傳感器技術(shù)在有機(jī)磷農(nóng)藥殘留檢測中的應(yīng)用

【摘要】快速有效地檢測農(nóng)產(chǎn)品中有機(jī)磷農(nóng)藥殘留是目前急需解決的問題。本文分析了傳感器技術(shù)在多種有機(jī)磷農(nóng)殘檢測手段中的應(yīng)用和存在的不足，特別是近年來發(fā)展迅猛的生物傳感器技術(shù)呈現(xiàn)的多樣化特點(diǎn)。目前仍然缺乏一種簡便、高效、快速、無損的檢測技術(shù)，這已經(jīng)成為當(dāng)前研究者關(guān)注的熱點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】有機(jī)磷農(nóng)藥；傳感器；檢測

1.引言

有機(jī)磷農(nóng)藥是20世紀(jì)30年末問世的第二代人工合成農(nóng)藥，具有廣譜、高效、品種多和殘毒期短等特點(diǎn)，經(jīng)常被用作殺蟲劑噴灑在果樹和蔬菜上。如果殘留在水果和蔬菜上的有機(jī)磷或環(huán)境中的有機(jī)磷進(jìn)入到有機(jī)體內(nèi)，大部分會對生物體內(nèi)膽堿酯酶有抑制作用，使其失去分解乙酰膽堿的能力，造成乙酰膽堿積累，引起神經(jīng)功能紊亂，從而導(dǎo)致肌體的損害。因此，對農(nóng)產(chǎn)品中的有機(jī)磷殘留進(jìn)行快速、高效的檢測具有重要意義。以理化方法為主的波譜法、色譜法、色質(zhì)聯(lián)用法等傳統(tǒng)檢測手段，操作復(fù)雜，耗時長。在國內(nèi)外近年來開展的快速、高效的檢測方法研究中，傳感器技術(shù)特別是生物傳感器技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，起到了重要作用。

2.常用傳感器檢測技術(shù)

2.1 電子鼻（氣敏傳感器）檢測技術(shù)

電子鼻因模擬嗅覺系統(tǒng)而得名，是模仿生物鼻的一種電子系統(tǒng)，是二十世紀(jì)90年代發(fā)展起來的分析、識別和檢測復(fù)雜嗅覺及大多數(shù)揮發(fā)性氣體成分的儀器。電子鼻主要是由氣敏傳感器陣列和模式識別系統(tǒng)兩部分組成。氣敏傳感器相當(dāng)于人類嗅覺系統(tǒng)中的嗅覺細(xì)胞，是電子鼻檢測性能優(yōu)劣的基礎(chǔ)。單個氣敏傳感器的功能十分有限，目前還沒有發(fā)現(xiàn)只對某種氣體單一敏感的傳感器材料，單個傳感器對不同的響應(yīng)可能會有變化，但它不具備自動識別氣體種類和數(shù)量的能力。因此由具有光譜響應(yīng)特性、高靈敏度、對不同氣體（氣味）靈敏度不同的氣敏傳感器組成傳感器陣列，利用其交叉敏感性，來提高電子鼻的檢測性能。利用信號預(yù)處理方法濾除模式采集過程中引入的噪聲和干擾，提高信噪比，同時消除信號的模糊和失真，人為增強(qiáng)有用信號。模式識別系統(tǒng)也稱為信息處理系統(tǒng)，相當(dāng)于動物的大腦，通過對傳感器陣列的輸出信號進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?，對單一和混合氣體組分信息進(jìn)行定性識別和濃度定量分析。

利用電子鼻技術(shù)檢測有氣味的農(nóng)藥具有簡單、快捷、成本低等特點(diǎn)，但是該技術(shù)受到敏感材料、制造工藝、數(shù)據(jù)處理方法等多方面的限制。

2.2 光電比色（光電傳感器）技術(shù)

在一定條件下，有機(jī)磷農(nóng)藥可以和多種顯色劑發(fā)生顯色反應(yīng)，其吸光值與農(nóng)藥的濃度呈一定的相關(guān)性。獲取顯色反應(yīng)后的吸光度譜圖，確定特征吸收峰后，采用同波長的高亮度單色發(fā)光二極管做為光源，利用光敏二極管實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。由于光電轉(zhuǎn)換部分的電信號十分微弱，將存在很大的干擾和非線性，運(yùn)用數(shù)據(jù)融合等處理方法，對所檢測的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、辨識、優(yōu)化等，提高檢測數(shù)據(jù)的可靠性。該方法費(fèi)用低、時間短、靈敏度較高，但是受顯色反應(yīng)的時間和環(huán)境溫度因素影響較大。

