶生物傳感器的關(guān)
鍵環(huán)節(jié)。
研究者們以玻碳電極、碳納米管等為基礎, 采用多種
修飾方法, 添加功能化基團, 開發(fā)出多種新型材料增大電
極對乙酰膽堿酯酶的固定作用。Wei 等[28]構(gòu)建了一種用于
檢測有機磷農(nóng)藥的新型乙酰膽堿酯酶生物傳感器, 這種乙
酰膽堿酯酶生物傳感器采用磺酸功能化離子液體
([BSmim]HSO4)-納米金-多孔碳組成的蜂窩狀復合材料來
修飾含硼金剛石電極, 循環(huán)伏安法和電化學阻抗法對乙酰
膽堿酯酶的電化學行為的考察結(jié)果顯示, 經(jīng)復合材料修飾
的乙酰膽堿酯酶生物傳感器所產(chǎn)生的峰電流是未經(jīng)修飾的
乙酰膽堿酯酶生物傳感器的4.5 倍, 采用此生物傳感器測
定敵敵畏, 檢出限為6.61×10-11 g/L, 線性范圍為10-10~10-6
g/L。Yu 等[29]將乙酰膽堿酯酶固定于氨基功能化的碳納米
管上, 制備了一種測定有機磷農(nóng)藥的高靈敏度生物傳感器,
與原始的采用羧基和羥基修飾的碳納米管電極相比, 經(jīng)氨
基功能化的新型生物傳感器中碳納米管表面可以吸附更多
的酶, 從而使新型碳納米管電極獲得更強的電流響應。采
用這種電極來測定對氧磷, 線性范圍為0.2~1 nmol/L 和
1~30 nmol/L, 在測定濃度為0.08 nmol/L 時, 重復性和穩(wěn)定
性良好, 分別以卷心菜、洋蔥、胡蘿卜為基質(zhì), 添加濃度為
5 nmol/L 的對氧磷, 加樣回收率分別為89.2%、106.7%、
103.8%。Zheng 等[30]采用環(huán)氧化物的開環(huán)反應合成了離子
液體功能化石墨烯, 并在此基礎上將離子液體功能化石墨
烯與明膠制備成復合材料共同對玻碳電極進行修飾, 離子
液體功能化石墨烯-明膠復合材料具有優(yōu)良的導電性和生
物相容性可為乙酰膽堿酯酶的吸附提供親水表面, 將乙酰
膽堿酯酶更牢固的固定在玻碳電極上, 使得乙酰膽堿酯酶
生物傳感器獲得更高的檢測靈敏度。采用這種生物傳感器
對久效磷殘留量進行測定, 線性范圍為1.0×10-13~5.0×10-8
mol/L, 檢出限為4.6×10-14 mol/L, 所建立的電極具有較高
的靈敏度、良好的穩(wěn)定性, 成本低。Zhao 等[31]建立了一種
對有機磷農(nóng)藥具有高靈敏度、高選擇性的生物傳感器, 這
種生物傳感器將電化學還原氧化石墨烯-納米金顆粒-β-環(huán)
糊精和普魯士藍-殼聚糖直接電鍍在玻碳電極上來增強電
2978 食品安全質(zhì)量檢測學報 第6 卷
極對乙酰膽堿酯酶的固定作用, 普魯士藍-殼聚糖不僅可
有效催化硫代膽堿的氧化, 而且可以將氧化電位從0.68 V
降低到0.2 V, 從而顯著提高了生物傳感器的靈敏度。電化
學還原氧化石墨烯與納米金顆粒之間具有協(xié)同作用, 可以
促進普魯士藍與玻碳電極之間的電子轉(zhuǎn)移, 并顯著提高硫
代膽堿的電化學氧化性。此外, β-環(huán)糊精可與底物形成可逆
性結(jié)合, 實現(xiàn)對底物的富集作用, 從而提高生物傳感器的
選擇性和靈敏度。采用此乙酰膽堿酯酶生物傳感器測定,
馬拉硫磷的線性范圍在7.98~2.00×103 pg/mL, 檢出限為
4.14 pg/mL。
研究者在開發(fā)新型修飾材料的同時, 在傳統(tǒng)乙酰膽
堿酯酶的基礎上, 對轉(zhuǎn)基因型乙酰膽堿酯酶進行篩選, 增
