趙芳，李為琴，段江蓮，李琴

（1.山西師范大學實驗設備處，山西臨汾041000；2.山西師范大學食品科學學院，山西臨汾041000）

隨著人口日益增長，農藥在農業(yè)中使用日趨廣泛，以清除雜草和控制害蟲從而提高產量。但是這會帶來環(huán)境污染，進而會對其他生物體產生不利影響。例如，人類感染這些農殘化合物，就可能會導致神經中毒、內分泌失調、基因突變和罹患癌癥等[1]，即使農藥殘留的濃度很低。各國政府都頒布了相應法律來規(guī)范農藥的使用，并且制定了水和農產品的最高殘留限量。為了達到高產，農藥的使用是不可避免的，盡管有相關規(guī)范的實施，但是也會有一些農殘超標的情況發(fā)生。歐洲食品安全局從不同國家抽樣了8 000 份不同的農產品，它們發(fā)現來自第三世界的國家其農殘超標率（5.7%）高于歐盟國家的（1.4%）。雖然很多樣品的農殘在標準范圍內，但是長期攝入也會對公眾造成嚴重的健康危害。另外，有些還沒有規(guī)定殘留標準或是新型的農藥，也在農產品中廣泛使用，它們的毒害性可能還未完全明確，就被推入市場。因此，為了相關條例的有效執(zhí)行，就需要高靈敏度、高特異性和價格合適的分析方法來檢測農藥殘留化合物。傳統的方法操作繁瑣，耗時很長，為了達到要求的靈敏度，往往需要復雜的樣品處理過程，如：提取、清除、濃縮，有時還需衍生。近年來，有很多報道利用量子點材料進行熒光傳感檢測來替代傳統方法。

量子點（quantum dot，QD）是半導晶體納米材料，由于其顯著的約束效應，擁有獨特的導電性和光學性質，使得它們很適合做分析傳感器。量子點的傳感是基于冷發(fā)光對納米顆粒表面態(tài)的敏感性，也就是量子點與目標分析物的物理或化學反應，它們能夠導致光致發(fā)光增強或猝滅。大多數量子點傳感不是直接與量子點表面反應，而是在量子點熒光團和分析物之間產生能量流。一個量子點供體可以通過偶極-偶極相互作用將能量轉移到附近的量子點受體，這個現象叫共振能量轉移（forster resonance energy transfer，FRET），這種非輻射的能量轉移其發(fā)生要滿足如下幾個條件：供體的熒光量子產率要較高；供體的發(fā)射光譜與受體的吸收光譜要重疊；供、受體的發(fā)射光譜要足夠分開；供、受體在空間上比較接近。供體的熒光強度減弱，壽命縮短，相應地，受體的熒光強度增強，壽命延長，這可以證明FRET 現象的發(fā)生。因此，通過FRET 機制，量子點很適合用作光學傳感器，它擁有很寬的吸收光譜、很高的量子產率和較長的熒光壽命[2]。

在20 世紀70 年代，人們發(fā)現量子點之初，對于量子點的應用僅局限在光電材料和微電子領域。1998年，Alivisatos 等[3]和 Nie 等[4]分別攻克了以量子點作為生物探針與生物之間相容性問題的難關，使量子點作為熒光探針標記生物大分子的分析成為現實，首次實現量子點用于生物分析。半導體量子點能通過不同的方法從元素周期表II-VI 族或者III-V 族的分子制得。近幾年也出現了另一種利用碳材料制得的碳量子點，在分子傳感中也得到較好的應用。量子點的中心一般由重金屬合成，用得較多的是鎘，但是對環(huán)境和人體不利。于是有很多報道在細胞和老鼠活體內研究不同量子點的毒性。結果表明，如果用無毒的殼包裹核心，可以有效減少鎘的泄露，進而減少潛在的毒性。例如，Kuzyniak 等[5]在活細胞中加入CdSe 量子點，以細胞質酶的釋放作為毒性指標，結果表明，給量子點加上谷胱甘肽（glutathione，GSH）配基，然后用無毒的 ZnS 包覆，形成GSH-CdSe/ZnS 納米顆粒，能夠顯著降低量子點對于活細胞的毒性。這就此打開了量子點的應用大門，其中包括農殘的檢測。近幾年，具有獨特熒光特性的量子點在生物化學、分子生物學、基因組學、蛋白質組學、生物分子相互作用等研究領域已得到廣泛應用，并迅速成為國內外研究的焦點。研究表明量子點傳感器能夠檢測出遠低于最高殘留限量的農藥殘留量。本文主要闡述了近年來量子點光學傳感器在檢測食品和水中農藥殘留的應用，并且討論了量子點表面修飾的不同方法及其對應的選擇性檢測分析物，說明了各方法的優(yōu)點和缺陷。

