光電化學(xué)生物傳感器在農(nóng)藥殘留檢測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)展

黃興羽,曾明玥,王飛,董秀秀

(江蘇大學(xué) 農(nóng)業(yè)工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

農(nóng)產(chǎn)品如蔬菜、水果等在生產(chǎn)過(guò)程中不可避免地會(huì)出現(xiàn)多種病蟲(chóng)害,致使產(chǎn)量和質(zhì)量下降。而農(nóng)藥作為重要的生產(chǎn)資料,在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的作用不可忽視。據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道,在每年噴灑農(nóng)藥的情況下能夠挽回生產(chǎn)農(nóng)產(chǎn)品總量的7%[1]。但是隨著農(nóng)藥的大量使用以及使用年限的增加,農(nóng)藥殘留逐漸加重。造成蔬菜農(nóng)藥殘留量超標(biāo)的主要是已經(jīng)禁用的有機(jī)磷農(nóng)藥和氨基甲酸酯類(lèi)農(nóng)藥。而農(nóng)產(chǎn)品中過(guò)量的農(nóng)藥殘留對(duì)于我國(guó)人民以及我國(guó)農(nóng)產(chǎn)品對(duì)外出口貿(mào)易有很大影響,國(guó)家因此對(duì)于農(nóng)藥檢測(cè)制定了嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)(如GB 23200.8—2016,GB 23200.113—2016,GB 2763—2021等)。農(nóng)藥殘留快速檢測(cè)方法主要有生化測(cè)定(酶抑制法[2]、比色法[3]、電化學(xué)傳感法[4])以及色譜檢測(cè)法(液相色譜法[5]、氣相色譜法[6]、毛細(xì)管電泳法[7])等。色譜法具有分析準(zhǔn)確、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn),但依賴于實(shí)驗(yàn)室大型分析儀器,且檢測(cè)費(fèi)用高昂,無(wú)法用于田間地頭的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)且不能及時(shí)反饋于農(nóng)民。生化檢測(cè)抑制法中酶抑制法[2]更為便利,然而其只對(duì)有機(jī)磷和氨基甲酸酯類(lèi)農(nóng)藥殘留檢測(cè)有效,檢測(cè)應(yīng)用具有一定的局限性,且對(duì)于農(nóng)藥殘留的檢測(cè)精度低。

近年來(lái),作為電化學(xué)傳感法中的新興檢測(cè)技術(shù),光電化學(xué)傳感檢測(cè)技術(shù)[8]是將光學(xué)響應(yīng)和電化學(xué)傳感相結(jié)合的一種低背景、高靈敏的檢測(cè)技術(shù)。該技術(shù)以光作為激發(fā)信號(hào),電流作為輸出信號(hào),從能量形式上實(shí)現(xiàn)了信號(hào)分離,降低了背景信號(hào),提高了檢測(cè)靈敏度,且具有取樣量少、快速、簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。以光電化學(xué)傳感檢測(cè)技術(shù)為前提,耦合免疫識(shí)別、適配體結(jié)合等生物傳感策略,構(gòu)筑的光電化學(xué)生物傳感器,在農(nóng)藥殘留檢測(cè)中的應(yīng)用受到了廣泛關(guān)注[9]。

1 光電化學(xué)生物傳感器

光電化學(xué)生物傳感器[10]是將光電化學(xué)反應(yīng)特性與分析探針特異性識(shí)別相結(jié)合的一種新型檢測(cè)技術(shù)。特異性識(shí)別元件與光電活性納米材料通過(guò)共價(jià)鍵或分子間力固定在電極表面;當(dāng)目標(biāo)物質(zhì)與識(shí)別探針結(jié)合形成復(fù)合物,該復(fù)合物會(huì)發(fā)生一系列的物理或化學(xué)反應(yīng),引起傳感器的光電流變化。因此,可以通過(guò)電流的變化來(lái)確定分析物的具體含量。

1.1 光電化學(xué)生物傳感器的組成

光電化學(xué)生物傳感裝置的組成部件,主要包括激發(fā)光源、光電活性材料、生物識(shí)別元件、信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置及信號(hào)放大器等。其中,光電活性材料是光電化學(xué)傳感器實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部分[11],生物識(shí)別元件是實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物捕獲與檢測(cè)的關(guān)鍵。

1.2 光電化學(xué)生物傳感器的分類(lèi)

按照生物識(shí)別元件的不同[12],光電化學(xué)生物傳感器主要分為光電化學(xué)酶?jìng)鞲衅?、光電化學(xué)免疫傳感器、光電化學(xué)適配體傳感器、光電化學(xué)分子印跡傳感器等。根據(jù)信號(hào)響應(yīng)與目標(biāo)物濃度相關(guān)性可以分為信號(hào)減弱型、信號(hào)增強(qiáng)型光電化學(xué)傳感器。

