李紅霞，鄒睿琦，蘇長順，呂 婷，羅 林，孫春燕，徐振林，閆 旭*

（1.吉林大學食品科學與工程學院，吉林 長春 130062；2.吉林大學電子科學與工程學院，吉林 長春 130012；3.廣東省食品質(zhì)量安全重點實驗室，嶺南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學與技術(shù)廣東省實驗室，華南農(nóng)業(yè)大學食品學院，廣東 廣州 510642）

在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，農(nóng)藥在保障農(nóng)作物產(chǎn)量方面發(fā)揮了重要作用，但由于其過度使用和違規(guī)濫用所引發(fā)的食品安全問題也愈發(fā)嚴峻，對人類健康造成了嚴重威脅[1-2]。因此，如何加強農(nóng)藥殘留的高效檢測，是保證食品質(zhì)量安全控制中至關(guān)重要的一環(huán)。目前，農(nóng)藥殘留檢測的國標方法包括色譜法[3-4]和色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法[5-6]，上述方法具有高靈敏、定量準確和高分辨率等優(yōu)勢，但也存在一定的局限性，如前處理復(fù)雜、成本高、需要大型精密儀器，限制了現(xiàn)場實際應(yīng)用。因此，開發(fā)高效、便捷、靈敏、快速的農(nóng)藥殘留傳感新策略成為迫切需求，對于保障食品安全和人類健康具有重要意義。近年來，農(nóng)藥快速檢測技術(shù)如電化學生物傳感器[7]、光學生物傳感器[8-10]、表面增強拉曼光譜技術(shù)[11]、聚合酶鏈式反應(yīng)法[12]、免疫傳感技術(shù)[13-14]等研究得到越來越多的關(guān)注。這些方法具有儀器可小型化、檢測成本低、準確性好、檢測速度快等優(yōu)點，是對傳統(tǒng)方法的有效補充，有望實現(xiàn)現(xiàn)場即時檢測。

免疫傳感技術(shù)具有操作簡單、特異性強、靈敏度高等突出優(yōu)點，作為一種農(nóng)藥殘留快檢技術(shù)受到高度重視[15-16]。農(nóng)藥分子不具有免疫原性，因此常構(gòu)筑競爭型免疫分析模式檢測農(nóng)藥。傳統(tǒng)的競爭型免疫傳感體系利用酶標抗體或酶標抗原作為識別元件，檢測靈敏度往往受到酶標記量和酶活力的制約。將熒光納米探針的信號放大策略巧妙地融合到免疫分析方法中，利用納米材料負載信號指示劑（如生物分子、金屬納米團簇和熒光染料），借助生化反應(yīng)，能夠突破生物酶的限制，實現(xiàn)多重信號放大，是提升檢測靈敏度的有效策略。

本文主要針對近5 年免疫探針（即信號放大部分）在農(nóng)藥殘留檢測中的發(fā)展現(xiàn)狀和應(yīng)用研究進展進行綜述，重點關(guān)注酶基熒光免疫探針、熒光納米材料免疫探針、納米酶基免疫探針和納米支架型免疫探針的原理、特點及應(yīng)用現(xiàn)狀等，并展望熒光免疫分析技術(shù)在農(nóng)藥檢測中的應(yīng)用前景，以期為農(nóng)藥殘留的靈敏、快速檢測提供一定的理論支持和技術(shù)方法。

1 免疫傳感器概述

1.1 免疫傳感器的組成及基本原理

免疫傳感器基于抗原-抗體之間的特異性識別功能而構(gòu)建，它由敏感識別元件（感受抗原-抗體的特異性反應(yīng)）、換能器（感受由特異性結(jié)合引起的光學或電學等參數(shù)變化）和檢測元件（記錄光電信號用于檢測、分析）3 個部分組成。酶聯(lián)免疫傳感器通過固定化抗體（或抗原）與其相對應(yīng)的抗原（或抗體）相互結(jié)合發(fā)生特異性吸附反應(yīng)，形成免疫復(fù)合物。檢測過程中產(chǎn)生的反應(yīng)信息被特定的換能器轉(zhuǎn)換成定量響應(yīng)信號，借助信號放大裝置將識別信號進行放大處理即可檢測出待測物質(zhì)的種類和濃度（圖1）。依據(jù)信號輸出方式可分為熒光免疫分析[17-18]、比色免疫分析[19]和電化學免疫分析[20]等。