1 量子點的表面修飾及其在農藥殘留檢測中的應用

半導體量子點材料一般是由金屬有機合成，其中的量子點顆粒表面通常會被一些有機配體包覆，配體中的功能性基團會使量子點改性，可以用作目標分析物的識別位點，促進量子點與不同受體的結合，提高目的分析物的選擇性，使之即使在有其它農藥殘留存在的情況下，也可以選擇性檢測出目標分析物，達到理想的應用[6]。這些受體包括酶、抗體、核酸、超分子、分子印跡聚合物（molecularly imprinted polymers，MIPs）等。

1.1 混合的量子點材料在農藥殘留檢測中的應用

將原子（一般是過渡金屬，如Mn2+）結合到量子點晶格結構中，可以使其形成期望的特性?；旌系牧孔狱c不僅保留了量子點原有的特性，還可能會增加其發(fā)光壽命，減少細胞毒性[7]。如：將Mn2+混合到CuInS/ZnS量子點中，與不混合（發(fā)光壽命401 ns）相比，可以顯著延長激發(fā)態(tài)的壽命（3.78 ms）[8]。很多研究報道將ZnS：Mn2+量子點作為熒光傳感器，來檢測農藥殘留，如：五氯苯酚[9-10]、苯腈菊酯[11]和啶蟲脒[12]。混合的量子點材料一般會攜帶一個識別分子，如核酸適配體[12]、酶[13]或者MIPs[14-16]等，來提高對目標農殘的選擇性。

1.2 SiO2納米顆粒修飾的量子點材料在農藥殘留檢測中的應用

將功能性量子點插入SiO2納米顆粒，可以作為熒光傳感器來檢測水中各種農藥，如：λ-三氟氯氰菊酯、滅多威、草甘膦和甲基對硫磷[17-20]。制備QD-Si 納米顆粒的方法有很多，其中反相微乳液是最常用的方法，量子點和SiO2可以在反相微乳液中通過共縮合作用直接形成QD-Si 納米顆粒[21]。根據不同用途，其表面也可以被合適的配體或者受體分子修飾。

將量子點包覆在SiO2顆粒里面，有以下優(yōu)點：（1）可以提高其化學穩(wěn)定性，還可以降低量子點的潛在毒害性；并且可以在不影響量子點本身特性的情況下減少熒光漂白現象[22]；（2）SiO2來源廣泛，為制備低成本傳感器提供了可能；（3）SiO2化學性質穩(wěn)定，光學透明，很適合在不同的介質中用作熒光傳感材料[23]；（4）SiO2材料表面還可以進行不同受體的修飾，如：杯（n）芳烴[17-19]、MIPs[18-24]或者石墨烯材料[25]等，以提高對目標農藥分析的選擇性。

1.3 以大環(huán)或超大分子作為修飾主體的量子點材料在農藥殘留檢測中的應用

大環(huán)分子擁有適宜的空洞空間，可以通過客-主反應與量子點材料結合，作為農藥檢測的識別分子。如，杯（n）芳烴大分子擁有疏水的空洞，可以作為目標農藥的識別分子，通過不同大小的杯（n）芳烴，就可以完成對不同目標分析物的選擇。Li H 等[19]將嵌有CdTe量子點的SiO2納米顆粒包覆在杯（4）芳烴下來用作農藥檢測，當滅多威濃度增加時，熒光強度增強，檢測限度最低可以到80 nmol/L。該探針在其它農藥的檢測中也顯示較好的選擇性，如：甲基對硫磷、螨胺磷、水胺硫磷和啶蟲脒。用磺化杯（4）芳烴修飾CdTe 量子點，可以將螨胺磷和啶蟲脒的檢測限度分別降到12 nmol/L和34 nmol/L，并且磺化杯（4）芳烴對啶蟲脒的選擇性高于其它農藥[26]。Li 等[17]利用杯（6）芳烴制備了一個熒光傳感器用作草甘膦的檢測，其中的量子點材料是SiO2包覆的CdTe，這個探針可以在其它農藥存在的時候選擇性檢出草甘膦，并且檢測限度低至0.072 5 nmol/L，這比傳統的高效液相色譜和質譜技術還要靈敏。

