◎ 李佳潔，沈俊毅，賈 敏

（上海市虹口區(qū)疾病預(yù)防控制中心，上海 200082）

有機(jī)磷農(nóng)藥（Organophosphorus Pesticides，OPPs）是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域使用最廣泛的殺蟲劑，主要通過抑制昆蟲神經(jīng)系統(tǒng)中乙酰膽堿酯（Acetylcholinesterase，AChE）的活性，造成乙酰膽堿在突觸間隙積累，過度刺激昆蟲神經(jīng)系統(tǒng)，導(dǎo)致昆蟲癱瘓、痙攣或死亡[1]。然而，有機(jī)磷農(nóng)藥的使用雖能有效提高農(nóng)作物的產(chǎn)量，但過量使用會對農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全、人畜安全和生態(tài)環(huán)境安全帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[2]。

光譜法[3-4]、色譜法[5-6]、酶聯(lián)免疫分析法[7-8]、生物傳感器[9]是當(dāng)前有機(jī)磷農(nóng)藥殘留檢測的常用手段。然而，傳統(tǒng)大型精密儀器檢測技術(shù)雖然在痕量分析方面具有較高的靈敏度和穩(wěn)定性，但儀器設(shè)備復(fù)雜昂貴、樣品前處理步驟煩瑣耗時(shí)，并且需要專業(yè)的實(shí)驗(yàn)操作人員，僅能滿足實(shí)驗(yàn)室分析檢測需求，難以實(shí)現(xiàn)農(nóng)藥殘留的現(xiàn)場快速檢測。而基于單克隆抗體的酶聯(lián)免疫分析法雖然具有較高的特異性和選擇性，但其在實(shí)際復(fù)雜基質(zhì)樣品中的適用性和精準(zhǔn)度仍需進(jìn)一步提升。近年來，生物傳感器憑借操作簡單、選擇性好、靈敏度高等優(yōu)勢被認(rèn)為是最具有前景的農(nóng)藥快速檢測平臺。其中，光學(xué)傳感器得到了快速發(fā)展[10]。因此，本文主要對用于有機(jī)磷農(nóng)藥檢測的光學(xué)生物傳感器包括熒光、比色、表面增強(qiáng)拉曼散射（Surface-Enhanced Raman Scattering，SERS）、表面等離子體共振（Surface plasma resonance，SPR）等的傳感原理、分析條件及其各自的檢測限進(jìn)行了綜述。

1 有機(jī)磷農(nóng)藥傳感器

1.1 熒光生物傳感器

熒光檢測是指以熒光基團(tuán)的熒光強(qiáng)度變化為檢測信號進(jìn)行定性或定量測定待檢靶標(biāo)的方法。根據(jù)熒光探針熒光強(qiáng)度的不同變化，傳感器可分為猝滅型（On-Off 型）、增敏型（Off-On 型）和比率型。OPPs 殘留熒光傳感器是主要基于熒光共振能量轉(zhuǎn)移原理而研究開發(fā)的。為了提高檢測靈敏度、特異性和化學(xué)穩(wěn)定性，研究人員結(jié)合熒光信號放大策略和合成受體（如適體、分子印跡聚合物）開發(fā)高靈敏農(nóng)藥傳感器。KIM 等[11]以AChE 和量子點(diǎn)為熒光探針，利用聚乙二醇水凝膠微陣列制備了一個基于酶的微型熒光生物傳感器。研究基于金屬增強(qiáng)熒光策略（Metal Enhanced Fluorescence，MEF）將量子點(diǎn)修飾到涂覆有二氧化硅的銀納米顆粒（Ag @ Silica）表面，使熒光強(qiáng)度提高了5 倍。結(jié)果表明MEF 顯著增強(qiáng)了對氧磷的檢測，在有無MEF 的情況下，檢測限分別為1.0 10-10mol·L-1和2.0 10-7mol·L-1。LIU 等[12]利用三螺旋分子開關(guān)（Triple-Helix Molecular Switch，THMS）開發(fā)了一個基于適體的有機(jī)磷熒光傳感平臺。THMS 由兩個定制的DNA 探針組成，即一個無標(biāo)記的中心靶區(qū)特異性適體序列，兩側(cè)有兩個臂段作為識別探針；一個發(fā)夾狀結(jié)構(gòu)的寡核苷酸作為信號轉(zhuǎn)導(dǎo)探針，分別在3’端和5’端用熒光和猝滅劑標(biāo)記。該傳感器的檢測線性范圍為100 ～1 200 nmol·L-1，檢測限低至9.12 nmol·L-1。

