生物傳感器在農(nóng)藥殘留快速測(cè)定中的應(yīng)用

崔麗偉，胡 平，劉俊桃

(河南牧業(yè)經(jīng)濟(jì)學(xué)院 食品與生物工程學(xué)院，河南 鄭州 450046)

自上個(gè)世紀(jì)以來(lái)，農(nóng)產(chǎn)品增產(chǎn)很大程度上獲益于農(nóng)藥的推廣應(yīng)用。然而，即便是在極低濃度下農(nóng)藥殘留也會(huì)對(duì)人體造成許多不利影響，因此對(duì)農(nóng)藥殘留的檢測(cè)意義重大。色譜技術(shù)以及色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)在農(nóng)藥殘留檢測(cè)中的應(yīng)用十分普遍，且部分已有國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)，但該類方法存在需要專業(yè)人員操作、儀器昂貴、樣品預(yù)處理過(guò)程復(fù)雜、測(cè)定耗時(shí)長(zhǎng)、分析成本高等缺點(diǎn)，從而限制了這些技術(shù)的廣泛應(yīng)用[1]。近年來(lái)，隨著電化學(xué)方法的不斷發(fā)展，生物傳感器隨之產(chǎn)生。它具有靈敏度高、檢出限小、易制備、測(cè)定成本低等優(yōu)點(diǎn)，在物質(zhì)痕量檢測(cè)方面引起越來(lái)越多學(xué)者的注意。本文根據(jù)生物傳感器的類型及檢測(cè)原理，簡(jiǎn)要介紹生物傳感器在農(nóng)藥殘留中的應(yīng)用。

1 生物傳感器的定義、原理及分類

Clark于1956年首次提出生物傳感器的概念，并在六年后成功地將葡萄糖氧化酶與氧電極結(jié)合測(cè)定了葡萄糖，間接驗(yàn)證了隔離式氧電極檢測(cè)方法的可行性，酶電極由此產(chǎn)生。隨著分子生物學(xué)與微電子學(xué)的持續(xù)發(fā)展，生物傳感器的方法和理論也在不斷發(fā)展變化[2]。國(guó)際理論和應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)將生物傳感器定義為與轉(zhuǎn)能器保持直接空間接觸的生物識(shí)別元件(受體)提供特殊的定量和半定量分析信息的一個(gè)獨(dú)立、完整的裝置，測(cè)定原理如圖1所示。待測(cè)樣品擴(kuò)散后與生物識(shí)別元件匯合，樣品中的特定目標(biāo)分析物會(huì)迅速和傳感器的生物敏感層以酶與底物、抗原與抗體、核酸與其互補(bǔ)片段等方式進(jìn)行特異性識(shí)別，出現(xiàn)聲音、熱量、顏色、質(zhì)量等物理信號(hào)的變化，經(jīng)特定儀表放大處理后被顯示、記錄。生物敏感元件顯現(xiàn)的這些物理變化經(jīng)不同的信號(hào)轉(zhuǎn)換器(離子選擇電極、壓電裝置、熱敏電阻、光敏管等)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，進(jìn)行定量處理并經(jīng)過(guò)二次放大處理后被輸出，通過(guò)直接電極測(cè)定其電壓或電流值，通過(guò)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)即可換算出被測(cè)樣品中所含待測(cè)物物質(zhì)的量和濃度。

圖1 生物傳感器的工作原理

除了在生物技術(shù)方面的應(yīng)用，生物傳感器在食品工業(yè)、發(fā)酵產(chǎn)業(yè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)及醫(yī)藥領(lǐng)域也有一定的應(yīng)用。依據(jù)不同條件生物傳感器可劃分為不同類型。按生物傳感器識(shí)別元件感受器敏感層不同，可分為酶?jìng)鞲衅?、免疫傳感器、?xì)胞傳感器、組織傳感器等；按生物傳感器中信號(hào)轉(zhuǎn)換器的檢測(cè)原理不同，可分為酶電極生物傳感器、光學(xué)生物傳感器、壓電生物傳感器、聲波道生物傳感器、介體生物傳感器、場(chǎng)效應(yīng)管生物傳感器、熱敏生物傳感器、光敏生物傳感器等；按生物傳感器中待測(cè)物質(zhì)與生物敏感層作用類型不同，可分為親和型生物傳感器、代謝型生物傳感器。在生物傳感器的實(shí)際使用中，不同類型生物傳感器的構(gòu)成部件是通用的，各個(gè)類型之間存在著相互聯(lián)系。常用于農(nóng)藥殘留檢測(cè)的生物傳感器有：酶?jìng)鞲衅?、微生物傳感器、免疫生物傳感器和壓電生物傳感器等?/p>

