量子點傳感體系在有機磷農藥殘留檢測中的應用

張殿偉，王金菊，王艷萍，*

（1.天津科技大學食品工程與生物技術學院，天津300457；2.北京工商大學食品學院，北京100048）

目前，有機磷農藥殘留量較低、效果較好，常被用于農作物生產過程中。近年來，伴隨著有機磷農藥濫用而導致的食品中毒現象逐漸增多，有機磷農藥殘留已成為威脅食品安全主要因素之一。有機磷農藥可與體內的丁酰膽堿酯酶（Butyrylcholinesterase，BChE）和乙酰膽堿酯酶（Acetylcholinesterase，AChE）以共價鍵相結合，生成磷?；憠A酯酶，抑制膽堿酯酶的活性，從而導致ACh在神經系統(tǒng)內大量的堆積[1]，對人體免疫系統(tǒng)、遺傳行為和生殖發(fā)育功能等造成危害[2]。因此建立一個快速、高效檢測有機磷農藥的方法顯得迫在眉睫。

目前常用的檢測有機磷農藥的方法有色譜檢測法、免疫分析法、傳感分析法等[3-6]。色譜檢測法具有較好的檢測準確度以及靈敏度常被用于多種有機磷農藥的檢測，但該方法樣品的前處理過程較為復雜、耗時較長，且需要昂貴的液相色譜或液相色譜質譜聯用等大型儀器[7]。免疫分析法是基于抗原和抗體的特異性結合所決定的，其靈敏度高且特異性強，但對于有機磷農藥的檢測中抗體的制備困難，且高昂的制作成本是制約其商品化的主要因素[8]?；诹孔狱c的傳感分析法是近年來使用較多的檢測方法，具有快速、精確且可重復檢測的優(yōu)勢，量子點作為一種新型無機材料具有獨特的電學和光學性質，其良好的穩(wěn)定性以及較高的發(fā)光效率使其能夠作為一個高靈敏度傳感器應用于食品檢測中[9]。

本文介紹量子點的獨特性質，綜述基于量子點的光學、電化學、分子印跡、適配體、酶免疫傳感體系及新型碳點在有機磷農藥殘留檢測中的應用，為食品快速檢測及分析技術發(fā)展提供理論支持。

1 量子點特質

量子點（quantum dots，QDs），又名半導體納米晶體，是一種準零維的納米材料，其三維尺寸都在1 nm～100 nm之間。由于其尺寸較小，量子點內部電子在各方向的運動都受到明顯的局部限制，所以量子點的量子局限效應特別明顯[10]。當量子點尺寸下降到某一個值時，其因存在不連續(xù)的最低未被占據和最高被占據的分子軌道能級，從而使其帶隙變寬，半導體納米材料的能級變寬，氧化還原能力增強。量子點通常是由II族～VI族（如 Cd、Te、S、Se、Zn 等）或是 III族～V 族元素（如As、P等）組成的，也可以由兩種或兩種以上的復合材料組成核殼包裹結構的納米顆粒（如CdSe/ZnS[11]、CdS/ZnS[12]、CdSe/CdS[13]、CdS/HgS/CdS[14]等），一般為球形或類球形，能夠接受激發(fā)光產生熒光或是磷光的半導體納米顆粒。

與傳統(tǒng)的有機熒光染料相比[15]，量子點作為一種新型的熒光納米材料，具有其獨特的光學特性，包括發(fā)射峰可調且?guī)丢M窄、吸收譜寬、光穩(wěn)定性強以及發(fā)光效率高等，在化學、生物、醫(yī)學和分析檢測等領域具有廣泛的應用前景[16-19]。