1.2 表面增強(qiáng)拉曼散射生物傳感器

表面增強(qiáng)拉曼散射（Surface Enhanced Raman Scattering，SERS）生物傳感器是從普通的拉曼散射生物傳感器發(fā)展而來的，是指當(dāng)一些分子吸附到Au 或Ag表面，拉曼信號極大增強(qiáng)的現(xiàn)象。目前，SERS 憑借高靈敏度、快速無損等優(yōu)勢在農(nóng)藥殘留多組分檢測中具有廣闊的應(yīng)用前景，研究人員結(jié)合納米材料和核酸適配體開發(fā)了靈敏度高且選擇性好的SERS 傳感平臺。WANG 等[13]受壁虎啟發(fā)，通過在3D-PDMS 納米觸手陣列上沉積銀納米粒子獲得了具有柔性和優(yōu)異SERS 活性的“壁虎式納米觸須”SERS 平臺，并通過簡單直觀的“press and peeled-off”方法成功對黃瓜、蘋果和葡萄表面的甲基對硫磷等多組分農(nóng)藥實(shí)現(xiàn)了微陣列采樣、原位富集和多組分農(nóng)藥殘留快速檢測。LI 等[14]基于還原型氧化石墨烯修飾的絲網(wǎng)印刷電極結(jié)合電動勢捕獲（Electrokinetic Trapping，EKT）開發(fā)了一種可同時(shí)定量幾種帶電農(nóng)藥的SERS 平臺。該EKT-SERS 傳感平臺僅需微升體積樣品就可達(dá)到亞納摩爾級別的檢測限，具有良好的重現(xiàn)性和長期穩(wěn)定性。

1.3 表面等離子體共振和化學(xué)發(fā)光生物傳感器

表面等離子體共振（Surface Plasmon Resonance，SPR）是一種物理光學(xué)現(xiàn)象。SPR 生物傳感器具有靈敏度高、無需標(biāo)記、成本低廉、可實(shí)時(shí)監(jiān)測等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于各種化學(xué)物質(zhì)的檢測中。YAO等[15]利用磁性印跡Fe3O4@聚多巴胺納米粒（Fe3O4@PDA-NP）識別系統(tǒng)開發(fā)了增強(qiáng)毒死蜱響應(yīng)靈敏度的SPR 傳感器。該生物傳感器具有優(yōu)異的靈敏度、選擇性和穩(wěn)定性，在0.001 ～10.000 μmol·L-1，SPR角位移與毒死蜱濃度呈良好的線性關(guān)系，檢測限為0.76 nmol·L-1。OUYANG 等[16]通過雜交細(xì)胞混合策略開發(fā)了可同時(shí)結(jié)合甲基對硫磷（Parathion-Methyl，PM）和吡蟲啉的新型雙特異性單克隆抗體，并以其為識別元件設(shè)計(jì)開發(fā)了二者的多組分免疫化學(xué)發(fā)光（Chemiluminiscence，CL）生物傳感器。實(shí)驗(yàn)通過添加CL 共活化劑同時(shí)觸發(fā)兩個CL 反應(yīng)，分別在0.6 s 和1 000 s 收集甲基對硫磷和吡蟲啉檢測信號，二者的線性范圍均為1.0 ～500.0 ng·mL-1，檢出限為0.33 ng·mL-1（S/N=3），在人參和西洋參中的加標(biāo)農(nóng)藥檢測中，回收率為80%～118%。該工作成功驗(yàn)證了僅使用一種抗體進(jìn)行多組分免疫分析的可行性。