光電傳感器還可以轉(zhuǎn)換為顏色傳感器，如常用的LCS011是根據(jù)測量光源相對物體的光譜透射特性，利用發(fā)光二極管發(fā)射出藍(lán)、綠、黃、紅四種單色光，由光接收器接收。通過計算機(jī)輸出四種顏色值。顯色樣品濃度不同表現(xiàn)為測得的四個顏色值不同。利用數(shù)據(jù)分析方法建立顏色值與樣品濃度的數(shù)學(xué)模型。

CCD（電荷藕合器件圖像傳感器）數(shù)碼相機(jī)的核心是感光器，用一種高感光度的半導(dǎo)體材料制成，能把光線轉(zhuǎn)變成電荷，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，數(shù)字信號經(jīng)過壓縮以后由相機(jī)內(nèi)部的閃速存儲器或內(nèi)置硬盤卡保存，因而可以輕而易舉地把數(shù)據(jù)傳輸給計算機(jī)。利用CCD數(shù)碼相機(jī)可以獲得靜止的二維圖像，利用圖像處理技術(shù)可以對獲得的二維圖像進(jìn)行處理并建立數(shù)學(xué)模型。

2.3 分子印跡（印跡傳感器）技術(shù)

分子印跡技術(shù)是近年來發(fā)展起來的一門結(jié)合高分子化學(xué)、材料科學(xué)、化學(xué)工程及生物化學(xué)的交叉學(xué)科技術(shù)。它是利用分子印跡聚合物模擬酶-底物或抗體-抗原之間的相互作用，對印跡分子進(jìn)行專一識別。分子印跡聚合物傳感器的制備是該技術(shù)近年來的重要應(yīng)用方向之一。通常將其識別元件以膜或粉末形式固定在轉(zhuǎn)換器表面。這種傳感器通常具有很高的靈敏度與選擇性。如González等[1]制備的地高辛熒光傳感器，其檢出限可達(dá)3.17×10-5mg/L，且不受其結(jié)構(gòu)類似物的干擾。

近年來分子印跡傳感器在不同種類農(nóng)藥檢測研究中得到進(jìn)展。目前，印跡傳感器技術(shù)可用于敵草凈、對硫磷、氯霉素等多種農(nóng)藥的檢測，對大部分農(nóng)藥檢測限可達(dá)μmol/L級。隨著分子印跡和微電子技術(shù)的發(fā)展，印跡傳感器技術(shù)作為一種新的農(nóng)藥檢測方法，具有廣闊的發(fā)展前景。

3.生物傳感器技術(shù)

生物傳感器是生物反應(yīng)技術(shù)與傳感技術(shù)有機(jī)結(jié)合的產(chǎn)物，是利用生物物質(zhì)（如酶、蛋白質(zhì)、DNA、抗體、抗原、生物膜、微生物、細(xì)胞等）作為識別元件，將生化反應(yīng)轉(zhuǎn)換成可定量的物理、化學(xué)信號（如光、熱、聲、質(zhì)量、顏色、電化學(xué)等），這些變化通過不同原理的傳感器（如光敏管、壓電裝置、熱敏電阻、離子選擇性電極等）轉(zhuǎn)換成第二信號（通常為電信號），經(jīng)放大后顯示或記錄，從而達(dá)到分析監(jiān)測的目的。目前在農(nóng)殘檢測中得到廣泛關(guān)注，種類繁多。與傳統(tǒng)的分析方法相比，生物傳感器具有如下特點(diǎn)：一般不需要預(yù)處理、可重復(fù)使用、可連續(xù)監(jiān)測易實(shí)現(xiàn)自動化測量等，成本低，便于推廣普及。