2 量子點在有機磷農藥殘留檢測中的應用

2.1 基于量子點光學傳感檢測技術

根據量子點表面與給定物質之間的化學物理反應引起的發(fā)射光譜變化，建立量子點光學傳感器。量子點作為穩(wěn)定的光學傳感器，目前已有多種量子點光學納米材料用于食品基質中有機磷農藥殘留的快速檢測。Hai等將CdTe、CdSe/ZnS以及CdSe/ZnSe/ZnS量子點聯用，根據量子點熒光標記原理檢測有機磷農藥殘留，其線性范圍為 0.05 μg/L～10 μg/L[20]。Qu 等通過采用磺化杯[4]芳烴對CdTe量子點表面進行功能化修飾，從而對有機磷農藥螨胺磷殘留進行檢測，該體系對螨胺磷的檢測可達到12 nmol/L[21]。Zhang等通過Mn摻雜的ZnS量子點構建基于比色、磷光的二維信號傳感體系，快速定量檢測水中和蘋果汁中的有機磷農藥殘留。其快速檢測原理為金納米顆粒對Mn摻雜ZnS量子點磷光性能的內部過濾效應，即隨著金納米顆粒的加入，量子點的磷光會發(fā)生急劇淬滅的現象，并通過觀察吸光度及磷光強度的變化從而對有機磷農藥殘留進行定量。該方法具有較低的檢出限，其對有機磷農藥對氧磷、對硫磷、樂果的檢出限分別為0.29、0.59、0.67 ng/L[22]。

Gao等根據雙酶催化的原理建立檢測有機磷農藥殘留的體系。由于過氧化氫是由乙酰膽堿通過乙酰膽堿酯酶和膽堿酯酶逐步催化而成，所以過氧化氫能與Mn摻雜ZnSe量子點發(fā)生猝滅效應。而有機磷農藥會競爭性的與膽堿酯酶結合，并抑制該酶的活性，同時使淬滅的熒光體系進行恢復。研究表明，熒光的恢復率與乙酰膽堿酯酶的抑制率呈負相關，從而對有機磷農藥進行準確定量檢測[23]。Li等運用量子點熒光標記的原理，采用杯芳烴大分子對量子點進行修飾，合成一種檢測農藥草甘膦的生物傳感體系。該體系在其他農藥存在時可以特異性的檢測草甘膦殘留，其檢測限達到0.072 5 nmol/L[24]，而傳統(tǒng)色譜法的檢測限約為0.1 μg/L～5 μg/L。因此，基于量子點的光學傳感體系對有機磷農藥殘留的檢測具有更高的靈敏性。

2.2 量子點-分子印跡傳感體系

量子點與傳統(tǒng)的有機染料相比具有獨特的光學特性，但是其不具有選擇識別分子的能力。分子印跡聚合物最大的優(yōu)勢在于其具有高選擇性，因此將量子點獨特的光學特性與分子印跡聚合物的特異性相結合，制備得到各種不同的光學傳感體系，利用量子點的光響應信號從而實現對目標物的定性定量檢測。2004年，Lin等首次將量子點運用到分子印跡技術領域，將4-乙烯基吡啶修飾在CdSe/ZnS量子點表面，制備咖啡因分子印跡聚合物薄膜，將其作為光學傳感材料分析識別咖啡因、可可堿和茶堿[25]。Tang等將CdTe量子點與分子印跡技術聯用，以3-氨丙基三乙氧基硅烷為功能單體，四乙氧基硅烷為交聯劑，對硫磷為模板分子合成基于CdTe量子點的分子印跡聚合物。當分子印跡聚合物吸附對硫磷后，量子點的熒光發(fā)生猝滅現象，且猝滅的熒光值與對硫磷濃度成線性關系，其線性范圍 0.05 μmol/L ～1 000 μmol/L，該方法檢測限為 0.218 μmol/L[25]。Ren 等將摻雜 Mn（Ⅱ）的 ZnS 量子點運用到分子印跡聚合物的合成中，該聚合物以丙烯酰胺為功能單體，乙二醇二甲基丙烯酸酯為交聯劑，偶氮二異丁腈為引發(fā)劑，將此熒光傳感體系用于有機磷農藥毒死蜱殘留的檢測，其檢測限為17 nmol/L[25]。Zhao等運用超聲波輔助法合成基于量子點的分子印跡聚合物復合納米材料用于有機磷農藥二嗪農殘留的檢測。由于聚合物基質和模板分子非共價鍵的相互作用，該材料在水性介質中展現良好的特異性。其檢測原理為量子點與目標分子二嗪農之間能量轉移的機理，導致熒光淬滅現象的發(fā)生。量子點熒光猝滅程度和二嗪農的濃度成正比，線性范圍為50 ng/mL～600 ng/mL，檢測限為 50 ng/mL[28]。

