電化學傳感器技術在農藥殘留分析中的應用

孫敬明，郭浩，張慧君

（齊齊哈爾大學食品與生物工程學院，黑龍江齊齊哈爾 161006）

農藥是用于防治害蟲、去除雜草的一類非均相化合物，可有效提高作物產量。施用于農作物的農藥，一部分會附著于作物的表面，另一部分會分散在大氣、水及土壤中，而殘存于環境中的農藥又會被植物吸收。農藥殘留（簡稱“農殘”）會直接通過果實、水、大氣等方式進入人體。農藥具有毒性，會導致人眼睛失明、肺損傷、腫瘤、基因突變等，嚴重時會致癌。按照作用對象不同，農藥可分為除蟲劑和除草劑兩大類。目前用于農藥檢測的方法主要有氣相色譜法、高效液相色譜法、熒光法、酶聯免疫法、傅里葉變換紅外光譜法、化學比色法、電分析法等[1]。在采用氣相色譜檢測法時，往往需要對樣品進行水解或氧化等處理，操作繁瑣，所以應用較少。液相色譜技術由于適用性廣和效率高等優點而得到廣泛應用，但這種方法由于需要大量的有機溶劑、昂貴的設備、經驗豐富的技術人員、耗時的準備和檢測程序等條件的限制，不適合實時檢測。酶聯免疫法既可進行定性分析，也可用于定量分析，是目前用于農藥殘留檢測的常用方法之一，但該方法易受樣品基質、結構類似物以及有機溶劑的干擾，使檢測結果出現假陽性現象。傅里葉變換紅外光譜法在確定農藥種類方面應用廣泛，是一種良好的定性檢測方法，但其定量限無法達到國家相關的檢出標準。化學比色法在定量分析中具有較好的表現，但光學分析方法檢測特異性較差，難以對結構類似的農藥進行定性檢測。

電化學傳感器是通過傳感膜（即電極修飾材料，由納米、生物等敏感材料組成）與待測物分子之間的相互作用產生化學信號，利用轉換元件將化學信號轉化為電信號，通過顯示的電化學信號與待測物濃度之間的對應關系進行反應物含量的計算，進而實現檢測的目的。起初，根據特定的酶對農藥殘留產生單一信號的原理而采用電化學酶傳感器。但是，當酶固定于傳感膜后，會降低反應物與電極電子的傳遞過程，繼而導致電化學酶傳感器的靈敏度較低；而且待測溶液中所含的金屬陽離子、有機物也會抑制酶的活性甚至使其失去活性，以至于每檢測一次樣品后都需要重新修飾，從而延長了檢測時間。電化學酶傳感器被報道后，基于抗原、抗體特異性結合的電化學免疫傳感器技術被應用到農藥殘留檢測中。除了傳統的電化學免疫傳感器和電化學酶傳感器以外，納米材料和分子印跡聚合物的修飾電極也被應用到電化學傳感器中。近年來，石墨烯納米片、多壁碳納米管、氧化鋯等納米材料被應用于農藥殘留的檢測。分子印跡電化學傳感器主要利用人工合成的分子印跡聚合物特殊孔穴對目標樣品進行特異性結合，進而對分析物進行高選擇性檢測。結果表明，這兩種技術與電化學傳感器技術的結合可以大大提高傳感器的靈敏度、選擇性及重現性。電化學傳感器檢測農藥殘留含量時，所需儀器成本較低，使用有毒有機溶劑較少，樣品制備程序較為簡單，所以更適合現場分析或在線監測[2]。此外，電化學分析技術具有檢測限低、分析物選擇性高和通用性強的特點，在近年來得到廣泛關注。本文主要基于電化學傳感器技術在農藥殘留檢測方面的應用進行綜述。

1 電化學傳感器技術在幾種殺蟲劑檢測中的應用

殺蟲劑是用于預防、控制或消滅有害于農業生產的害蟲，提高作物產量的化學品。殺蟲劑是農藥中用量最大、品種最多的一類藥劑，多數只能殺蟲而不能防病。殺蟲劑為農業增產和解決人類糧食問題起了極為重要的作用，其具有化學性質穩定，不易降解，易在土壤及生物體內積累等特點，但同時也是造成農藥污染環境的最重要因素之一。目前，有益生物數量的減少甚至瀕臨滅絕等現象與殺蟲劑的使用有密切關系。按照化學結構，殺蟲劑可分為新煙堿類、有機磷、氨基甲酸鹽、有機氯和擬除蟲菊酯等幾種。

