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酶抑制分光光度法与表面增强拉曼散射在农药检测中的进展

文档作者：翁士状李淼李华龙罗伟文档来源：中国科学院合肥智能机械研究所		点击数：	更新时间： 2025年07月20日
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第6 卷 第9 期 食品安全质量检测学报 Vol. 6 No. 9
2015 年9 月 Journal of Food Safety and Quality Sep. , 2015
基金项目: 国家高技术研究发展计划(“863 计划”) (2013AA102302)
Fund: Supported by National High-tech R&amp;amp;D Program of China (863 Program) (2013AA102302)
*通讯作者: 李淼, 研究员, 博士生导师, 主要研究方向为农业信息化。E-mail: mli@iim.ac.cn
*Corresponding author: LI Miao, Professor, Hefei Institute of Intelligent Machines, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230031, China.
E-mail: mli@iim.ac.cn
酶抑制分光光度法与表面增强拉曼散射在
农药检测中的进展
翁士状, 李 淼*, 李华龙, 罗 伟
(中国科学院合肥智能机械研究所, 合肥 230031)
摘要: 实现有机磷农药残留的快速检测, 对农产品质量安全和人民生命健康具有重要意义。本文针对有机磷
农药快速检测中的酶抑制分光光度法和表面增强拉曼光谱技术(SERS)分别就研究进展、应用情况以及面临的
问题进行综述, 旨在为后续有机磷农药快速检测的研究人员提供技术与应用参考。酶抑制分光光度法可对样品
中有机磷农药残留总量做粗略估计, 主要应用于大量样品进行快速筛选, 但在检测过程中, 存在酶活性一致性
差、易受检测对象干扰以及检测环境严格等缺点。SERS 技术具有指纹特性、检测速度快、检测成本低以及检
测精度高等优点, 可对样品中的有机磷农药残留进行快速定性定量分析, 具有巨大的应用潜力。当然, 作为新
兴分析手段, 在重复与稳定性上仍面临一些问题。
关键词: 酶抑制分光光度法; 表面增强拉曼散射; 有机磷农药; 快速检测
Progress of enzyme inhibition spectrophotometry and surface enhanced
Raman scatter for detection of pesticides
WENG Shi-Zhuang, LI Miao*, LI Hua-Long, LUO Wei
(Hefei Institute of Intelligent Machines, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230031, China)
ABSTRACT: Rapid detection of organophosphorus pesticide is of great significance for the quality and safety
of agricultural products and the people's health. This paper summarized the research progress, application
situation and problems of enzyme inhibition spectrometry and surface enhanced Raman scatter (SERS)
technology, which aimed to provide the technology and application reference on the detection of
organophosphorus pesticide for the subsequent researchers. The enzyme inhibition spectrophotometry is for the
rough and total estimate of the organophosphorus pesticide residues and realizes to a large number of the
samples. But it has the shortcomings of the poor consistency of the enzyme activity and stringent testing
environment, and it is also susceptible to some objects. SERS has the advantages of fingerprint characteristics,
high detection speed and precision, and low cost into consideration, it has great potential for the qualitative and
quantitative analysis for pesticide residues in the samples. However, as a new analysis method, it is still faced
with some problems of the repetition and stability.
KEY WORDS: enzyme inhibition spectrophotometry; surface enhanced Raman scatter; organophosphorus
pesticide; rapid detection
3576 食品安全质量检测学报 第6 卷
1 引 言
农药是农业生产中不可或缺的生产资料, 在保证农
业产量、减少农业损失方面发挥重要作用。但随着农药的
大量不合理使用, 其所造成的环境污染以及对人体身体健
康的危害, 越来越受到人们的高度关注和重视, 探索合适
的农药检测技术是现阶段亟需解决的。农药施用中, 有机
磷农药所占比重最大[1], 本文将讨论有机磷农药残留的检
测方法。
常见有机磷农药残留的实验室检测方法包括气相色
谱法(GC)[2]、高效液相色谱法(HPLC)[3,4]、气相色谱串联质
谱法(GC-MS)[5]、液相色谱串联质谱(LC-MS)[6]等。它们具
有分离效能高、灵敏度高、重复性好、选择性高等优点, 发
展成熟, 现已被国家规定为标准检测方法。当然, 上述方法
也存在一些缺点, 比如说前处理繁琐、分析具有破坏性、
试剂消耗大、耗时长、成本高, 同时分析所用的仪器昂贵
且庞大、笨重, 只适用于抽样检测。
我国农业生产中, 种植基地、批发市场、超市、海关
等生产流通环节, 都需要进行有机磷农药残留的检测。因
此, 如何实现有机磷农药残留的快速检测是研究工作重点
方向。在农药快速检测中, 酶生物与光谱检测技术[7]显示
出独特的优越性, 具体包括酶制剂速测卡法、酶抑制分光
光度法、酶联免疫法[8]、酶生物传感器法[9,10]、近中红外光
谱法[11,12]、荧光光谱法[13,14]和拉曼光谱法等[15-17]。现阶段,
酶抑制分光光度法是应用最为广泛的有机磷农药快速检测
方法; 而在拉曼光谱基础上发展而来的表面增强拉曼散射
(SERS)技术由于其高探测灵敏度、高分辨率、水干扰小、
可猝灭荧光等优点, 在农药残留快速检测方面拥有巨大的
应用潜力。本文将针对上述2 种方法检测原理、应用情况
及面临问题方面进行综述, 为有机磷农药残留检测技术的
发展和应用提供一定参考。
2 酶抑制分光光度法
2.1 酶抑制分光光度法检测原理
酶抑制法检测有机磷农药是基于有机磷农药对乙酰
胆碱酯酶活性的抑制作用, 通过测量酶促反应速率(酶活
性)的变化进而获知农药残留量。与分光光度法相结合则是
具体来测定溶液的显色反应来间接得到酶活性变化。合适
情况下, 乙酰胆碱酯酶水解底物-碘化硫代乙酰胆碱(BTCI)
或者硫代乙酰胆碱(AsCh), 产生硫代胆碱和乙酸, 然后,
硫代胆碱和显色剂-二硫代二硝基苯甲酸(DTNB)产生显色
反应, 使得反应溶液呈现黄色, 然后用分光光度计测定
412 nm 处的吸光度变化值。对样品中的农药残留的检测具
体过程是将乙酰胆碱酯酶和样品提取液相混合, 并加入显
色剂, 在适合水浴温度下静置一段时间后, 加入底物混匀
后, 测量固定时间内的吸光度变化值。与此同时, 需要检测
空白样品(只含有提取液)的相同时间内吸光度变化。利用
下式计算出抑制率, 根据抑制率的大小判断样品中有机磷
农药残留的情况。
1 2
1
100%
 