目前基于量子點分子印跡傳感體系的研究眾多，雖然其具有高選擇性、高靈敏性等優(yōu)勢，但其距離大規(guī)模應用、工業(yè)化生產仍有一定的差距。其中最主要的困難是聚合物中模板分子萃取過程較長、且需要大量溶劑，甚至造成其特異性空穴的變型，選擇性能力降低的問題。

2.3 量子點電化學傳感體系

電化學生物傳感器是利用生物反應的特異性，利用電極表面電化學信號改變來實現對目標的分析，而量子點具有的高比表面積、高表面活性及小尺寸等特性使它對外界的光、電、溫度等十分敏感，外界環(huán)境的微小改變就會迅速引起其表面或界面粒子價態(tài)和電子轉移行為的顯著變化，從而導致量子點表面目標組分的電化學行為變化，以此構建基于量子點的電化學生物傳感器，憑借其高靈敏度、高選擇性、快速和低成本檢測的特點使量子點在電化學生物傳感器的研究中取得了豐碩的成果。Du等采用半胱氨酸修飾CdTe量子點固定有機磷水解酶，并用多壁碳納米管-金納米復合物修飾普通的玻璃碳電極，將復合物固定在此電極上，制備用于檢測甲基對硫磷殘留的新型電化學傳感器。結果顯示CdTe量子點因其對酶促反應的催化作用以及在電極上大量吸引酶分子，致使其抗干擾能力顯著提高，該方法靈敏度高達0.1 ng/mL[29]。Reddyprasad等用電化學沉積法將ZrO2修飾的碳量子點包裹在玻璃碳電極表面用于水稻中的甲基對硫磷殘留的檢測。由于ZrO2對含磷酸基團有很強的吸附性，再加上碳點和電化學反應的共同作用，該傳感器對甲基對硫磷具有良好的吸附效果，且檢測時間僅需要3 min，線性范圍為0.2 ng/mL～48 ng/mL，檢測限為0.056 ng/mL[30]。Chen等制備二元電化學傳感器用于有機磷農藥殘留的精確檢測。其以共軛聚合物作為陽極，以石墨烯量子點作為陰極。當膽堿酯酶加入時，石墨烯量子點所在的陰極電信號會由于溶解氧的消耗而減弱，而共軛聚合物所在的陽極信號會因為H2O2的生成而增強。當有機磷農藥對膽堿酯酶進行抑制時，陰極的電信號會增強，而陽極的電信號會相應減弱，通過電化學信號的變化對有機磷農藥殘留進行定量檢測[31]。

2.4 量子點-適配體體系

適配體是近年來發(fā)展起來的一類新型識別分子，由于具有相對分子質量小、可化學合成、穩(wěn)定性好、無毒等優(yōu)點，引起廣泛關注。適配體折疊后形成的特定三維結構能與激素、蛋白質、小分子結合，形成特定靶標物，因此適配體具有較強的特異性、高的親和力。近年來量子點優(yōu)異的光學特性與適配體技術相結合，在食品安全檢測分析中受到越來越多的關注。Zhang等通過配體交換誘導熒光轉換，從而檢測食品中的有機磷殺蟲劑。在量子點與雙硫腙的復合物中加入有機磷農藥后，有機磷農藥的水解產物可以在量子點表面發(fā)生配體交換，將雙硫腙替換下來，從而使得量子點的熒光強度得到一定程度恢復。該方法用于檢測蘋果中農藥毒死蜱殘留，其檢測限值為0.1 nmol/L[32]。Zhou等合成水溶性的CdTe/CdS量子點，采用共價偶聯法將量子點標記在DNA核酸適配體上，利用核酸適配體與有機磷農藥的特異性結合作用，在毛細管電泳激光誘導熒光裝置上進行檢測，建立一種準確、快速檢測有機磷農藥的方法。該方法靈敏度較高且也適用于其他與核酸適配體有特異性作用的物質，有較好的應用前景[33]。

