光學生物傳感器在有機磷農藥檢測中的應用

◎ 李佳潔，沈俊毅，賈 敏

（上海市虹口區疾病預防控制中心，上海 200082）

有機磷農藥（Organophosphorus Pesticides，OPPs）是農業生產領域使用最廣泛的殺蟲劑，主要通過抑制昆蟲神經系統中乙酰膽堿酯（Acetylcholinesterase，AChE）的活性，造成乙酰膽堿在突觸間隙積累，過度刺激昆蟲神經系統，導致昆蟲癱瘓、痙攣或死亡[1]。然而，有機磷農藥的使用雖能有效提高農作物的產量，但過量使用會對農產品質量安全、人畜安全和生態環境安全帶來嚴峻挑戰[2]。

光譜法[3-4]、色譜法[5-6]、酶聯免疫分析法[7-8]、生物傳感器[9]是當前有機磷農藥殘留檢測的常用手段。然而，傳統大型精密儀器檢測技術雖然在痕量分析方面具有較高的靈敏度和穩定性，但儀器設備復雜昂貴、樣品前處理步驟煩瑣耗時，并且需要專業的實驗操作人員，僅能滿足實驗室分析檢測需求，難以實現農藥殘留的現場快速檢測。而基于單克隆抗體的酶聯免疫分析法雖然具有較高的特異性和選擇性，但其在實際復雜基質樣品中的適用性和精準度仍需進一步提升。近年來，生物傳感器憑借操作簡單、選擇性好、靈敏度高等優勢被認為是最具有前景的農藥快速檢測平臺。其中，光學傳感器得到了快速發展[10]。因此，本文主要對用于有機磷農藥檢測的光學生物傳感器包括熒光、比色、表面增強拉曼散射（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行了綜述。

1 有機磷農藥傳感器

1.1 熒光生物傳感器

熒光檢測是指以熒光基團的熒光強度變化為檢測信號進行定性或定量測定待檢靶標的方法。根據熒光探針熒光強度的不同變化，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移原理而研究開發的。為了提高檢測靈敏度、特異性和化學穩定性，研究人員結合熒光信號放大策略和合成受體（如適體、分子印跡聚合物）開發高靈敏農藥傳感器。KIM 等[11]以AChE 和量子點為熒光探針，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。研究基于金屬增強熒光策略（Metal Enhanced Fluorescence，MEF）將量子點修飾到涂覆有二氧化硅的銀納米顆粒（Ag @ Silica）表面，使熒光強度提高了5 倍。結果表明MEF 顯著增強了對氧磷的檢測，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（Triple-Helix Molecular Switch，THMS）開發了一個基于適體的有機磷熒光傳感平臺。THMS 由兩個定制的DNA 探針組成，即一個無標記的中心靶區特異性適體序列，兩側有兩個臂段作為識別探針；一個發夾狀結構的寡核苷酸作為信號轉導探針，分別在3’端和5’端用熒光和猝滅劑標記。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 表面增強拉曼散射生物傳感器

表面增強拉曼散射（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展而來的，是指當一些分子吸附到Au 或Ag表面，拉曼信號極大增強的現象。目前，SERS 憑借高靈敏度、快速無損等優勢在農藥殘留多組分檢測中具有廣闊的應用前景，研究人員結合納米材料和核酸適配體開發了靈敏度高且選擇性好的SERS 傳感平臺。WANG 等[13]受壁虎啟發，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藥實現了微陣列采樣、原位富集和多組分農藥殘留快速檢測。LI 等[14]基于還原型氧化石墨烯修飾的絲網印刷電極結合電動勢捕獲（Electrokinetic Trapping，EKT）開發了一種可同時定量幾種帶電農藥的SERS 平臺。該EKT-SERS 傳感平臺僅需微升體積樣品就可達到亞納摩爾級別的檢測限，具有良好的重現性和長期穩定性。

1.3 表面等離子體共振和化學發光生物傳感器

表面等離子體共振（Surface Plasmon Resonance，SPR）是一種物理光學現象。SPR 生物傳感器具有靈敏度高、無需標記、成本低廉、可實時監測等優點，已廣泛應用于各種化學物質的檢測中。YAO等[15]利用磁性印跡Fe3O4@聚多巴胺納米粒（Fe3O4@PDA-NP）識別系統開發了增強毒死蜱響應靈敏度的SPR 傳感器。該生物傳感器具有優異的靈敏度、選擇性和穩定性，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系，檢測限為0.76 nmol·L-1。OUYANG 等[16]通過雜交細胞混合策略開發了可同時結合甲基對硫磷（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計開發了二者的多組分免疫化學發光（Chemiluminiscence，CL）生物傳感器。實驗通過添加CL 共活化劑同時觸發兩個CL 反應，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農藥檢測中，回收率為80%～118%。該工作成功驗證了僅使用一種抗體進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朗伯-比爾定律，根據反應前后顏色和吸收強度的變化對樣品中的待測物進行定性或定量檢測。比色法由于操作簡便、成本低、結果可視化等優點成為OPPs 速測傳感器開發的重要策略。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道。QIAN 等[17]基于乙酰膽堿酯酶和過氧化氫敏感指示劑設計了一種有機磷農藥比色傳感器，該傳感器通過OPPs 對乙酰膽堿酯酶進行抑制作用，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，進而導致指示劑的顏色反應降低或變暗。該傳感器具有選擇性好、靈敏度高、抗干擾能力強等優點，能夠同時檢測毒死蜱、樂果、三唑磷、甲胺磷和辛硫磷多種有機磷農藥。GUO 等[18]利用多酶級聯反應體系結合碘-淀粉顯色反應，設計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產生碘，碘遇淀粉變藍色。而當對氧磷存在時，對氧磷抑制AChE 酶，阻止了過氧化氫的產生，進而抑制了藍色減弱或消失，該傳感器的檢測限為4.7 ppb。LUO等[19]報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節，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磷農藥表

2 結語與展望

本文主要綜述了近年來用于檢測有機磷農藥的光學生物傳感器。盡管相較于傳統的檢測方法，光學傳感器憑借檢測快速、反應靈敏和用戶友好等明顯優勢為有機磷農藥快速檢測的技術創新和實際應用提供了眾多思路。但是，目前仍存在以下兩方面亟待解決的問題。在技術革新方面，用于構建光學生物傳感器的敏感元件如酶、納米材料、核酸適配體的穩定性、特異性、重復性以及表面改性研究等方面需進一步探索，在提高傳感性能的同時盡可能降低檢測成本。在實際應用方面，由于有機磷農藥種類繁多且實際農產品或土壤等生態樣品復雜，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、準確性和便捷性，還應盡可能將多種檢測技術相互結合、優勢互補，努力開發出一系列成熟穩定、實用性強的新型多元化生物傳感器，以實現復雜樣品中多種農藥殘留的現場實時、同步監測。