雖然這個修飾方法有很大的發(fā)展?jié)摿?，但是超分子會受很多因素影響，包括結合機制、介質pH 值、空間電子效應和別構效應。因此此類探針的重復性會受到限制，很難建立標準化的方法。

1.4 MIPs修飾的量子點材料在農藥殘留檢測中的應用

MIPs 可以作為受體或識別分子來修飾量子點傳感器，MIPs 是以目標分子為模板，使單體之間發(fā)生聚合反應，隨后再將印跡分子從聚合物中洗脫或解離出來而形成的，這種合成材料可以作為特定分子的受體。MIPs 成本低，機械性能和化學性能都很穩(wěn)定，而且可以重復利用。目前有很多將MIPs 修飾的量子點用作熒光傳感器，來特異性檢測各種農藥殘留[27]。

通過改變量子點表面的MIPs，即使使用同一種量子點材料作為信號傳感器，也可以完成對不同農殘的選擇性檢測。如，用MIPs 包覆混合Mn2+的ZnS 量子點，可以選擇性檢測苯氰菊酯[11]，這個選擇性取決于模板的大小、形狀和功能特性，在水中的檢測限度可以低至9.0 nmol/L。然而，使用同樣的量子點，只是簡單地調整合成MIPs 的模板，就可以制備成其它傳感器。如：選擇性檢測水中的煙嘧磺隆到1.1 nmol/L 水平[16]，以及水中的毒死蜱到17 nmol/L 水平[14]。MIPs 也可作為嵌入量子點的SiO2納米顆粒農藥傳感器的功能性外膜，Li 等[18]將 CdSe 量子點嵌入 SiO2中，再用 MIPs修飾，就可以選擇性檢測水中的λ-三氟氯氰菊酯，能量在CdSe、SiO2和MIP 納米顆粒之間轉換，而農藥會使熒光猝滅，最終可以達到檢測限度為80.03 nmol/L。將嵌入 CdTe 的 SiO2納米顆粒用 MIPs 修飾形成CdTe-SiO2-MIP 復合物，可以選擇性檢出水果和蔬菜中的溴氰菊酯，檢測限度為 0.16 μg/mL[24]。Wei 等[28]用十八烷基-對乙烯芐基-二甲基氯化銨（octadecyl-4-vinylbenzyl-dimethyl-ammonium chloride，OVDAC）使CdTe 量子點功能化，再以MIPs 修飾，形成MIP-OVDAC-CdTe 復合傳感器，表面活性劑的乙烯基末端可以引導聚合物有選擇地接觸CdTe 量子點，這個傳感器可以檢測λ-三氟氯氰菊酯至0.03 μmol/L，并且這個探針的熒光強度不會受陰、陽離子存在的干擾，可以在類似物擬除蟲菊酯存在的情況下特異性檢測出λ-三氟氯氰菊酯。Yang 等[10]進一步用Fe3O4納米顆粒來修飾MIPs，使MIPs 產生超順磁性，從而可以運用外部磁場使各顆粒容易分離，該傳感器檢測五氯苯酚限度為 0.5 μmol/L，而 Wang 等[9]在同樣條件下，不加 Fe3O4納米顆粒修飾，檢測五氯苯酚限度為86 nmol/L。運載有MIPs 的Fe3O4納米顆粒能夠在其它芳香族化合物存在的情況下選擇性吸附五氯苯酚，而且當應用于實際樣品時，回收率可以高達97%以上。

雖然基于MIPs 的傳感器有很多成功應用的例子，但在制備MIPs 探針時還存在很多挑戰(zhàn)，最主要的難點就是印跡分子從聚合物中的提取，這是一個很漫長的過程，需要很多溶劑，有時可能會導致聚合物腔體變形，克服這個困難是此類探針未來標準化和商業(yè)化的關鍵所在。

1.5 酶修飾的量子點生物傳感器在農藥殘留檢測中的應用

生物傳感器就是由一個信號傳感器（如：量子點或其它熒光基團）連接一個生物識別分子（如：酶、細胞、抗體或DNA）形成的探針[29]。目前，量子點-酶生物傳感器用于農藥檢測已成為研究熱點，特別是對于有機磷農藥的檢測[30-31]。酶由于其高度的特異性，可以作為量子點生物傳感器很好的識別分子。

