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生物传感器在食品农药残留检验中的应用
行业：电子元器件信息来源：上海农业网发布时间：2011-01-21
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我国是农业大国，为保证农业的丰产丰收，农药的使用必不可少。我国常用的农药以杀虫剂最为广泛，毒性也较其它农药大。常用的杀虫剂主要有：有机氯杀虫剂、有机磷杀虫剂、氨基甲酸酯类杀虫剂、拟除虫菊酯类杀虫剂等。但是在保证农业增产的同时，农药的使用也会造成一定的农药残留污染。
农药残留是指农药使用后残存在生物体、食品和环境中农药原体、有毒代谢物、降解物和杂质的总称。农药残留具有一定的毒陛，会直接或间接对人们的健康产生危害。
随着经济的发展和人们生活水平的提高，人们对食品的卫生安全有了更高要求。农药残留污染问题也成为关系食品安全的重要问题之一，农药残留的快速检测更引起了广泛的关注。
目前，常用的农药残留检测手段有气相色谱（GC）、薄层色谱（TLC）、高效液相色谱（HPLC）等。但这些方法大多需要对被分析样品进行前处理，且操作复杂，不能满足现场快速检测样品的要求。
生物传感器广泛渗透生物、化学、物理、信息等各学科领域，具有高选择性、高准确性，且分析快捷，操作简单，是一种先进的检测和监控方法，早在20世纪50年代便应用于检测农药残留。目前，在食品工业、发酵工艺、环境监测、医学诊断等领域得到广泛应用。
1生物传感器
1.1生物传感器的组成与工作原理
生物传感器是指使用固定化的生物分子结合换能器，用以检测生体内或生体外的环境化学物质或与之其特异性交互作用后产生响应的一种装置。
生物传感器主要有两部分组成：特异性生物分子和换能器。传感器上固定化的生物分子具有特异选择性，可以侦测生物体内外环境中特异的化学物质，且与之相互作用后会产生响应的变化信号；换能器则可将生物化学和电化学反应产生的生化反应信号转化为电信号，经过对电信号的放大及模数转换，从而测量被测物及其浓度。传感器的选择性决定特异性生物分子的识别能力，传感器的灵敏度则依赖于换能器对于反应信号的放大能力。
1.2生物传感器的分类
可以根据敏感元件与被测物的相互作用的类型，将生物传感器分为亲和性传感器和代谢性传感器两种；根据使用的换能器不同，生物传感器又可分为生物电极传感器、半导体传感器、热敏生物传感器、光学生物传感器、声波生物传感器、场效应管生物传感器等…。一般根据使用敏感元件也即识别元件不同，可将生物传感器大概分为：酶传感器、免疫传感器以
及组织／微生物传感器等。
1.2.1酶传感器酶传感器又称为酶电极，一般由固定化酶膜和电极组成。固定化酶膜上的酶可以特异性的识别被测物，催化发生相应的反应变化，从而引发电信号。由于酶对底物具有高度的专一性，酶电极检测的物质因膜上的酶不同而不同，构成的传感器也就不同。但唯一不足的是，酶的价格较高，稳定性也稍差。
1.2.2免疫传感器免疫传感器由抗体或抗原和换能器组成，主要用于抗原或抗体的检测。抗原抗体结合时，可引起本身携带的电荷或基团发生变化，从而引发可被换能器检测到的变化信号，达到检测被测物的目的。
1.2.3组织／微生物传感器动植物组织中的酶活性及稳定性皆比分离出来的酶高，且材料易得，制备简单。若直接将动植物的组织薄皮作为感应器制备生物传感器则成为组织传感器。若将活的微生物直接固定在电极表面制成传感器，即成为微生物传感器。微生物以细菌和酵母菌较为常用。同时，此类传感器还可利用微生物的生命活动（如呼吸作用）检测一些代谢物的浓度。缺点是稳定性和选择性还有待提高。
1.2.4纳米生物传感器固定有能选择性结合靶分子的生物探针的纳米传感器称为纳米生物传感器。纳米技术是在纳米尺度上研究物质的结构和性质，并利用具有纳米尺寸的单个原子、分子制造物质的科学技术。纳米尺度的生物材料具有独特的化学物理性质，如表面效应、小尺寸效应、宏观量子隧道效应等。将纳米材料应用于生物传感器，可在很大程度上提高生物传感器灵敏度和准确性，使检测更加高效。将铂纳米颗粒引入到葡萄糖氧化酶电极中，可以改善酶电极的性能，使电极的电流响应值提高了两个数量级。
纳米技术大多以纳米颗粒、纳米器件、纳米结构的形式参与生物传感器的生物标记、信号放大、酶固定以及消除干扰等技术中。目前，关于纳米传感器的研究报道中，以纳米酶传感器的报道较多。
1.3生物传感器的优点
生物传感器集现代生物技术与电子技术于一体，和传统方法比较，有以下优势：检测样品用量少且无需前处理，测定时也无需添加其它试剂，且可同时完成样品中被测组份的分离和检测；响应陕，可反复多次使用，并可实现连续在线监测；仪器成本低，便于推广普及。
2生物传感器检测农药残留的应用
目前国内报道较多的用于检测农残的生物传感器以酶传感器和免疫传感器较多。
2.1酶传感器