3.1 酶傳感器

該類傳感器以酶為敏感元件，將酶通過某種方式與固相載體結(jié)合，然后將其裝在一個小柱子中成為一個固定化反應(yīng)柱，或?qū)⒚腹潭ㄔ陔姌O上以電化學(xué)的方式傳導(dǎo)酶反應(yīng)產(chǎn)物的信息。肖飛等[2]制備的酶抑制電流型傳感器，在檢測有機(jī)磷農(nóng)藥時具有快速、線性范圍寬、靈敏度高等特點(diǎn)，對有機(jī)磷農(nóng)藥呋喃丹最低檢測限為4.0nmol/L。劉潤等[3]等以戊二醛為交聯(lián)劑，牛血清白蛋白物質(zhì)，制成的生物傳感器具有良好的重現(xiàn)性和回收率，對辛硫磷和氧化樂果的檢出限分別為3.6×10-4g/L和5.9×10-4g/L。李元光等用乙酰膽堿酯酶電極和單片機(jī)結(jié)合研制的掌上型有機(jī)磷農(nóng)藥現(xiàn)場檢測儀可測定0.5μg/mL-43.1μg/mL的敵敵畏和0.1μg/mL-15μg/mL的對硫磷，且儀器的響應(yīng)時間短，僅需3min。

3.2 微生物傳感器

微生物傳感器的測定原理有兩種類型：一類是利用微生物在同化底物時消耗氧的呼吸作用；另一類是利用不同的微生物含有不同的酶，這和動植物組織一樣，把它作為酶源。由于酶對底物有高度專一性，但價格昂貴、穩(wěn)定性差，因而許多生物傳感器中用全活細(xì)胞，如細(xì)菌、酵母和真蒲等，用其制成的傳感器稱為微生物傳感器。利用活微生物的代謝功能檢測污染物，其優(yōu)點(diǎn)是能適應(yīng)寬范圍的pH和溫度，使用壽命長、價格低，但有選擇性差的缺點(diǎn)。常見的微生物傳感器有電化學(xué)型、光學(xué)型、熱敏電阻型、壓電高頻阻抗型和燃料電池型。

3.3 免疫傳感器

免疫傳感器利用的是抗體和抗原之間的免疫化學(xué)反應(yīng)，可用于對相應(yīng)農(nóng)藥殘留進(jìn)行快速定量定性檢測。免疫傳感器分為競爭法和夾心法兩類。根據(jù)使用的信號轉(zhuǎn)換器，可分為電化學(xué)免疫傳感器、光學(xué)免疫傳感器、壓電免疫傳感器及表面等離子體共振（SPR）型傳感器。酶、微生物傳感器在測定污染物時有催化過程，可直接通過放大、轉(zhuǎn)換系統(tǒng)產(chǎn)生相應(yīng)的信號，而免疫傳感器中的抗體與污染物作用時沒有催化過程，需要有其它體系幫助才能完成物理信號的轉(zhuǎn)換和放大。酶生物傳感器技術(shù)滿足了現(xiàn)場環(huán)境檢測和快速檢測的需要。近年來，測定有機(jī)磷農(nóng)藥的膽堿酯酶生物傳感器取得了很大進(jìn)步，但是由于膽堿酯酶對有機(jī)磷農(nóng)藥的選擇性差、重復(fù)利用率低、，生物材料易失活的缺點(diǎn)使得此類傳感器很難市場化。

3.4 壓電生物傳感器

壓電生物傳感器是將高靈敏度的壓電質(zhì)量傳感器與特定的生物反應(yīng)結(jié)合在一起的生物分析方法，其工作原理是壓電晶體的振蕩頻率會因表面吸附而降低，把對某種物質(zhì)有特效的敏感材料涂敷晶體置在石英表面，當(dāng)涂敷晶體與配基接觸時就會發(fā)生吸附，從而可定量地測定待測物質(zhì)的含量。劉展眉等[4]以PVP-TMEDA涂敷的壓電傳感器檢測有機(jī)磷農(nóng)藥，檢測限可達(dá)10-9g。