最常用作探針的酶是乙酰膽堿酯酶（acetylcholinesterase，AChE），它水解硫代乙酰膽堿和乙酰膽堿生成硫代膽堿和膽堿，如果這個傳感器還存在膽堿氧化酶，那么硫代膽堿和膽堿會被進一步氧化為H2O2，這會導致量子點的熒光強度猝滅[32]。痕量的有機磷農藥和氨基甲酸酯類的農藥會抑制膽堿氧化酶活性，這就會使量子點的熒光強度增強。酶特異性識別農藥分子的能力使得量子點傳感器迅速發(fā)展，像前文所述的傳感器一樣，基于酶的傳感器也能夠和其它支撐結構如：石墨烯[33]，多層碳納米管[34]等共價結合來提高其靈敏度，結構類似的農藥如：甲基對硫磷、對硫磷等用這種類型的傳感器可以成功地被識別。將SiO2包覆的量子點與乙酰膽堿酯酶和膽堿氧化酶（choline oxidase，ChOx）制備成一個生物感受器，可用來檢測食品中的西維因、對硫磷、二嗪農和甲拌磷[32]。農藥對于酶的抑制效應與農藥濃度的對數有一定的線性關系，與傳統的高效液相色譜方法相比，不但靈敏度高，還簡單迅速。表1 列舉了酶或其它生物傳感器作為量子點熒光傳感器的識別分子在不同食品農藥殘留檢測中的應用。

表1 生物傳感器作為量子點熒光檢測識別分子在不同食品農藥檢測中的應用Table 1 Biosensors using quantum dots as recognition elements for fluorescence detection of pesticides in different media

另一種與量子點結合用作農藥檢測的酶是有機磷水解酶（organophosphorus hydrolase，OPH），它可以水解多種有機磷農藥生成無害的產物如對硝基苯酚和二乙基磷酸鹽。根據量子點的不同，這些產物都可以與量子點反應使得熒光強度增強或猝滅，因而得以檢測農殘。目前這種傳感器已經用于檢測對氧磷[46-47]、甲基對硫磷[48-49]。將CdTe 量子點與溴化十六烷基三甲銨（cetyltrimethylammonium bromide，CATB） 和 OPH 制備成一個傳感器用于甲基對硫磷檢測，生成的對硝基苯酚由于缺失電子，通過疏水作用吸附在CTAB 鏈上，因此導致量子點的熒光強度猝滅。這個猝滅效應在25 ng/mL～3000 ng/mL 范圍內與甲基對硫磷有很好的線性關系，在自來水中的檢測限度可以到18 ng/mL[48]。另一篇報道[49]將CuS2量子點與Pb2+與OPH 制備成生物傳感器也用來檢測甲基對硫磷，Pb2+的存在會使探針的熒光強度猝滅，但是水解產物二乙基硫代磷酸會與Pb2+結合，導致熒光強度增強。

雖然生物傳感器的靈敏度和特異性很高，但是它依然存在很多問題阻礙它的發(fā)展和大規(guī)模生產。首先，這些生物識別分子穩(wěn)定性很差，易受環(huán)境因素影響（溫度和pH 值）其次。這些生物分子的生產、分離和純化過程復雜、繁瑣、耗時，并且成本高。另外，農藥對于這些酶的抑制作用是不可逆的，使得此類傳感器不可重復利用。

1.6 碳量子點在農藥殘留檢測中的應用

碳量子點是一類熒光納米顆粒，包括石墨烯量子點、聚合物量子點和碳納米點，在熒光傳感方面有很多應用。與半導體量子點相比，碳量子點擁有獨特的熒光特性、低毒性和很好的生物相容性[54]。碳量子點是一種較新的材料，也有很多報道其在農藥檢測方面的應用。將石墨烯量子點與AChE 結合，用于對氧磷的檢測，檢測限度可降到0.2 nmol/L[33]。Liu 等[55]將石墨烯量子點與CdS 量子點連接，形成納米晶體，用來檢測水中的五氯苯酚，其中石墨烯量子點用作信號放大材料，因此檢測限度可以達到很低（3 pg/mL）。近年來，碳量子點也用于甲基對硫磷[56]、樂果、敵敵畏和西維因[43]的低限度檢測。像其他類型的量子點，碳量子點也可用酶或MIPs 修飾來提高對目標農藥的選擇性。與半導體量子點比較，碳量子點的最大缺點在于它的量子產率很低，目前已有報道表明可以添加氮或硫原子來提高碳量子點的量子產率[43]。