圖1 免疫傳感器檢測原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of the principle of immunosensors

1.2 免疫傳感器的優(yōu)點

在食物和環(huán)境等實際樣品中通常含有多種化學污染物，并可能含有一整類結(jié)構(gòu)相似的化合物，給靶標物的檢測帶來巨大的干擾。免疫分析方法檢測選擇性好，可高特異性地識別單一分析物，得到更加準確的信息。此外，免疫傳感器還可提升檢測靈敏度、簡化實驗的分析過程、縮短實驗的分析時間、實現(xiàn)設(shè)備小型化和測量過程自動化等優(yōu)點，特別適用于現(xiàn)場監(jiān)測和大批量樣品篩查。

1.3 提高免疫傳感器靈敏度的方法

近年來，關(guān)于如何提升免疫分析技術(shù)的靈敏度、開發(fā)出更優(yōu)異的農(nóng)藥檢測技術(shù)一直是免疫分析領(lǐng)域的研究熱點，增強抗體的識別功能或改善方法的信號轉(zhuǎn)換功能是兩個行之有效的方法。針對識別抗體，學者們開發(fā)了一系列高識別功能的抗體，如多克隆抗體、單克隆抗體和納米抗體等[21]，以提升對靶標農(nóng)藥的識別能力，增強檢測靈敏度。針對信號轉(zhuǎn)換能力，納米材料顯示出傳統(tǒng)材料所沒有的獨特性質(zhì)，如光吸收、熒光發(fā)射和光色散特性等，能夠?qū)⒆R別信息轉(zhuǎn)換成可檢測的光學信號。特別是熒光納米材料（如半導體量子點、碳量子點、上轉(zhuǎn)換納米材料等），不僅展現(xiàn)出優(yōu)異的信號轉(zhuǎn)換能力，而且合成簡單、易于修飾且生物相容性好。將熒光納米材料應(yīng)用于構(gòu)建免疫傳感探針，已經(jīng)成為提升免疫分析技術(shù)檢測靈敏度的主流方法之一。

1.4 應(yīng)用于農(nóng)藥殘留檢測的免疫傳感器

隨著高靈敏度農(nóng)藥殘留檢測技術(shù)的迫切需求和免疫傳感器研究的逐步深入，越來越多的學者將免疫傳感器應(yīng)用于農(nóng)藥殘留檢測（表1）。

表1 免疫傳感器在農(nóng)藥殘留檢測中的應(yīng)用Table 1 Applications of immunosensors in the detection of pesticide residues

2 熒光免疫探針

為了滿足農(nóng)藥殘留快速、精確檢測需求，熒光材料作為光學免疫探針以多種方式應(yīng)用于構(gòu)筑免疫傳感器[28-29]。目前，常見的傳感探針主要包括酶基熒光免疫探針、熒光納米材料免疫探針、納米酶基免疫探針、納米支架型免疫探針等。本節(jié)重點分類與討論免疫探針在熒光免疫傳感器中的應(yīng)用，并針對其在農(nóng)藥檢測中的應(yīng)用效果進行對比分析。

2.1 酶基熒光免疫探針

傳統(tǒng)的熒光酶聯(lián)免疫吸附測定（enzyme linked immunosorbent assay，ELISA）法以辣根過氧化物酶和堿性磷酸酶（alkaline phosphatase，ALP）分子作為信號放大元件，在檢測復(fù)雜食品基質(zhì)中的低豐度分析物時靈敏度較低，其應(yīng)用受到一定程度的限制。為了解決這一問題，通過標記酶觸發(fā)熒光探針的水解、聚合或氧化等化學反應(yīng)，引起探針的原始結(jié)構(gòu)改變，進而實現(xiàn)對待測信號的放大作用，使其可以通過熒光增強或減弱的方式定量檢測目標抗原（圖2）。該方法融合了酶促反應(yīng)的高效性和熒光探針的敏感性，協(xié)同提升了農(nóng)藥檢測的靈敏度。