1.1 新煙堿類殺蟲劑

新煙堿類殺蟲劑是在煙堿結構修飾的基礎上開發的一類低毒、低殘留、高效、高選擇性的新型殺蟲劑，已經成為我國殺蟲劑的重要組成部分。新煙堿類殺蟲劑是通過與昆蟲中樞神經系統的煙堿受體結合來抑制乙酰膽堿酯酶的傳遞，從而導致乙酰膽堿的積累，致使昆蟲麻痹和死亡。主要品種有吡蟲啉、噻啶蟲胺、噻蟲嗪、硝吡喃、噻蟲胺、呋蟲胺等。由于它們在殺蟲方面表現出的高效率，近年來，這些殺蟲劑在農業上的使用大幅增加。然而，生物安全性卻面臨極大的考驗。有研究表明，新煙堿類殺蟲劑對蚯蚓表現出一定程度的急性毒性，對蜜蜂、家蠶表現出較高毒性。自新煙堿類農藥進入市場以來，在大米等農產品的檢測中時常被檢出。因此為了保障人類健康，必須建立一種靈敏、準確、經濟的檢測方法。

Pérez-Fernándz 等[3]開發了一種競爭性的免疫測定方法來測定吡蟲啉，使用高特異性的單克隆抗體修飾在絲網印刷碳電極上進行電化學檢測。優化后的免疫傳感器具有重現性好、檢出限低等優點。采用高效液相色譜-質譜-質譜法和酶聯免疫吸附法進行對比分析，電化學免疫傳感器的反應范圍更廣，檢出限更低。這些特點使電化學免疫傳感器成為一種有效的、優勢的吡蟲啉現場檢測工具。LEZI N 等[4]基于一次性絲網印刷的電極技術，采用陰極脈沖伏安法測定水樣中4 種新煙堿類農藥（噻蟲胺、吡蟲啉、硝吡喃、呋蟲胺）的含量。OLIVERIRA AEF 等[5]通過采用β-環糊精和石墨烯修飾玻碳電極來測定三種煙堿農藥。基于β-環糊精的包涵體特性和石墨烯的高導電性，研制出的電化學傳感器具有很高的靈敏度和導電性，在傳感器的結構中具有極其重要的特點，通過所構建的傳感器可用于測定這些樣品中三種不同的新煙堿類農藥。該方法不需要預處理，可直接在蜂蜜樣品中測定，快速、簡便。

1.2 有機磷類殺蟲劑

有機磷農藥是世界范圍內廣泛使用的一類重要農藥，對害蟲具有極高的毒性。它們在農業產品的產量及質量提高方面發揮了很好的效果。然而，由于大量使用，這些有毒化合物可通過水或土壤進入到環境中。殘留的有機磷殺蟲劑可在自然環境中長期存在，產生污染，并對人類、動物和自然產生潛在危害。有機磷類殺蟲劑主要包括甲基對硫磷、殺螟硫磷、毒死蜱、丙二醇等，它們的特點是在水果和蔬菜的采摘前和采摘后的處理中均會增加。殘留在土壤中的有機磷殺蟲劑會經由灌溉水、雨水等滲入到地下水中，經常食用含有有機磷殺蟲劑殘留的食物，會導致農藥在人體內的積累，在體內積累過多可引起人膽堿酯酶抑制，出現過度刺激神經系統，引起惡心、頭暈、神志不清，過量食用還會出現呼吸困難、麻痹甚至死亡等情況。因此，食品中有機磷類殺蟲劑的殘留還需要嚴格控制，發展有機磷類殺蟲劑的快速檢測方法已成為近年來的研究熱點。