2 生物傳感器在農(nóng)藥殘留檢測(cè)中的應(yīng)用

2.1 酶?jìng)鞲衅?/h3>

在生物傳感器的應(yīng)用中，酶是首次被使用的分子識(shí)別元件，不同種類的酶制成的生物傳感器在測(cè)定農(nóng)藥時(shí)的響應(yīng)機(jī)理不同，例如，酪氨酸酶對(duì)酚類農(nóng)藥有催化作用，有機(jī)磷酸酯類農(nóng)藥對(duì)乙酰膽堿酯酶有特異性抑制作用[3]。

乙酰膽堿是高等動(dòng)物體內(nèi)主要的神經(jīng)遞質(zhì)，乙酰膽堿酯酶可迅速將乙酰膽堿水解生成醋酸鹽和膽堿，從而實(shí)現(xiàn)神經(jīng)系統(tǒng)的正常信號(hào)傳輸。Lu等[4]將制備好的鈀@金納米復(fù)合材料修飾電極表面負(fù)載的乙酰膽堿酯酶，構(gòu)建了一種有機(jī)磷農(nóng)藥對(duì)氧磷的檢測(cè)方法，該方法檢出限為3.6 pM，線性范圍是3.6 pM～100 nM。李純等[5]采用靜電紡絲法制備了氧化鋅微納米纖維材料修飾玻碳電極，然后在其表面負(fù)載酪氨酸酶，構(gòu)建了Tyr/ZnO/CS/GCE生物傳感電極來(lái)檢測(cè)鄰苯二酚的含量，該方法特異性好、靈敏度高且線性范圍寬，為廢水中鄰苯二酚含量的檢測(cè)提供新思路。

單一酶?jìng)鞲衅鲀H能檢測(cè)單一環(huán)境污染物，這已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足日益嚴(yán)峻的食品安全問(wèn)題的需要。因此，人們開(kāi)始在傳感器上嘗試多酶組合來(lái)增加可檢測(cè)污染物的數(shù)量，例如可以通過(guò)固定酪氨酸酶和蟲漆酶來(lái)檢測(cè)各種酚醛樹脂的殘留物。

2.2 微生物傳感器

近年來(lái)，分子生物學(xué)的發(fā)展為改變現(xiàn)有酶活性或在宿主細(xì)胞中表達(dá)外源蛋白提供了可能，使得微生物傳感器有了更為廣闊的應(yīng)用空間[6]。

微生物傳感器的基本檢測(cè)原理如下：微生物利用物質(zhì)進(jìn)行呼吸代謝時(shí)會(huì)消耗溶液中的可溶性氧或制造電活性產(chǎn)物，可溶性氧的消耗量和電活性產(chǎn)物的總量反應(yīng)被檢測(cè)物質(zhì)的量。通過(guò)氣敏薄膜電極或離子選擇性電極來(lái)檢測(cè)可溶性氧和電活性產(chǎn)物的變化，從而得出所檢測(cè)物質(zhì)的總量[7]。例如，將小球藻固定到聚乙烯包被的碳電極表面，通過(guò)二極管照明在短時(shí)間內(nèi)快速檢測(cè)出除草劑中多種成分的含量。

微生物傳感器將微生物緊密固定在傳感器上，利用生物傳感器反應(yīng)時(shí)間短、操作穩(wěn)定性好和能長(zhǎng)期使用的特性，達(dá)到重復(fù)利用的目的。由于黃桿菌具有有機(jī)磷水解酶，可將甲基對(duì)硫磷水解為可檢測(cè)的對(duì)硝基苯酚，從而為痕量檢測(cè)甲基對(duì)硫磷提供了新思路。Kumar等[8]根據(jù)此原理，使用玻璃纖維濾紙將黃桿菌固定，開(kāi)發(fā)了一種用于甲基對(duì)硫磷農(nóng)藥檢測(cè)的光學(xué)微生物傳感器，該方法操作簡(jiǎn)單、重現(xiàn)性好，所需樣品量?jī)H需75 μL，檢出限低至0.3 μM。楊瑞紅[9]綜述了微生物傳感器在有機(jī)磷殘留檢測(cè)中的應(yīng)用，指出近年來(lái)為了構(gòu)建監(jiān)測(cè)有機(jī)磷殘留的微生物傳感器，不同類型的細(xì)胞被引入傳感器的研究中，例如細(xì)胞表面表達(dá)有機(jī)磷水解酶(OPH)的E．Coli微生物傳感器，細(xì)胞表面表達(dá)OPH的對(duì)硝基酚(PNP)降解細(xì)菌的微生物傳感器，基于釀酒酵母的微生物傳感器等。

2.3 免疫生物傳感器

1990年免疫傳感器的概念被首次提出，它具有靈敏度高、特異性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)便及成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于臨床醫(yī)學(xué)、生物學(xué)、食品工業(yè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等多個(gè)不同領(lǐng)域。免疫傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)免疫診斷的定量化與操作的自動(dòng)化，目前應(yīng)用較為廣泛。