基于量子點的適配體體系，具有較高的特異性、選擇性及靈敏度，該體系的出現彌補了基于量子點-分子印跡體系對大分子檢測靈敏度低、檢出困難的不足，但就目前來說該技術仍然面臨著技術瓶頸。由于該技術的高特異性和高靈敏度是來源于適配體與靶標結合的高親和力和高特異性，而在形成傳感體系的過程中常需要對適配器的堿基進行修飾或引入，從而影響靶標與適配體的特異性結合，進而影響高精準檢測。

2.5 量子點-酶傳感體系

量子點和酶類聯用體系已經廣泛用于多種農藥殘留的檢測，尤其是對于有機磷農藥殘留的檢測。由于酶對靶向農藥的特異性，所以其在量子點生物傳感器中常被作為識別元素。乙酰膽堿酯酶是在神經系統(tǒng)中被發(fā)現的酶，也是常被用作熒光探針的酶之一，在其他文獻中其常作為識別元素與其他的納米材料相結合以檢測農藥殘留[34-35]。Yi等采用硅量子點（SiQDs）、AChE 和膽堿氧化酶（choline oxidase，ChOx）合成一種新的生物傳感器來檢測食品基質中的有機磷農藥殘留，研究發(fā)現酶對農藥的抑制效果和農藥濃度的對數成線性關系，其檢測靈敏度與傳統(tǒng)高效液相色譜方法一致，但該方法更加簡單便捷[36]。

另一種常與量子點聯用檢測有機磷農藥的酶是有機磷水解酶（organophosphorus hydrolase，OPH），其能將大多數的有機磷農藥水解成無毒的對硝基苯酚和磷酸二乙酯等產物。根據量子點的不同類型，這些產物會與之反應使熒光強度增加或減少，并以此來進行定量檢測。Yan等將CdTe量子點溶于十六烷基三甲基溴化銨，在OPH存在條件下制備檢測農藥甲基對硫磷殘留的生物傳感器。檢測機理為對硝基苯酚是缺電子化合物，會通過疏水作用力吸附在十六烷基三甲基溴化銨的烷基鏈上從而導致量子點發(fā)生熒光猝滅，加入目標分子后其淬滅的熒光會發(fā)生恢復。將其用于水中對硫磷殘留的檢測線性范圍為25 ng/mL～3 000 ng/mL，且檢測限低達18 ng/mL[37]。在Yan等的另一項研究中，其生物傳感器由CuInS2量子點、鉛離子和OPH組成，依然用來檢測甲基對硫磷。鉛離子會使量子點發(fā)生熒光猝滅，而OPH的另一水解產物二甲基硫代磷酸則會與鉛離子相結合，阻止猝滅反應的發(fā)生。因此隨著農藥濃度的增加，傳感器的熒光強度也會隨之增加，以此來檢測甲基對硫磷[38]。

盡管酶類和量子點聯用是一種高靈敏度、高選擇性的生物傳感器，但仍有制約其大量生產的因素在內。最主要的影響因素是其穩(wěn)定性較差，且溫度和pH值等條件對其影響很大，其次產出和純化這些酶類的時間比較長，不能進行快速化生產。且農藥和這些基于酶的傳感器的反應幾乎都是不可逆反應，很難制備出可以進行重復利用的生物傳感器，增加其工業(yè)化的難度。