Zhang D 等[6]制備了一種基于多壁碳納米管的新型分子印跡，將其應用于甲基對硫磷的電化學測定，結果快速、選擇性好、重現性好、靈敏度高；并成功應用于梨和黃瓜樣品中甲基對硫磷的檢測。ABACI 等[7]合成一種新型偶氮染料及石墨烯對石墨電極表面進行電化學修飾，用方波伏安法測定了pH 對峰電位的影響，并對修飾電極進行了靈敏度和選擇性檢測，將電極用于番茄樣品中殺螟硫磷分析，取得了較好結果。CREW A 等[8]制造了一臺用于有機磷農藥檢測的新型自動化儀器，該儀器包含一個神經網絡程序，利用6 種不同乙酰膽堿酯酶的生物傳感器陣列成功地為多種樣品提供了快速、準確、可靠的數據。JIAO Y 等[9]合成了一種基于炭黑、氧化石墨烯及四氧化三鐵納米粒子復合薄膜的靈敏選擇性電化學自適應傳感器，用于毒死蜱的檢測。由于殼聚糖化炭黑具有較高的比表面積、良好的分散性和導電性，利用該材料來捕獲更多的氧化石墨烯四氧化三鐵粒子，繼而能進一步放大適配器傳感器的電流信號，結果表明，該傳感器用于毒死蜱的檢測具有良好的選擇性、重復性和穩定性。

1.3 其他種類除蟲劑

除前文提到的兩類在農田中用量較大的除蟲劑外，還有幾種除蟲劑也可通過電化學傳感器進行含量測定。氨基甲酸酯類化合物因其環境持久性比有機氯酸鹽低、對昆蟲的防治活性高而被廣泛應用于農業中。但是這類農藥在脊椎動物和昆蟲中的作用模式是基于對乙酰膽堿水解過程中乙酰膽堿酯酶活性的抑制。DUTTA RR 等[10]以酪氨酸酶為固定化劑，戊二醛與牛血清白蛋白交聯，在酞菁鈷（II）改性纖維素石墨復合電極表面制備了電流型生物傳感器，用于測定氨基甲酸酯類農藥。然而有機氯類農藥在棉花、蘋果和柑橘等農作物上的大量應用，給人類和環境帶來了嚴重的問題。LIU G 等[11]通過基于碳基底垂直排列碳納米管化學組裝的電化學免疫傳感器直接檢測水中硫丹的含量。

2 電化學傳感器技術在幾種除草劑檢測中的應用

除草劑指的是能殺死雜草或有害植物，而不影響農作物正常生長的化學藥劑，可用于防治農田雜草或殺滅非農耕地的雜草或灌木。按其化學組成可分為有機磷類、聯吡啶類、氨基甲酸酯類、苯甲酸類、取代類等除草劑。按其作用特點可分為選擇性除草劑和滅生性除草劑。選擇性除草劑指在使用一定劑量和濃度的范圍內，可有選擇性地殺死某些種類的植物，而對其他種類植物無害。滅生性除草劑指對植物缺乏選擇性或選擇性小的除草劑。

2.1 有機磷類除草劑

有機磷類除草劑屬內吸傳導廣譜滅生性莖葉除草劑，對多年生深根性雜草地下組織有很強的破壞能力，能直接殺死雜草的根系，使用該除草劑多年的果園除了生長一些小根菜，很少有雜草生長，因此深受果農青睞。有機磷類除草劑主要包括草甘膦、草銨膦和雙丁銨膦。食入過多會對皮膚產生刺激作用，并且對眼睛有較強的刺激性。DO MH 等[12]利用對巰基苯胺功能化金納米粒子在草甘膦模板分子存在下的電聚合反應，研制了一種用于檢測草甘膦的電化學分子印跡傳感器。HABEKOST A[13]采用金及多壁碳納米管制成的絲網印刷電極并且用納米氧化鋅顆粒修飾后，對草甘膦進行電化學檢測。LIU H 等[14]基于雙重抑制原理構建了一種用于草甘膦高靈敏度檢測的電化學發光傳感器。其構建的基于Lu-Au-Lcys-Cu(II)雙重抑制策略的電化學發光傳感器對草甘膦具有檢測性能好，靈敏度高、重現性好、穩定性好、準確度高的特點。PRASAD BB 等[15]制備了一種快速、靈敏、有選擇性的雙模板印跡聚合物納米膜修飾石墨電極，用于同時分析土壤和人血清樣品中草甘膦和草銨膦的含量。