1.7 量子點薄膜在農藥殘留檢測中的應用

前文所述的大多數傳感系統是基于溶液的探針，雖然有很好的應用效果，但還是存在很多缺陷。首先，分析物不能從溶液中回收，這就意味著溶液傳感器只能使用一次，這會導致環(huán)境污染，而且會增加常規(guī)應用的成本。其次，這些溶液會隨著時間降解而變得不穩(wěn)定，所以很難處理或保存。因此，會給便攜式的傳感設備設計帶來困難。一個可能的解決方法就是把量子點傳感器整合在固體材料上形成薄膜，相比溶液探針，量子點薄膜擁有更好的穩(wěn)定性和可攜帶性，形狀和大小可調，可以實時檢測，在氣體或液體傳感中擁有更廣泛的應用[57]。很多材料可以用來形成量子點膜，如：硅樹脂，聚二甲硅氧烷和玻璃。有很多報道應用量子點薄膜來檢測有機磷農藥，Zheng 等[36]用AChE 和ChOx 作為信號分子，CdTe 量子點作為傳感器，設計制備CdTe/ChOx/AChE 多分子層薄膜，這個薄膜通過抑制酶活性，從而使量子點熒光猝滅，可以檢測蘋果中的對氧磷、敵敵畏和對硫磷。

雖然量子點薄膜有較好的應用效果，但是將生物識別分子整合到薄膜上還比較困難，無法保證它們的穩(wěn)定性，所以給設計可重復利用設備帶來困難。未來可以考慮用合成受體（如MIPs）以克服生物分子帶來的困難。

2 量子點熒光傳感器在農藥殘留檢測應用中的問題

很多熒光傳感器主要集中在有機磷農藥的檢測上，因為此類農藥能夠抑制傳感器上的酶的活性，而很少有研究有機氯農藥的檢測，如：莠去津和特丁津，它們在農業(yè)中也使用得很廣泛。這兩種農藥是水中新出現的兩種污染物，因此今后也需研究基于量子點的熒光傳感器把這兩種農藥作為目標分析物，還有就是草甘膦這種化學性質不穩(wěn)定的農藥也需更多地作為目標分析物研究。

核苷酸適配子在生物傳感器中是一種較為新興的應用，未來很可能會成為生物傳感器的研究熱點，然而，對于特定的目標分析物，很難找到合適的適配子，這在未來的研究中需要解決。另外，基于適配子的探針穩(wěn)定性也需提高，使得它們容易保存。

雖然以鎘為量子點的傳感器有很好的光學性質，但是未來還是應該探尋低毒的量子點材料，碳量子點的興起是一個不錯的選擇。MIPs 作為合成受體在量子點傳感器中有很多優(yōu)點，但是它的合成技術以及印跡分子的洗脫技術還需要提高。未來可以和固體支撐材料或薄膜合并制備穩(wěn)定的傳感器設備。

由于綠色化學原則和經濟優(yōu)勢，制備可重復利用的傳感器設備必將成為未來的研究熱點。如今的溶液探針只能使用一次，會導致潛在的毒害浪費。將量子點納米顆粒固定在固體材料表面，制備的可重復利用的傳感器需要盡快標準化和商業(yè)化。

3 小結

相比傳統檢測方法，基于量子點的熒光傳感器在農藥殘留檢測方面更卓越。近年來，很多研究致力于該方法的改進，如添加酶、MIPs 或者是特殊的超分子來作為識別分子，使其對特定分析物有一定的選擇性。雖然這些傳感器很容易制備，有很好的分析特性，而且高效，但還是存在很多問題需要克服，以便該傳感器將來的標準化和商業(yè)化應用。如，酶修飾的量子點傳感器，其中的酶反應受溫度和pH 值影響較大；MIPs 修飾的量子點傳感器，其聚合物不規(guī)則，模板分子可能無法洗脫而導致對目標分子的吸附能力差；超分子修飾的量子點傳感器，很容易與腔體發(fā)生反應。因此，在農藥殘留檢測的實際應用中，還需要進一步研究，提高基于量子點的熒光傳感器的穩(wěn)健性和選擇性，那時，載體干擾是需要克服的主要困難。