2.1.1基于酶抑制原理的生物传感器这种生物传感器主要是基于对胆碱酯酶的抑制作用，检测果蔬中有机磷类和氨基甲酸酯类农药，但抑制多为不可逆抑制；再生困难。目前，研究报道较多的是乙酰胆碱酯类。
乙酰胆碱酯酶广泛存在于动物的组织和血液、昆虫组织和植物中。其主要功能是可快速将乙酰胆碱水解为胆碱和乙酸，保证胆碱能的有效传递。有机磷类及氨基甲酸酯类农药可专一性的与乙酰胆碱酯酶结合，抑制该酶的活性，从而阻止乙酰胆碱的水解。当酶被抑制，氧化电流的大小能准确反应酶被抑制的程度，从而检测出农药残留的浓度。早在20世纪50年代乙酰胆碱酯酶就已用于检测农药残留。
张贤珍等用固定化乙酰胆碱酯酶作识别元件制备的生物传感器检测敌百虫，敌百虫是一种有机磷类杀虫剂。经过研究发现，传感器的频率变化值与敌百虫的浓度呈线性相关，敌百虫的检出限可降至2 nglml，且检测时间较色谱法少。赵鹏林等以固定化丁酰胆碱酯酶BChE（EC 3.1.1.8）为识别元件，以分光光度计为换能器，构建的流动注射型BChE酶生物传感器，在以柠檬酸盐缓冲液为载液的条件下，在西维因的质量浓度范围为0.2～50ug／ml范围内具有良好线性关系。张淑平等以孔径0.45 grn的硝酸纤维膜为固定化载体，制备的乙酰胆碱酯酶传感器与国家标准法分别检测喷洒了相同量农药的果蔬样品中的农药残留，喷洒10.0mg／L的氨基甲酸酯类农药甲萘威和10.0 mg／L的有机磷农药甲胺磷。生物传感器法检测的结果分别是6.56mg，L和7.27mg／L，较GC法稍低，但检测时间仅需30min，较GC法的120min明显更具应用前景。魏福祥等利用乙酰胆碱酯酶生物传感器技术，以苹果、黄瓜为样品，采用标准加入法进行分析，测定蔬菜水果中有机磷农药残留。该方法对马拉硫磷和甲基对硫磷的检出限分别为4.80×10-11、2.93×10-10mol／L。
基于酶抑制原理的酶传感可以采用同时固定两种酶的方法，使传感器对多种农药同时具有检测能力。
2.1.2基于酶水解原理的生物传感器生物传感器上常用的水解酶有：有机磷酸水解酶（0PH）、酸性磷酸水解酶（0PAA）和对硫磷酸水解酶（PH）。报道较多的是有机磷水解酶。
有机磷酸水解酶（0PH）可以水解有机磷农药，产生质子、乙醇等产物。这些产物会向相关装置提供可以检测的信号，换能器再将这些信号转换成可定量分析的光或者电信号，从而检测有机磷农药的浓度。目前，国内关于该类传感器的报道较少，国外较多。
Walker等人开发了一种可用于检测中甲基对硫磷的浓度的聚合胶体晶体水凝胶光学传感器。有机磷水解酶（OPH）与甲基对硫磷发生反应后，可产生一定的质子从而引发水凝胶晶格和稳定性的变化。该传感器就是通过检测这种变化从而测得甲基对硫磷的浓度。该传感器甲基对硫磷的检测下限可降低至0.2umol／L。Zourob等人利用pH敏感聚合物和有机磷酶构造了一个可以检测水凝胶中有机磷杀虫剂的磁电传感器。通过检测有机磷水解酶催化有机磷农药水解引起的pH变化测得农药残留的浓度。该传感器可成功的将对氧磷和对硫磷的检测下限降低到1×10-7和8.5×10-7mol／L。
2.2免疫传感器
免疫传感器操作方便，效应快，具有较好的灵敏度和特异性。主要是利用农药与特异性抗体结合反应，检测食品果蔬中的杀虫剂、除草剂等农药残留。
杨明艳等人基于自组装DDT抗体固定化技术和双通道声表面波检测技术构造了DDT免疫生传感器。通过试验表明，在静态注射的测试方法下，该传感器具有高度的灵敏性和高重
复性，在6×10-9ug／L～29×10-9ug／L检测范围内，传感器输出频率的变化与DDT的浓度成较好的线性关系，其对于DDT的检测下限可降551.57×10-9ug／L，，响应时间为40min。Michele等人利用除草剂阿特拉津的衍生蛋白，基于反射吸收红外线光谱分析法构造了一个可检测阿特拉津浓度的免疫传感器。该传感器通过抗阿特拉津抗体与传感器上抗原结合引起的变化间接引发红外信号发生变化，从而检测阿特拉津的含量。通过试验证实，由该传感器检测到的阿特拉津量与相同条件下由酶联免疫吸附试验测得的结果完全相同。Long等人构造的消散波全光纤免疫传感器，可以快速检测除草剂2，4一二氯苯氧乙酸（2，4-D）的浓度，最低可将2，4-D的检测线降550.07ug／L。该传感器可重复使用100个检测周期，且携带方便，为免疫传感器实现现场快速检测农残成为可能。
3展望
与国外相比，我国的生物传感器研究较为落后，且主要集中于个别种类的传感器，如酶传感器、免疫传感器等。同时，生物传感器在实验室条件下状态良好，但若想在工业生产中也得以广泛使用，其稳定性、精确性和可重复性是最大问题，仍有待进一步改善。
生物传感器与纳米技术、计算机的结合，为传感器的进一步完善做好了铺垫。生物传感器将趋于微型化、多功能化、智能化，更便于人们的携带和使用，短期内将与传统的检测方法同时存在。随着性能的日渐成熟，生物传感器在快速检测食品农残技术的研制开发中，极具发展潜力，拥有广阔的前景。