2 光電化學(xué)生物傳感器在農(nóng)藥殘留檢測(cè)中的應(yīng)用

2.1 光電化學(xué)生物傳感器在有機(jī)磷中的檢測(cè)

早在2011年,Li等人[13]利用聚(3-己基噻吩)功能化納米二氧化鈦(TiO2)構(gòu)建可見(jiàn)光且零電位響應(yīng)的光電化學(xué)傳感器檢測(cè)有機(jī)磷農(nóng)藥毒死蜱。如圖1所示,在可見(jiàn)光的照射下,光激發(fā)聚(3-己基噻吩)電子從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶,并注入到納米TiO2的導(dǎo)帶,最后傳遞到電極上;同時(shí)納米TiO2的空穴從價(jià)帶躍遷到聚(3-己基噻吩)的價(jià)帶,并與水反應(yīng)生成羥基自由基,待測(cè)物毒死蜱被氧化成其自由基的形式并促進(jìn)了光電流信號(hào)的放大。

圖1 毒死蜱在P3HT/TiO2修飾電極界面的光電化學(xué)氧化機(jī)理示意圖[13]

在優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)條件下,毒死蜱的檢測(cè)線性范圍為0.2～16 mol/L,檢出限為0.01 mol/L。在其他殺蟲(chóng)劑存在的情況下,該光電化學(xué)傳感器對(duì)毒死蜱表現(xiàn)出極好的選擇性,并能夠用于青菜樣品中毒死蜱的檢測(cè),展示出很好的應(yīng)用前景。為了進(jìn)一步提高傳感器的抗干擾能力,分子印跡聚合物被作為識(shí)別元件用于傳感器的構(gòu)建。Wang等人[14]基于金納米粒子和分子印跡聚鄰苯二胺修飾TiO2納米管(PoPD-AuNPs/TiO2NTs),構(gòu)建了可見(jiàn)光響應(yīng)的光電化學(xué)分子印跡傳感器檢測(cè)毒死蜱,在0.05～10 mol/L濃度范圍內(nèi)展現(xiàn)出良好的相關(guān)性,檢測(cè)限為0.96 nmol/L?；谝阴Ｄ憠A酯酶(AChE)的活性(電子轉(zhuǎn)移)會(huì)受到以毒死蜱為代表的農(nóng)藥的影響,Liu等人[15]將AChE和光電活性材料(Cd0.5Zn0.5S-rGO)修飾在電極表面,基于AChE催化氯化乙酰硫代膽堿增強(qiáng)光電流信號(hào),而農(nóng)藥分子的存在會(huì)抑制AChE的活性,降低光電流信號(hào)。該工作所構(gòu)建的光電化學(xué)酶?jìng)鞲衅鳈z測(cè)毒死蜱的線性相關(guān)范圍為0.001～1 g/mL,檢測(cè)限為0.3 ng/mL。此外,隨著適配體技術(shù)的快速發(fā)展,多種識(shí)別農(nóng)藥分子的適配體被篩選制備,并促進(jìn)了光電化學(xué)適配體傳感器的構(gòu)建。Tan等人[16]基于適配體競(jìng)爭(zhēng)識(shí)別策略和CuS QDs/Co3O4介導(dǎo)的多重信號(hào)放大,建立光電化學(xué)生物傳感平臺(tái),實(shí)現(xiàn)了毒死蜱的高選擇性和高靈敏檢測(cè)。在最優(yōu)條件下,毒死蜱檢測(cè)的線性相關(guān)范圍為0.1 ng/mL～10 mg/mL,檢測(cè)限為0.34 pg/mL。Li等人[17]基于馬拉硫磷與適配體結(jié)合誘導(dǎo)生物催化反應(yīng)生成BiOBr/Bi2S3,獲得光電流響應(yīng)增強(qiáng),實(shí)現(xiàn)馬拉硫磷的靈敏檢測(cè),檢測(cè)限低至0.12 pg/mL。

2.2 光電化學(xué)生物傳感器在氨基甲酸酯中的檢測(cè)