3.5 納米傳感器

利用納米粒子固定生物分子，可以增加固定的分子數(shù)量，從而增強(qiáng)反應(yīng)信號。Singh等[5]用sol gel方法合成硅納米顆粒，其直徑為20nm或200nm。用該納米顆粒固定乙酰膽堿脂酶構(gòu)建有機(jī)磷農(nóng)藥生物傳感器，結(jié)合離子敏場效應(yīng)管檢測，響應(yīng)時間小于10s、靈敏度較高，對殺蟲劑對硝苯磷脂的檢測下限可達(dá)1×10-6mol/L。Cai等[6]把膠體金納米顆粒固定在胱氨酸修飾的金電極表面，增大了有效固定面積，使得檢測下限降低。在聚丁二炔的頭端修飾上具有特異識別功能的生物分子，在溶液狀態(tài)下，待測分子的結(jié)合拉動聚丁二炔納米顆粒的結(jié)構(gòu)變化，從而產(chǎn)生肉眼可見的藍(lán)、紅顏色變化，結(jié)合紫外檢測，結(jié)果更為靈敏，該方法有可能發(fā)展成一種簡單、方便的新型智能生物傳感器。

3.6 液晶型化學(xué)傳感器

美國威斯康星大學(xué)Abbott研究小組于1998年首次報道了液晶型化學(xué)傳感器技術(shù)，該技術(shù)與其他的傳感器技術(shù)的設(shè)計思想完全不同。它是在顯微鏡載玻片上制備出具有納米級波紋狀超薄金屬膜，通過自組裝技術(shù)，在膜上制備出具有一定分子識別能力的敏感膜，然后在敏感膜表面設(shè)法附著液晶分子。由于液晶分子在敏感膜表面具有整齊的取向排列，當(dāng)自組裝敏感膜遇到特定的化學(xué)物質(zhì)時，液晶取向排列發(fā)生變化，從而改變液晶折射光線的能力，導(dǎo)致傳感器的顏色和亮度的轉(zhuǎn)變。趙建軍等[7]研制的液晶型化學(xué)傳感器在氣相條件下檢測沙林模擬劑甲基磷酸二甲酯的線性范圍為0.03-1.00g/m3。

4.結(jié)論

從目前的發(fā)展趨勢可以看出，農(nóng)藥殘留檢測的發(fā)展趨勢是基本檢測方式的改變。本文從有機(jī)磷農(nóng)藥的檢測方法出發(fā)，重點(diǎn)總結(jié)了傳感器技術(shù)在該領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展。單一使用氣敏、光敏、壓電等傳感器進(jìn)行檢測時存在檢測農(nóng)藥的品種受限、精確度和準(zhǔn)確性受多種因素影響較大。發(fā)展迅猛的生物傳感器呈現(xiàn)多樣化的趨勢，盡管技術(shù)還不成熟，卻有著廣闊的應(yīng)用前景，使農(nóng)藥殘留快速檢測技術(shù)呈現(xiàn)多元化的局面。

參考文獻(xiàn)

[1]González G P，Hernando P F，Alegría J S D.An optical sensor for the determination of digoxin in serum samples based on a molecularly imprinted polymer membrane[J].Analytica Chimica Acta，2009，638（2）：209-212.

[2]肖飛，曲云鶴，衛(wèi)銀銀，等.AChE/PAMAM-Au/CNTs/GC傳感器用于有機(jī)磷農(nóng)藥檢測的研究[J].化學(xué)傳感器，2008（4）：36-40.

[3]劉潤，郝玉翠，康天敵.基于碳納米管修飾電極檢測有機(jī)磷農(nóng)藥的生物傳感器[J].分析實(shí)驗(yàn)室，2007，26（9）：9-12.

[4]劉展眉，陳睿，江紀(jì)修.有機(jī)磷農(nóng)藥的壓電檢測法的研究[J].華南師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），1998（3）：35-38.

[5]Singh A K，F(xiàn)louders A W，Volponi J V.Development of sensors for direct detection of organophosphates.PartⅠ：immobilization，characterization and stabilization of acetylcholinesterase and organophosphate hydrolase on silica supports.Biosensors，1999，14：703-713.

[6]Cai H，Xu C，He P.Colloid auenhenced DNA immobilization for the electrochemical detection of sequence specific DNA.Journal of Electroanalytical Chemistry，2001，510（1-2）：78-85.

[7]趙建軍，余建華，左言軍，等.液晶型化學(xué)傳感器檢測有機(jī)磷農(nóng)藥化合物的研究[J].防化研究，2004（1）：26-29.

本文資助項(xiàng)目：北京市級大學(xué)生科學(xué)研究與創(chuàng)業(yè)行動計劃（項(xiàng)目編號：SJ201302033）。

作者簡介：李文（1971—），女，山東德州人，碩士，副教授，主要從事食品安全檢測方面的研究。