強乙酰膽堿酯酶與有機磷農(nóng)藥的結(jié)合率。Mishra 等[32]采用
轉(zhuǎn)基因的乙酰膽堿酯酶B394 和B4 作為生物傳感器的生物
識別元件, 建立了可測定牛奶中馬拉氧磷等有機磷農(nóng)藥的
乙酰膽堿酯酶生物傳感器, 這種轉(zhuǎn)基因的乙酰膽堿酯酶與
有機磷農(nóng)藥可形成不可逆的結(jié)合, 采用此生物傳感器測定
牛奶中馬拉氧磷, 在1.01×10-10~9.17×10-11 mol/L 線性關(guān)系
良好, 回收率為100.66%。
除單酶系統(tǒng)外, 研究者們還開發(fā)了多酶系統(tǒng)酶抑制
生物傳感器。Crew 等[33]所制備的生物傳感器中同時添加
了6 種乙酰膽堿酯酶, 可在6 min 內(nèi)完成對敵敵畏、馬拉
氧磷、毒蟲畏等6 種有機磷農(nóng)藥殘留的測定。Silletti 等[34]
建立的一種多酶生物傳感器同時含有乙酰膽堿酯酶、酪氨
酸酶、脲酶、β-半乳糖苷酶、D-乳酸、衣藻細胞6 種生物
介質(zhì), 可實現(xiàn)同時對牛奶中殘留的毒死蜱等6 種化學物質(zhì)
進行檢測, 其中毒死蜱的檢測限可達0.6 μg/L。Zhang 等[35]
所構(gòu)建的生物傳感器, 采用碳納米材料對多種酶進行包被,
使得生物傳感器具有多功能納米接口, 可有效區(qū)分有機磷
農(nóng)藥和非有機磷農(nóng)藥。
3.1.2 有機磷水解酶生物傳感器
有機磷水解酶是一種可以直接催化水解有機磷農(nóng)藥
的酶類, 能水解磷酸三酯, 催化有機磷農(nóng)藥中的P-O、P-S
和P-CN 鍵水解。水解產(chǎn)物4-硝基苯酚, 可在特定電勢產(chǎn)
生電子, 電子產(chǎn)生的多少與樣品中有機磷農(nóng)藥殘留量濃度
呈正比[25]。有機磷水解酶生物傳感器具有反應特異性高,
反應條件溫和、無刺激等優(yōu)點[36], 可以測定毒死蜱、對氧
磷、對硫磷、甲基對硫磷、二嗪磷和蠅毒磷等有機磷農(nóng)藥
[37,38]。Kim 等[39]將金結(jié)合多肽與有機磷水解酶的融合蛋白
固定于金電極表面, 制備出一種低成本的可一次性使用的
生物傳感器, 這種生物傳感器將融合蛋白固定在金電極表
面形成特殊的立體環(huán)境, 將有機磷水解酶提升到蛋白表面,
有助于有機磷水解酶與有機磷類農(nóng)藥進行結(jié)合, 提高有機
磷水解酶生物傳感器的特異性和靈敏度。Yan 等[40]基于量
子點技術(shù)制備了有機磷水解酶生物傳感器, 將其應用在甲
基對硫磷的殘留檢測中, 線性范圍為25~3000 ng/mL, 檢
出限為18 ng/mL, 并建立了自來水和大米中甲基對硫磷殘
留量的檢測方法, 自來水中甲基對硫磷的回收率為
96.48%~102.97%, 大米中甲基對硫磷的回收率為
96.69%~117.13%。
3.2 免疫生物傳感器
免疫生物傳感器是基于抗原-抗體間的特異性分子識
別, 將免疫分析技術(shù)與傳感技術(shù)結(jié)合而構(gòu)建的一類生物傳
感器。免疫生物傳感器因其具有特異性、廉價、高通量處
理樣品等特點, 近年來日益受到關(guān)注。免疫生物傳感器可
分為無標記型和標記型2 種, 標記型免疫生物傳感器在檢
測前需要對待測物進行標記處理, 通過測定標記物的變化
來進行免疫分析。而非標記型免疫生物傳感器無需對待測
物進行標記, 可直接測定抗原抗體復合物形成過程中的變
化, 制備過程簡單, 檢測過程易于操作, 成為免疫生物傳