Tian等人[18]以TiO2納米管陣列作為光電基底材料,結(jié)合CdS QDs的原位生成策略,構(gòu)建光電化學(xué)傳感器,實(shí)現(xiàn)了磺草靈的光電化學(xué)傳感檢測(cè)(圖2)。該傳感器的線性范圍為0.02～2.0 ng/mL,檢測(cè)限為4.1 pg/mL。石小雪等人[19]通過(guò)電聚合在AgBiS2/Bi2S3表面電沉積形成分子印跡聚合物膜,能夠特異性識(shí)別殘殺威。殘殺威與印跡孔穴特異性結(jié)合后,阻礙電子供體穿過(guò)孔穴到達(dá)電極表面,導(dǎo)致光電流降低,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)殘殺威的檢測(cè)。在1.0 pmol/L到0.5 nmol/L濃度范圍內(nèi)具有線性相關(guān),檢出限為0.23 pmol/L,用于水果等實(shí)際樣品的檢測(cè),回收率介于101.0%～103.1%之間。Yan等人[20]基于噻吩-硫共摻雜石墨烯復(fù)合氧化鋅(Thiophene-sulfur-doped graphene/ZnO nanoplates)光電復(fù)合材料和適配體識(shí)別反應(yīng)組裝“信號(hào)開(kāi)-信號(hào)關(guān)-信號(hào)開(kāi)”型光電化學(xué)適配體傳感器,實(shí)現(xiàn)了啶蟲(chóng)脒的靈敏檢測(cè),檢測(cè)限為0.33 ng/mL。

圖2 基于TiO2納米管陣列的酶促生物反應(yīng)及硫化鎘量子點(diǎn)的原位合成[18]

2.3 光電化學(xué)生物傳感器在擬除蟲(chóng)菊酯中的檢測(cè)

基于高選擇性農(nóng)藥現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)設(shè)備的迫切需求,Wang等人[21]將分子印跡光電化學(xué)引入基于紙的微流控分析策略中,設(shè)計(jì)了一種紙基的光電化學(xué)檢測(cè)方法(圖3)。分子印跡光電化學(xué)策略是基于CdTe量子點(diǎn)復(fù)合分子印跡聚合物(CdTe QDs@MIPs)構(gòu)建的,并由普通紫外燈(～365 nm)觸發(fā)。利用金納米粒子(Au NPs)將CdTe QDs@MIPs固定在紙基絲網(wǎng)印刷工作電極上,并在工作電極表面電沉積金納米粒子以提高電子轉(zhuǎn)移效率,從而獲得高靈敏度的紙基光電化學(xué)分子印跡傳感器。以高氰戊菊酯為模型分析物,紙基分子印跡光電化學(xué)傳感器在紫外輻射下產(chǎn)生的光電流隨高氰戊菊酯溶液濃度的增加而減小,猝滅型紙基分子印跡光電化學(xué)傳感器的檢測(cè)限為3.2 nmol/L。本研究成功研制了高選擇性、高靈敏度的s-氰戊酸酯監(jiān)測(cè)光電化學(xué)傳感器。

圖3 (A) 絲網(wǎng)印刷工作電極的改性過(guò)程;(B) 紙基MI-PEC傳感器的示意圖;(C) 外部紫外光源下改性紙樣區(qū)的光電流產(chǎn)生機(jī)制示意圖[21]

2.4 光電化學(xué)生物傳感器在有機(jī)氯中的檢測(cè)

Wang等人[22]利用鄰苯基烯二胺(o-PD)單體和γ-六氯環(huán)己烷(林丹)模板分子在TiO2納米管上電聚合,制備了γ-六氯環(huán)己烷分子印跡聚合物薄膜,用于光電化學(xué)傳感檢測(cè)γ-六氯環(huán)己烷分子。如圖4所示,在可見(jiàn)光的照射下,分子印跡聚合物薄膜可以產(chǎn)生從最高的占據(jù)分子軌道到最低的未占據(jù)分子軌道的光電躍遷,將被激發(fā)的電子傳遞到TiO2納米管的導(dǎo)帶中。同時(shí),我們認(rèn)為參與氧化過(guò)程的分子印跡聚合物的正電荷(h+)被消耗,以促進(jìn)放大的光電流響應(yīng)。該傳感器具有良好的特異性,可成功應(yīng)用于γ-六氯環(huán)己烷的識(shí)別和檢測(cè),在0.1～10 mol/L濃度范圍內(nèi)具有良好的線性相關(guān),同時(shí)該傳感器構(gòu)建策略在有機(jī)氯農(nóng)藥處理中具有廣闊的應(yīng)用前景。

圖4 PEC傳感器的制備(A,B,C,D和E)和檢測(cè)機(jī)理(F和G)示意圖[22]

2.5 光電化學(xué)生物傳感器在其他類(lèi)農(nóng)藥分子中的檢測(cè)