2.6 碳量子點在有機磷農藥檢測的應用

碳量子點涵蓋一系列的納米材料包括石墨烯量子點（graphene quantum dots，GQDs）、聚合物量子點和碳納米點，目前這類量子點已經在農業(yè)、食品、生物、醫(yī)藥等領域具有廣泛的應用[39-41]。作為代替半導體量子點的新型材料，其有著獨特的熒光特性，較低的毒性以及良好的生物相容性。目前，已有相關研究將其作為熒光探針對有機磷農藥殘留進行檢測。

Li等將N和S摻雜碳量子點增強碳點光電效應，檢測高毒性有機磷農藥樂果殘留，其檢測限低達5 ppb[42]。Hou等通過檸檬酸和酪氨酸甲酯的水熱反應，將酪氨酸甲酯固定在碳量子點表面，構建基于碳量子點的生物傳感體系，檢測甲基對硫磷殘留。該檢測原理為酪氨酸酶和氧氣會促使酪氨酸甲酯降解成醌類物質，該物質是一種電子受體，當其與碳量子點相連時會導致猝滅效應。而甲基對硫磷則會抑制酪氨酸酶的活性，從而抑制醌類物質的產生，使熒光強度重新增加，以此實現對甲基對硫磷的定量檢測。該方法檢測限低達0.05 nmol/L，線性范圍為 0.1 nmol/L～0.1 mmol/L，且能適用于不同有機磷農藥殘留的檢測[43]。Lin等根據金納米顆粒對碳量子點熒光的內部過濾效應、丁酰膽堿酯酶的水解產物硫代乙酰膽堿對金納米顆粒的團聚效應以及有機磷農藥對丁酰膽堿酯酶活性的不可逆抑制作用，構建了基于金納米顆粒碳量子點的熒光傳感體系，從而實現了對有機磷農藥的快速、靈敏檢測。該試驗用葉綠素合成碳量子點，并用硫代乙酰膽堿對其進行修飾。碳量子點會因金納米粒子的熒光共振能量轉移而發(fā)生猝滅效應。而硫代乙酰膽堿則被BChE酶水解成膽堿，從而使金納米顆粒發(fā)生聚合，恢復量子點因熒光共振能量轉移而降低的熒光性。而有機磷農藥的抑制作用則會導致熒光的恢復率降低。該試驗簡單快捷，在實際樣品檢測中回收率為90%～103.2%，RSD小于3%，該系統(tǒng)有較好的回收率及重復利用率[44]。

碳量子點同樣能和酶以及分子印跡聚合物聯用，但和其他量子點相比，其熒光量子產率偏低，這在很大程度上降低了其應用價值。因此，提高碳量子點熒光量子產率是作為其能否應用在工業(yè)中的最主要問題。

3 結論

半導體量子點由于其獨特的尺寸效應和光電特性，近年來已將研究重心放在了生物熒光標記領域。通過量子點標記不同的離子、有機分子、生物分子，利用其熒光性從而實現對目標物準確地定量分析。本文綜述了幾種基于量子點構建的傳感體系，相比于傳統(tǒng)的分析技術而言，其具有靈敏度高、選擇性高的特點，在有機磷農藥檢測方面具有較大的潛力和較好的應用前景。雖然這幾種技術都是易于制備，且檢測效果良好，但是這幾種技術若要商業(yè)化，建立一個標準的檢測流程，仍有很多問題需要解決。未來量子點的研究方面，會逐漸將現在廣泛使用的基于鎘的量子點替換成毒性更小的量子點，在這一點上碳量子點具有很大的優(yōu)勢和應用前景。在節(jié)約經濟成本的同時縮短對有機磷農藥的檢測時間，建立一個綠色健康的檢測機制會是未來一大發(fā)展趨勢。這些問題仍需要深入的研究，未來量子點熒光傳感技術可能會在檢測有機磷農藥甚至其他農藥方面成為一種重要的分析手段。