1.4 比色生物傳感器

比色生物傳感器檢測主要依據(jù)朗伯-比爾定律，根據(jù)反應(yīng)前后顏色和吸收強(qiáng)度的變化對樣品中的待測物進(jìn)行定性或定量檢測。比色法由于操作簡便、成本低、結(jié)果可視化等優(yōu)點(diǎn)成為OPPs 速測傳感器開發(fā)的重要策略。如表1 所示，基于比色法檢測不同OPPs的生物傳感器被廣泛研究與報(bào)道。QIAN 等[17]基于乙酰膽堿酯酶和過氧化氫敏感指示劑設(shè)計(jì)了一種有機(jī)磷農(nóng)藥比色傳感器，該傳感器通過OPPs 對乙酰膽堿酯酶進(jìn)行抑制作用，阻止S-乙酰硫膽堿和乙酰膽堿分別形成硫膽堿和過氧化氫，進(jìn)而導(dǎo)致指示劑的顏色反應(yīng)降低或變暗。該傳感器具有選擇性好、靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能夠同時(shí)檢測毒死蜱、樂果、三唑磷、甲胺磷和辛硫磷多種有機(jī)磷農(nóng)藥。GUO 等[18]利用多酶級聯(lián)反應(yīng)體系結(jié)合碘-淀粉顯色反應(yīng)，設(shè)計(jì)了一種用于對氧磷定性分析的新型比色生物傳感器。該傳感器利用AChE 和ChO 酶催化生成過氧化氫。過氧化氫在辣根過氧化物酶存在下與碘化鉀反應(yīng)產(chǎn)生碘，碘遇淀粉變藍(lán)色。而當(dāng)對氧磷存在時(shí)，對氧磷抑制AChE 酶，阻止了過氧化氫的產(chǎn)生，進(jìn)而抑制了藍(lán)色減弱或消失，該傳感器的檢測限為4.7 ppb。LUO等[19]報(bào)道了一種基于血紅素過氧化物酶催化活性的比色傳感器，該酶活性受寡核苷酸和殺蟲劑的調(diào)節(jié)，可用于檢測蔬菜樣品中的水胺硫磷，該傳感器的檢測限為0.6 μg·L-1。

表1 比色生物傳感器檢測有機(jī)磷農(nóng)藥表

2 結(jié)語與展望

本文主要綜述了近年來用于檢測有機(jī)磷農(nóng)藥的光學(xué)生物傳感器。盡管相較于傳統(tǒng)的檢測方法，光學(xué)傳感器憑借檢測快速、反應(yīng)靈敏和用戶友好等明顯優(yōu)勢為有機(jī)磷農(nóng)藥快速檢測的技術(shù)創(chuàng)新和實(shí)際應(yīng)用提供了眾多思路。但是，目前仍存在以下兩方面亟待解決的問題。在技術(shù)革新方面，用于構(gòu)建光學(xué)生物傳感器的敏感元件如酶、納米材料、核酸適配體的穩(wěn)定性、特異性、重復(fù)性以及表面改性研究等方面需進(jìn)一步探索，在提高傳感性能的同時(shí)盡可能降低檢測成本。在實(shí)際應(yīng)用方面，由于有機(jī)磷農(nóng)藥種類繁多且實(shí)際農(nóng)產(chǎn)品或土壤等生態(tài)樣品復(fù)雜，因此不僅需要不斷簡化樣品的前處理過程，降低背景干擾，不斷提高檢測方法的特異性、準(zhǔn)確性和便捷性，還應(yīng)盡可能將多種檢測技術(shù)相互結(jié)合、優(yōu)勢互補(bǔ)，努力開發(fā)出一系列成熟穩(wěn)定、實(shí)用性強(qiáng)的新型多元化生物傳感器，以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜樣品中多種農(nóng)藥殘留的現(xiàn)場實(shí)時(shí)、同步監(jiān)測。