其他農(nóng)藥像鏈霉素,也常施用于谷物、蔬菜等,容易引起農(nóng)產(chǎn)品農(nóng)藥殘留問(wèn)題。Okoth等人[23]制備Mo摻雜BiVO4(Mo-BiVO4)與石墨烯納米復(fù)合材料作為光活性材料,構(gòu)建了可見(jiàn)光驅(qū)動(dòng)的光電化學(xué)生物傳感器(圖5)。光電化學(xué)檢測(cè)結(jié)果表明,在Mo-BiVO4中加入適量石墨烯,電荷轉(zhuǎn)移速率提高,可見(jiàn)光吸收增強(qiáng),大大促進(jìn)了光電流響應(yīng)。此外,納米復(fù)合材料中的石墨烯通過(guò)-疊加作用在鏈霉素適配體的固定過(guò)程中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。在沒(méi)有鏈霉素的情況下,由于適配體的位阻作用,光電化學(xué)適配體表現(xiàn)出較弱的光響應(yīng)。在鏈霉素與適配體特異性相互作用后,該傳感器對(duì)鏈霉素的光電流響應(yīng)增強(qiáng),這是由于光產(chǎn)生的空穴對(duì)鏈霉素分子的氧化作用。在最優(yōu)條件下,所制備的光電化學(xué)適配體傳感器對(duì)鏈霉素在0.1～100 nmol/L濃度范圍內(nèi)呈現(xiàn)線性光電流響應(yīng),檢測(cè)限為0.048 1 nmol/L。Liu等人[24]基于界面工程理論構(gòu)建了一種新的直接Z型CdTe量子點(diǎn)(QDs)和WO3納米片的異質(zhì)結(jié)構(gòu),用于鏈霉素的光電化學(xué)適配體傳感檢測(cè)。為了制備具有較大有效面積的固-固界面,采用(3-氨基丙基)三乙氧基鹽(APTES)對(duì)WO3進(jìn)行表面改性,通過(guò)靜電相互作用均勻吸收帶負(fù)電荷的CdTe量子點(diǎn)。合成的CdTe/APTES-WO3異質(zhì)結(jié)構(gòu)具有比CdTe量子點(diǎn)放大2.5倍的光電化學(xué)響應(yīng)。在這種異質(zhì)結(jié)構(gòu)中,證實(shí)了光誘導(dǎo)的Z-Scheme電子轉(zhuǎn)移機(jī)理。利用其優(yōu)越的光電化學(xué)特性,構(gòu)建了一種用于鏈霉素檢測(cè)的高性能光電化學(xué)適配體傳感器。該傳感器在1.0 nmol/L～0.1 mol/L范圍內(nèi)具有良好的線性響應(yīng),檢出限為0.33 nmol/L。此外,該光電化學(xué)適配體傳感器用于辣椒葉片的鏈霉素分析,回收率為90%。

圖5 基于G/Mo-BiVO4修飾電極的光電化學(xué)適配體傳感器檢測(cè)鏈霉素示意圖[23]

3 總結(jié)與展望

光電化學(xué)生物傳感技術(shù)在農(nóng)藥殘留檢測(cè)方面已經(jīng)展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì),如背景信號(hào)低、靈敏度高、檢測(cè)快速等。然而,進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)農(nóng)藥殘留的現(xiàn)場(chǎng)分析,需要簡(jiǎn)化光電化學(xué)傳感裝置,主要包括作為光源的實(shí)驗(yàn)室用氙燈和信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置的電化學(xué)工作站。目前簡(jiǎn)化光源的方式主要是有兩種,一是利用化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生發(fā)光;二是利用太陽(yáng)光。通過(guò)設(shè)計(jì)材料體系獲得化學(xué)反應(yīng)發(fā)光作為激發(fā)光源的光電化學(xué)傳感體系已有報(bào)道[25],但是針對(duì)農(nóng)藥分子的檢測(cè)應(yīng)用還沒(méi)有報(bào)道,因此發(fā)光分子與農(nóng)藥分子間的作用機(jī)理需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)探究。太陽(yáng)光驅(qū)動(dòng)作為光源激發(fā)的光電化學(xué)傳感體系是現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的發(fā)展趨勢(shì)[26],解決受天氣、時(shí)間等影響的太陽(yáng)光照強(qiáng)度變化,是值得關(guān)注的問(wèn)題。此外,通過(guò)界面工程理論調(diào)控光電活性材料的能級(jí)配置,設(shè)計(jì)制備具有光伏效應(yīng)的光電復(fù)合材料,利用光電壓驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生電流信號(hào),以微型萬(wàn)用表替代電化學(xué)工作站[27],進(jìn)一步地簡(jiǎn)化光電化學(xué)傳感裝置,推動(dòng)光電化學(xué)生物傳感技術(shù)在農(nóng)藥殘留現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)分析的研究進(jìn)程。