圖2 基于酶基熒光免疫探針的檢測原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of the principle of enzyme-based fluorescent immunoprobes

近年來，學者設(shè)計了多種酶基熒光免疫傳感器，如Chen Zijian等[30]在檢測西維因農(nóng)藥的過程中引入了ALP催化體系，結(jié)合MnO2對熒光復(fù)合探針的猝滅作用和ALP催化產(chǎn)物抗壞血酸（ascorbic acid，AA）對MnO2的分解作用，通過測定熒光強度實現(xiàn)對西維因的定量檢測，檢出限低至0.01 ng/mL，相較于傳統(tǒng)的ELISA靈敏度提升了約100 倍。本課題組聯(lián)合利用藍光發(fā)射的二氧化硅納米點（silica nanoparticles，SiNPs）和黃光發(fā)射的染料構(gòu)建了一種比率熒光免疫分析方法檢測紅酒中的氨基甲酸乙酯，檢測靈敏度比傳統(tǒng)ELISA提高約33 倍，而且檢測結(jié)果與標準液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)進行對比，具有良好的準確性[31]。本課題組的另一項研究報道了一種基于金納米團簇/羥基氧化鈷（AuNCs@CoOOH）熒光納米復(fù)合材料的免疫分析方法，基于抗原-抗體的特異識別作用，引入ALP催化反應(yīng)的產(chǎn)物AA來觸發(fā)CoOOH納米片的分解，調(diào)控體系熒光強度變化，從而根據(jù)熒光強度的變化實現(xiàn)吡蟲啉的高靈敏檢測，半抑制濃度（half maximal inhibitory concentration，IC50）為1.3 ng/mL，比常規(guī)ELISA（86.4 ng/mL）的靈敏度提升了60 倍[32]。Chen He等[33]利用上轉(zhuǎn)換納米粒子（upconversion nanoparticles，UCNPs）作為能量供體和單克隆抗體（mAb）標記的金納米花（gold nanoflowers，AuNFs）作為能量受體組建供受體對，建立了一種新型免疫分析方法。應(yīng)用UCNPs近紅外光激發(fā)、信噪比高的優(yōu)勢，有效屏蔽基質(zhì)背景干擾，成功應(yīng)用于土壤、玉米、水稻和黃瓜等樣品中苯噻菌酯的檢測，為小分子的納米監(jiān)測提供了一個新的平臺。Zhang Xiuyuan等[34]利用金納米顆粒（gold nanoparticles，AuNPs）和生物條形碼擴增策略，將大量的ssDNA和單克隆抗體集成于AuNPs表面構(gòu)筑復(fù)合材料，應(yīng)用核糖核酸酶H剪切ssDNA進行信號二級放大，通過熒光強度變化實現(xiàn)食品中三唑磷殘留的定量檢測。

基于酶基免疫探針的熒光免疫傳感器相較于傳統(tǒng)ELISA法能夠有效地放大識別信號、降低檢出限，進而達到靈敏快速檢測目標農(nóng)藥的目的。但該類方法因反應(yīng)體系中酶活力易受檢測環(huán)境的影響，仍保留較大的探索空間。

2.2 熒光納米材料免疫探針

納米材料和信號增強策略已被廣泛應(yīng)用于免疫檢測方法的建立[35-36]，利用納米材料的熒光特性，構(gòu)筑熒光納米材料免疫探針，將識別信號直接轉(zhuǎn)化成熒光信號，從而進行信號放大輸出，提升檢測靈敏度（圖3）。目前常使用的熒光免疫探針主要包括碳量子點、半導體量子點、金屬納團簇等。

圖3 基于熒光納米材料免疫探針的檢測原理示意圖Fig.3 Schematic diagram of the principle of nanomaterial-based fluorescent immunoprobes