感器發(fā)展的主要方向[41]。Liu 等[42]制備了一種新型的多組
分分析電化學免疫生物傳感器, 采用微接觸印刷技術(shù)將單
壁碳納米管摹制在玻碳電極表面, 并將抗體直接附著在其
表面。這種新型的免疫生物傳感器可以同時測定對氧磷和
硫丹, 其中對氧磷的線性范圍為2~2500 ng/mL, 檢出限為
2 ng/mL。Wang 等[43]基于薄膜體聲波諧振器制備了非標記
免疫生物傳感器, 采用此免疫生物傳感器測定對硫磷的線
性范圍為0.17~32.5 μg/L, 檢出限為0.08 μg/L。對蘿卜樣品
中的對硫磷殘留量進行測定, 檢測結(jié)果與氣相色譜的結(jié)果
相符。此外, 研究者們還通過分子印跡技術(shù)人工合成受體
制備生物傳感器。分子印跡技術(shù)(molecularly imprinted
technique, MIT)是制備對特定目標分子具有特異性識別能
力的分子印跡聚合物技術(shù)(molecularly imprinted polymers,
MIP), 分子印跡聚合物可被用作人工合成抗體, 作為傳感
器的分子識別元件。譚學才等[44]以馬來松香丙烯酸乙二醇
酯為交聯(lián)劑, 以石墨烯為電極增敏材料, 以毒死蜱為模板
分子, 利用分子印跡技術(shù), 使用自由基熱聚合法制備了毒
死蜱的分子印跡電化學傳感器, 經(jīng)循環(huán)伏安法、電化學交
流阻抗法等對所制備的傳感器考察, 在最佳檢測條件下,
在2.0×10-7~1.0×10-5 mol/L 范圍內(nèi)傳感器的峰電流與毒死
蜱濃度呈線性關(guān)系, 相關(guān)系數(shù)為r2=0.9959, 檢出限為
6.7×10-8 mol/L, 對實際樣品油麥菜中殘留的毒死蜱進行檢
測, 加樣回收率為94.1%~95.2%。
4 展 望
隨著人們對食品安全和環(huán)境保護的日益重視, 生物
傳感器技術(shù)因其具有簡單、快速、可實現(xiàn)實時監(jiān)控等特性
將在有機磷農(nóng)藥殘留量的檢測中應用更加廣泛。目前酶生
物傳感器仍然是生物傳感器研發(fā)的熱點, 這類生物傳感器
可以較準確、靈敏地檢測有機磷農(nóng)藥, 但是酶與電極之間
的固定方式是酶生物傳感器發(fā)展的限速環(huán)節(jié), 進一步研發(fā)
第8 期 戴 瑩, 等: 生物傳感器在有機磷農(nóng)藥殘留量檢測中的應用研究進展 2979
新型修飾材料, 并通過基因工程技術(shù)篩選高性能的轉(zhuǎn)基因
酶, 將酶牢固固定在電極上, 將會是生物傳感器研發(fā)的工
作重點。另外, 目前關(guān)于生物傳感器在有機磷農(nóng)藥檢測方
面的報道, 很多停留在對標準溶液的測定, 對食物、土壤、
水等實際樣品測定的研究還處于初級階段, 如何提升生物
傳感器的性能, 更好地為檢測實際樣品的服務, 也是研究
者們今后工作的重要方面。
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(責任編輯: 李振飛)
作者簡介
戴 瑩, 博士, 助理研究員, 主要研
究方向為農(nóng)產(chǎn)品安全檢測技術(shù)研究。
E-mail: yingdai100@163.com
馮曉元, 博士, 研究員, 主任助理,
主要研究方向果品質(zhì)量與安全。

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