免疫傳感器[10]是利用抗體對(duì)抗原特異性識(shí)別和結(jié)合的特點(diǎn)，通過(guò)將抗體(或抗原)固化膜與信號(hào)轉(zhuǎn)換器相結(jié)合實(shí)現(xiàn)對(duì)抗原(或抗體)的檢測(cè)。當(dāng)樣品中的抗原選擇性結(jié)合膜上固定抗體時(shí)，膜內(nèi)離子載體的性質(zhì)會(huì)發(fā)生顯著改變，進(jìn)而導(dǎo)致電極上電位發(fā)生變化，以此來(lái)檢測(cè)待測(cè)抗體濃度。蔣雪松等[11]將毒死蜱人工抗原作為特異性識(shí)別原件固定在金電極表面，制備了特異性傳感器，樣品中的待測(cè)組分與電極表面的人工抗原競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合溶液中的抗體，從而間接測(cè)定樣品中毒死蜱含量。通過(guò)對(duì)傳感器的靈敏度和準(zhǔn)確度進(jìn)行評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)所建方法檢出限低、準(zhǔn)確性和回收率高。

納米材料因其生物相容性好、表面活性位點(diǎn)多、比表面積較大、吸附力強(qiáng)等特性，漸漸地進(jìn)入電化學(xué)免疫傳感器研究領(lǐng)域[12]。將納米材料用在免疫傳感器上，不僅可以提高電極表面生物分子的吸附量，還可以保持抗原和抗體的生物活性不降低，最重要的是能夠加快響應(yīng)界面電子傳導(dǎo)或催化電極表面化學(xué)反應(yīng)，因此兩者結(jié)合可以用來(lái)研制高靈敏度、高選擇性的免疫傳感器。目前研制電化學(xué)免疫傳感器的關(guān)鍵在于如何將生物分子有效地固定在電極表面而不改變其穩(wěn)定性與活性。鄒敏[13]合成了四葉草狀的AuNP-Thi-MoS2納米復(fù)合材料，用于修飾電極，然后在其表面負(fù)載待測(cè)抗體，采用方波伏安法、交流阻抗法對(duì)傳感器制備過(guò)程進(jìn)行表征，對(duì)傳感器的準(zhǔn)確度、靈敏度、選擇性等進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果顯示該免疫傳感器能夠較好地用于樣品測(cè)定，采用MoS2-金屬顆粒復(fù)合材料為基底的免疫傳感器具有廣闊的應(yīng)用前景。

2.4 壓電生物傳感器

壓電生物傳感器是利用壓電石英諧振器的傳感特性監(jiān)控原料發(fā)生反應(yīng)后的共振器頻率而檢測(cè)原料是否發(fā)生改變，其優(yōu)勢(shì)為響應(yīng)頻帶寬、靈敏度高、信噪比大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、重量輕等[14]。

壓電生物傳感器中最具代表性的是石英晶體壓電傳感器。石英晶體壓電方法的核心是將目標(biāo)受體固定在石英晶體的電極表面，在與配體結(jié)合時(shí)測(cè)量該目標(biāo)受體在電極表面反應(yīng)的信號(hào)轉(zhuǎn)化，然后檢測(cè)由晶體表面變化造成的晶體頻率改變。

蔣雪松等[15]構(gòu)建了一種基于流動(dòng)注射的有機(jī)磷農(nóng)藥壓電免疫生物傳感器，比較了不同有機(jī)磷單克隆抗體在石英晶體金電極表面上的固定方式對(duì)待測(cè)信號(hào)產(chǎn)生的影響，建立了有效捕獲有機(jī)磷農(nóng)藥抗原的方法。結(jié)果表明，當(dāng)有機(jī)磷濃度在0.005～10 μg/mL范圍時(shí)與晶體頻率變化呈較好的相關(guān)性，所建方法最低檢出限為2.16×10-3μg/mL。

除此之外，其他種類的生物傳感器，例如以人工模擬生物分子為基礎(chǔ)的生物傳感器、全細(xì)胞生物傳感器、光纖生物傳感器等也已經(jīng)被開(kāi)發(fā)。

3 小結(jié)

近年來(lái)，隨著分子生物學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、食品科學(xué)的發(fā)展，生物傳感器在其檢出限、重復(fù)性、適用范圍、靈敏度方面得到了較大改善，但是仍然存在一系列問(wèn)題，例如特異性、穩(wěn)定性需要進(jìn)一步提高，制備過(guò)程需要簡(jiǎn)化等。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，生物傳感器必將向多組分同時(shí)測(cè)定、微型化、智能化的方向發(fā)展，以適應(yīng)社會(huì)發(fā)展的需求。