Wang Shuangjie等[37]制備了量子產(chǎn)率高、光穩(wěn)定性好的半導體量子點作為免疫探針，建立了一種快速、靈敏、便攜的熒光側(cè)向免疫層析試紙條（lateral flow immunochromatographic strip，LFICS），該方法應(yīng)用寬譜特異性抗體實現(xiàn)了茶葉樣品中3 種煙堿類農(nóng)藥（吡蟲啉、氯噻啉和噻蟲胺）的檢測，其IC50分別為0.104、0.170 ng/mL和0.330 ng/mL。Lan Meijing等[38]開發(fā)了一種集成、快速、敏感的多重比色免疫芯片，該芯片由7 個包覆在硝化纖維素膜上的抗原作為捕獲探針，以納米金標記的二抗作為示蹤劑，通過優(yōu)化納米金增強劑實現(xiàn)了視覺信號的放大，能夠同時檢測7 種農(nóng)藥（三唑磷、甲基對硫磷、甲氰菊酯、克百威、噻蟲啉、百菌清和多菌靈），為農(nóng)藥多殘留檢測提供了一種通用性方法。Guo Yirong等[39]構(gòu)建了一種基于UCNPs和氧化石墨烯熒光共振能量轉(zhuǎn)移作用的免疫分析方法，將抗原修飾到氧化石墨烯表面，通過與農(nóng)藥競爭連接抗體修飾的UCNPs，可在短時間內(nèi)實現(xiàn)食品和環(huán)境樣品中吡蟲啉的檢測。Tang Xiaoqian等[40]以Eu（III）標記的抗體作為熒光免疫探針，開發(fā)了快速、定量的側(cè)流層析免疫平臺，并成功應(yīng)用于谷物食品中西維因和克百威的檢測。Zhou Lina等[41]以高亮度的聚合物點為熒光探針，通過增強量子發(fā)光效率提升檢測信噪比，進而改善檢測靈敏度，該方法能夠有效消除過量探針的熒光背景干擾，為亞胺硫磷殘留檢測提供一種可靠、靈敏的方法。Sheng Wei等[42]以包被抗原修飾的聚苯乙烯磁性微球為捕獲探針，以抗體修飾的UCNPs為信號探針，建立了一種高靈敏度的熒光免疫檢測方法。融合磁性分離和UCNPs的光學本征特性，可有效消除復(fù)雜環(huán)境基質(zhì)干擾，成功實現(xiàn)了谷物、甘蔗汁和水樣中阿特拉津除草劑的特異檢測。

以熒光納米材料免疫探針為基礎(chǔ)構(gòu)建的免疫傳感策略在農(nóng)藥殘留檢測中應(yīng)用廣泛，利用熒光納米材料的本征熒光特性，通過肉眼對顏色分辨即可實現(xiàn)靶標農(nóng)藥的定性分析，測定熒光信號強度達到精準定量檢測的目的。但是，上述小尺寸的發(fā)光材料在固態(tài)下易發(fā)生熒光猝滅現(xiàn)象，即聚集熒光猝滅作用，而一般摻雜方法制成的材料又容易出現(xiàn)聚集結(jié)晶現(xiàn)象，影響檢測性能。此外，熒光納米材料通過共價方式與抗體/抗原偶聯(lián)，合成過程易導致熒光強度下降。如何提升熒光納米材料的穩(wěn)定性仍是熒光免疫探針研究的重要方向。

2.3 納米酶基免疫探針

隨著無機納米結(jié)構(gòu)在生物傳感、成像、治療和環(huán)境保護等領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，學者們致力于找尋生物酶的替代物，開發(fā)具有高生物活性的納米酶，以提升檢測穩(wěn)定性[43-45]。納米酶是一類具有類似天然酶催化活性的納米材料，與天然酶相比，具有穩(wěn)定性好、易于貯存和易于大批量生產(chǎn)等獨特優(yōu)勢[46-49]。目前常用的納米酶模擬催化活性可達到或接近于天然酶活力。其中，催化效率作為酶促反應(yīng)的關(guān)鍵參數(shù)，在很大程度上決定了納米酶在許多應(yīng)用中的獨特性能。因此，利用無機納米材料合成的納米酶作為免疫傳感器中的熒光免疫探針能夠大大提升檢測穩(wěn)定性和改善酶催化反應(yīng)活性，增強反應(yīng)信號強度，從而達到增強檢測效果的目的，為熒光免疫傳感方法提供了新思路。