2.2 聯吡啶類除草劑

聯吡啶類除草劑是一類快速滅生性除草劑，具有觸殺作用和一定的內吸作用，能迅速被植物綠色組織吸收，使其枯死。但是，聯吡啶類除草劑對人體有劇毒，而且對人體器官傷害極大，且無特效解毒藥，口服中毒死亡率可達99%以上。該除草劑還對眼睛有刺激作用，可引起指甲、皮膚潰爛等；口服3 g 即可導致系統性中毒，并導致肝、腎等多器官衰竭，肺部纖維化（不可逆）和呼吸衰竭。因中毒前期治療黃金期內癥狀不明顯，容易誤診或忽視病情。聯吡啶類除草劑主要的代表農藥為敵草快和百草枯。PRASAD BB 等[16]利用金電極和高頻方波伏安法檢測天然水和檸檬酸果汁樣品中百草枯除草劑的新型電分析方法。LI J 等[17]通過對石墨烯進行改性，成功合成了聚吡咯接枝氮摻雜石墨烯，將聚吡咯接枝氮摻雜石墨烯對玻碳電極進行修飾，并用于百草枯電化學的檢測。試驗表明修飾電極除了具有良好的靈敏度外，由于聚吡咯與氮摻雜石墨烯的良好結合和協同效應，傳感器還表現出良好的穩定性和較強的抗干擾能力。SHAN X 等[18]在金納米-殼聚糖修飾的玻碳電極上覆蓋分子印跡聚合物膜設計了一種檢測百草枯的新型電化學傳感器。該傳感器具有高速、實時檢測能力強、樣品消耗量小、靈敏度高、抗干擾能力強、穩定性好等特點，可用于百草枯的檢測。

2.3 其他種類除草劑

除上述提到的在市場銷售中占比較大的兩類除草劑外，還有幾種除草劑可采用電化學傳感器進行測定。如利谷隆為取代脲類除草劑，具有內吸傳導和觸殺作用。利谷隆對一年生禾本科雜草，如馬唐、狗尾草、蓼等有很好的防除效果，適于芹菜、豆科、胡蘿卜、馬鈴薯、蔥等菜田應用。SIARA LR 等[19]采用電化學預處理的沸石修飾碳糊電極，建立了一種簡便、廉價、高靈敏度的電化學方法，用于測定自來水中利谷隆的含量。阿特拉津是內吸選擇性苗前、苗后封閉除草劑。易被雨水淋洗至土壤較深層，對某些深根草亦有效，但易產生藥害，持效期也較長。SUPRAJA P 等[20]合成了一種電紡錫（IV）氧化物的納米纖維電化學傳感器用于水中痕量阿特拉津的檢測。試驗表明，在存在干擾化合物如尿素和葡萄糖的情況下，傳感器檢測阿特拉津的能力幾乎不受影響。

3 小結

目前對農藥殘留的超靈敏檢測日漸成為研究的一個熱門領域，人們已經開始在宏觀、微觀和納米尺度上對新材料進行探索。而用于農藥檢測的電化學傳感器因其高靈敏度、選擇性好、成本低及在某些情況下自動化設備的小型化、可移植性和集成性而備受關注。綜上所述，電化學傳感器由于具有易微型化、操作簡單、響應信號高、選擇性好、測定結果快速準確的特點，在農藥殘留分析領域潛力巨大。但在充分發揮其潛力的同時，也存在以下問題需要解決。如在對電極表面進行修飾后，修飾材料在測試溶液中的穩定性需要進一步加強，以防止檢測中，材料脫落的現象發生，影響檢測結果的準確性。大量的檢測手段在進行水中農藥檢測時均表現出高選擇性、高靈敏度，但是在進行實際果蔬樣品中農藥含量測定時，由于基質復雜，最終結果的靈敏度和分辨率并不理想。所以，在樣品前處理方面，需要進行更深層次的研究，提高農藥富集效率以及研發抗干擾能力強的電化學傳感器是未來的主要研究方向。