農(nóng)殘檢測(cè)中酶抑制率法的數(shù)學(xué)原理闡釋及其部分證明

林華鋒 常彥磊

【摘要】酶抑制率法在農(nóng)藥殘留檢測(cè)中廣泛應(yīng)用，其基本檢測(cè)原理是分光光度法.本文對(duì)農(nóng)殘檢測(cè)中酶抑制率法的原理進(jìn)行闡述并應(yīng)用數(shù)學(xué)的方法來(lái)證明吸光度值A(chǔ)關(guān)于時(shí)間點(diǎn)t的曲線斜率K值的求解不需要運(yùn)用入射光強(qiáng)度I0值.

【關(guān)鍵詞】農(nóng)殘檢測(cè);酶抑制率法;數(shù)學(xué)原理;數(shù)學(xué)證明

【基金項(xiàng)目】“十三五”國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃重點(diǎn)專項(xiàng)（2017YFF0104904）;廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2017B020207004）

前?言

食品安全問(wèn)題是一個(gè)常談常新的問(wèn)題.農(nóng)藥在保證農(nóng)作物產(chǎn)量和增加人類(lèi)食物供給方面做出了巨大貢獻(xiàn)，但是由于農(nóng)藥的過(guò)量使用或者濫用，食品及某些中藥產(chǎn)品中的農(nóng)藥殘留能對(duì)人類(lèi)身體的生理健康造成一定程度的威脅.人們?nèi)羰钦`食被農(nóng)藥污染的蔬菜水果等食品，則殘留在其中的農(nóng)藥會(huì)逐漸在機(jī)體內(nèi)累積或富集，當(dāng)富集到一定濃度時(shí)，可以引起人體急性或慢性中毒[1].

有機(jī)磷農(nóng)藥自發(fā)明至今已有70余年的歷史[2]，它對(duì)世界農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要性不言而喻.我國(guó)現(xiàn)已生產(chǎn)和投入使用的有機(jī)磷農(nóng)藥達(dá)到數(shù)十種之多，大多數(shù)呈無(wú)色或者黃色油狀液體，有蒜臭味（比如：馬拉硫磷、內(nèi)吸磷等），少數(shù)為低熔點(diǎn)固體（比如：敵百蟲(chóng)）;農(nóng)業(yè)實(shí)踐上比較常用的有機(jī)磷農(nóng)藥分別有敵百蟲(chóng)、樂(lè)果、馬拉硫磷、甲拌磷和敵敵畏等.目前引起人們關(guān)注和重視的是，有機(jī)磷農(nóng)藥存在著較高殘留率和較高毒性的安全性問(wèn)題.氨基甲酸酯類(lèi)農(nóng)藥是繼有機(jī)磷農(nóng)藥之后出現(xiàn)的一種廣泛應(yīng)用于糧食、蔬菜和水果等農(nóng)作物的農(nóng)藥，該類(lèi)合成農(nóng)藥種類(lèi)已達(dá)1000多種，具有分解快、殘留時(shí)間短、低毒高效和選擇性強(qiáng)的特點(diǎn)[3].農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上常見(jiàn)的氨基甲酸酯類(lèi)農(nóng)藥有西維因、呋喃丹（克百威）、涕滅威和除草劑等[4].隨著各類(lèi)農(nóng)藥的規(guī)模化投入使用和大眾消費(fèi)者對(duì)食品安全意識(shí)的提高，農(nóng)藥殘留檢測(cè)勢(shì)在必行！

然而，由于氣相色譜、液相色譜和氣-液質(zhì)聯(lián)用等大型精密儀器檢測(cè)在實(shí)際應(yīng)用中存在檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)、檢測(cè)成本高以及檢測(cè)人員需要較高的科研技術(shù)水平等要求的限制而難以向基層生產(chǎn)推廣和普及，因此，快速安全可靠的食品農(nóng)藥殘留現(xiàn)場(chǎng)分析技術(shù)進(jìn)入了大眾的眼簾，為廣大食品行業(yè)和農(nóng)業(yè)從業(yè)者提供實(shí)在的便利.其中，以酶抑制率法為代表的農(nóng)殘快速現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)便是首選，以其較高的專一性、較好的靈敏性和準(zhǔn)確度以及較低成本的優(yōu)勢(shì)而迅速被各類(lèi)食品、農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)基地所接受.

隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模化發(fā)展步伐的進(jìn)一步加快和食品安全責(zé)任意識(shí)的落實(shí)，農(nóng)產(chǎn)品農(nóng)藥殘留的快速現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)和篩查技術(shù)將日益受到廣大社會(huì)群體的青睞.

一、實(shí)驗(yàn)原理和理論闡述

蔬菜、水果中殘留的有機(jī)磷和氨基甲酸酯類(lèi)農(nóng)藥與昆蟲(chóng)的神經(jīng)中樞及周?chē)窠?jīng)系統(tǒng)中的乙酰膽堿酯酶（AChE，是生物有機(jī)體神經(jīng)正常傳導(dǎo)中的一種關(guān)鍵性酶）形成的難逆性結(jié)合產(chǎn)物——磷酰化膽堿酯酶，致使AChE喪失酶催化活性，失去水解乙酰膽堿的能力，從而使昆蟲(chóng)體內(nèi)乙酰膽堿不斷累積而導(dǎo)致昆蟲(chóng)產(chǎn)生遲發(fā)性神經(jīng)中毒而致死.酶抑制率法就是依據(jù)這一原理來(lái)檢測(cè)產(chǎn)品中的有機(jī)磷農(nóng)藥和氨基甲酸酯類(lèi)農(nóng)藥的殘留量.

以乙酰膽堿為底物，在乙酰膽堿酯酶（AChE）的作用下，乙酰膽堿水解成膽堿和乙酸，膽堿和顯色劑二硫雙對(duì)硝基苯甲酸（DNTB）[5]產(chǎn)生顯色反應(yīng)，形成黃色反應(yīng)產(chǎn)物——5-硫基-2-硝基苯甲酸（在光譜學(xué)上于410 nm波長(zhǎng)處出現(xiàn)最大吸收峰值）.具體抑制情況主要分為以下三種：A. 采用乙酰膽堿酯酶測(cè)定農(nóng)藥殘留量時(shí)，當(dāng)AChE完全水解底物乙酰膽堿時(shí)，溶液顯現(xiàn)黃色，其抑制率為0%;B. 當(dāng)酶活性被農(nóng)藥抑制而部分水解乙酰膽堿，測(cè)定溶液顯淡黃色，出現(xiàn)相應(yīng)的抑制率（0%100%）;C. 當(dāng)AChE完全被農(nóng)藥所抑制，被測(cè)溶液呈現(xiàn)無(wú)色，抑制率為100% .

值得注意的是，在酶抑制率法檢測(cè)中所使用的酶主要有3種，分別是羧酸酯酶、丁酰膽堿酯酶、乙酰膽堿酯酶[6].其中研究資料顯示乙酰膽堿酯酶敏感性和活性最好，為了保證檢測(cè)質(zhì)量和工作效率，乙酰膽堿酯酶相較于前兩種酶應(yīng)用更為廣泛些[7].

二、數(shù)學(xué)推演與證明

根據(jù)酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)原理，在缺少有機(jī)磷和氨基甲酸酯類(lèi)農(nóng)藥時(shí)，底物在AChE的催化作用下發(fā)生水解，反應(yīng)速率可以用吸光度值A(chǔ)隨時(shí)間T的變化率K0來(lái)表示.當(dāng)有機(jī)磷和氨基甲酸酯類(lèi)農(nóng)藥存在于酶的顯色體系中時(shí)，農(nóng)藥便抑制了乙酰膽堿酯酶的活性，減緩顯色體系的反應(yīng)速度，此時(shí)體系吸光度隨時(shí)間的變化率為Kt.因此，有機(jī)磷和氨基甲酸酯類(lèi)農(nóng)藥對(duì)乙酰膽堿酯酶活性的抑制率Y的計(jì)算公式如下：Y=

【參考文獻(xiàn)】

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