Chen Ge等[50]合成了一種具有模擬過氧化物酶活力的Au@Pt復(fù)合納米材料作為免疫探針，可直接催化Amplexred探針生成熒光試鹵靈，并利用該熒光探針構(gòu)建熒光免疫傳感器，實現(xiàn)了農(nóng)產(chǎn)品中對硫磷、三唑磷和毒死蜱的微量殘留檢測。Zhao Yuting等[51]利用鉑鈀（PtPd）納米顆粒開發(fā)了一種同時檢測丁酰膽堿酯酶（butyrylcholinesterase，BChE）和對氧磷的側(cè)流層析試紙條，實現(xiàn)了農(nóng)藥中毒評估，該方法在0.05～6.40 nmol/L和0.1～6.4 nmol/L范圍內(nèi)對BChE總量和活性BChE有良好的線性響應(yīng)。在應(yīng)用納米酶基免疫探針的基礎(chǔ)上，Cheng Nan等[52]構(gòu)建了一種基于智能手機的側(cè)向流動免疫層析裝置，用于乙草胺和甲氰菊酯殘留檢測，在該方法中使用了傳統(tǒng)的3,3’,5,5’-四甲基聯(lián)苯胺（3,3’,5,5’-tetramethylbenzidine，TMB）和H2O2反應(yīng)體系，以Pt-Ni(OH)2納米片作為過氧化物酶，利用其具有高類酶活力和低遷移速度的優(yōu)點作為增強信號標記，設(shè)計了雙向側(cè)流層析試紙條，消除兩個靶點之間的交叉反應(yīng)，利用智能手機開發(fā)了具有數(shù)據(jù)分析通用性優(yōu)勢的便攜式讀出裝置，成功實現(xiàn)了對乙草胺和甲氰菊酯的同時檢測，檢出限分別為0.63 ng/mL和0.24 ng/mL。

納米酶能夠在廣泛的溫度和pH值范圍內(nèi)具有催化活性和穩(wěn)定性，制造成本低，并且能夠模擬一系列生物酶的活性[53]，易于化學修飾和連接生物識別分子，在傳感器系統(tǒng)中逐步取代天然酶驅(qū)動重要的催化反應(yīng)，而且所構(gòu)建傳感器的整體穩(wěn)定性高，特別是在溫度等環(huán)境參數(shù)無法控制的情況下，具有廣闊的應(yīng)用前景。

2.4 納米支架型免疫探針

伴隨著一些具有優(yōu)良架構(gòu)特性納米材料的出現(xiàn)，研究人員通過靜電力和自組裝技術(shù)構(gòu)建熒光免疫探針，利用納米支架的活性位點多、空間利用率高、表面積和空腔面積大等特性，負載更多的識別單元和信號放大單元，構(gòu)建了顯著提升靈敏度的熒光免疫傳感器（圖4），為食品中農(nóng)藥殘留檢測提供了新思路。

圖4 基于納米支架型免疫探針的檢測原理示意圖Fig.4 Schematic diagram of the principle of nano-scaffold type immunoprobes

Zhang Chan等[54]利用AuNPs作為材料支架承載熒光標記寡核苷酸和抗體進行信號放大，建立了一種可針對多分析物進行高靈敏檢測的熒光免疫分析方法，成功檢測了水稻、小麥、黃瓜、卷心菜和蘋果中3 種有機磷農(nóng)藥殘留（三唑磷、對硫磷和毒死蜱），3 種農(nóng)藥的線性范圍分別為0.01～20.00、0.05～50.00 ng/mL和0.5～1 000.0 ng/mL，檢出限分別為0.007、0.009 ng/mL和0.087 ng/mL。Pan Yi等[55]通過在AuNPs表面搭載大量的信號探針（納米簇）和識別基元（抗體），構(gòu)建了雙模型比色熒光免疫試劑，熒光信號的放大作用顯著提高了檢測的靈敏度，三氯殺螨醇的檢出限為0.62 ng/mL，在1.36～19.92 ng/mL范圍內(nèi)呈良好的線性關(guān)系。Zha Yonghong等[56]同樣將熒光信號分子和識別抗體融合，提出了一種雙功能化AuNPs探針檢測方法，AuNPs的大比表面積能夠攜帶更多信號分子（FAM-dsDNA）和IgG識別單抗，增加信號強度和識別功能，顯著提升檢測靈敏度。該方法成功應(yīng)用于玉米樣品中微量除草劑（乙草胺、異丙甲草胺、異丙草胺）的檢測，3 種除草劑及其混合物的檢出限分別為0.03、0.10、0.14 ng/mL和0.08 ng/mL。本課題組前期將信號放大元件（生物酶）和識別單元（農(nóng)藥抗體）共組裝制備了多功能蛋白質(zhì)體囊泡結(jié)構(gòu)，將大量酶分子裝載在蛋白體上，增強了酶的穩(wěn)定性并保持了抗體的識別能力[57]。更重要的是，應(yīng)用蛋白質(zhì)體首次構(gòu)建了一種靈敏度顯著提高的免疫分析策略，該方法的吡蟲啉檢測靈敏度比傳統(tǒng)的ELISA方法提升了150 倍。Ji Hanxu等[58]利用介孔硅納米微球（mesoporous silica nanoparticles，MSN）開發(fā)了一種操作簡單、靈敏度高、重現(xiàn)性好的酶-抗體偶聯(lián)法。介孔硅材料具有較大的比表面積，可使酶與抗體的承載量最大化，賦予該方法優(yōu)異的載酶效率和較高的酶-抗體比，大大提高了ELISA檢測食品中氯霉素、阿維菌素、四環(huán)素和鏈霉素殘留的靈敏度。

基于納米支架型免疫探針構(gòu)建的熒光免疫傳感器，利用熒光納米材料的大比表面積和高空間利用率，增加標記物結(jié)合位點數(shù)量，從而承載更多的信號探針，進而達到對熒光信號放大的作用，顯著提升檢測靈敏度、降低檢出限，是具有廣闊發(fā)展前景的熒光免疫傳感技術(shù)。

3 結(jié) 語

近年來，農(nóng)藥殘留問題使食品安全和生態(tài)環(huán)境均面臨嚴峻挑戰(zhàn)，成為人類密切關(guān)注的焦點。熒光免疫分析技術(shù)在農(nóng)藥殘留現(xiàn)場快速檢測中發(fā)揮重要作用，目前正向著高選擇性、高通量和便攜化的方向發(fā)展[59]。然而農(nóng)藥殘留檢測在實際發(fā)展過程中仍面臨諸多挑戰(zhàn)：1）熒光免疫分析技術(shù)的靈敏度有待進一步提高以適應(yīng)復(fù)雜基質(zhì)中痕量靶標農(nóng)藥的檢測；2）面向?qū)嶋H應(yīng)用，熒光納米探針對環(huán)境因素較為敏感，未來研發(fā)新的熒光納米材料、多功能復(fù)合材料以及改良現(xiàn)有納米材料的制備方法以提升檢測穩(wěn)定性，搭建抗干擾型免疫傳感器，依然是免疫分析技術(shù)的重要發(fā)展趨勢；3）與已有的農(nóng)藥種類相比，能夠高度特異靈敏地識別它們的抗體數(shù)量遠遠不能滿足實際檢測需要，所以篩選更多、更高效的農(nóng)藥抗體也是免疫分析技術(shù)在農(nóng)藥殘留檢測方面深入應(yīng)用的重要途徑；4）面向大批量、痕量農(nóng)藥殘留篩查，需要集成度更高的高通量、便攜化免疫傳感器進行現(xiàn)場篩查；5）部分方法因受到成本高昂、制備過程復(fù)雜等因素限制，僅適用于實驗室研究，未來仍需要做出更多的努力將其應(yīng)用于實際農(nóng)藥殘留檢測。