 

IR A A
A
IR 为抑制率(inhibition rate); A1为空白样品吸光度
的变化值; A2 为被测样品吸光度的变化值。
2.2 酶抑制分光光度法在有机磷农药检测的应用
利用酶抑制分光光度法来检测有机磷农药, 相关学
者展开许多研究工作。侯明迪等[18]采用植物酯酶测定有机
磷农药-敌敌畏(DDVP)和甲基对硫磷的条件方法, 并采用
酶促反应速率替代原来的反应平衡时的吸光值来表示酶的
活性, 通过活化剂使甲基对硫磷对酶活性的抑制提高
50~100 倍, 其最小检出浓度分别为0.01 mg/kg 和0.166
mg/kg。邱朝坤等[19]对酶抑制法快速检测有机磷农药残留
进行研究, 以鲫鱼脑、肝脏和肌肉乙酰胆碱酯酶为检测用
酶, 对5 种蔬菜中有机磷农药残留进行检测, 根据AChE
酶活抑制率和农药抑制方程, 判断农药残留情况。当AChE
酶活抑制率大于35%时, 可判断该样品中农药残留超标,
该方法的回收率在80%~120%之间。此外, Jin 等[20]用酶抑
制法测定有机磷和氨基甲酸酯类农药含量, 酶活力的抑制
率与农药的浓度呈正相关, 检测方法对呋喃丹、西维因、
对氧磷、敌敌畏的检测限分别是3.5、50、12 和25 μg/L, 该
检测方法已用于蔬菜汁中呋喃丹的测定, 含不同浓度呋喃
丹大白菜汁的回收率在93.2%~107%之间, 油菜汁的回收
率在108%~118%之间。
现阶段, 我国农业生产中农民专业知识匮乏、农药过
量以及不合理施用频率高, 导致国内农产品农药残留问题
日益突出。酶抑制分光光度法由于检测成本低、快速及简
单易操作, 被国家、农业部规定为有机磷农药残留的标准
速测手段。使用酶抑制分光光度法检测有机磷农药, 具有
以下优点: 样品前处理简单, 检测过程快速, 每份样品从
前处理到确认最终检测结果只需要30 min 左右, 能很快确
认高残留的果蔬, 有效防止其流入市场造成中毒事件, 适
用于基层农产品质量安全监管机构; 单次检测的费用较低,
可以对大范围的果蔬样品进行初筛, 与实验室精确分析手
段-气相色谱等方法结合可构建完善的农药残留监控网络。
不可避免地, 该方法也存在一些问题。首先, 检测过
程中酶试剂的活性不易精确控制, 检测结果差异明显, 重
复性差。其次, 由于酶抑制方法是针对有机磷和氨基甲酸
酯2 大类农药, 不具有选择性, 对农药种类与具体含量方
面就无法确认。再者, 基于本方法对各种农药的检出限偏
高, 多数情况下, 无法达到国家对果蔬中最大农药残留量
的限定值。此外, 在检测过程中, 芹菜、韭菜、洋葱、番茄
第9 期 翁士状, 等: 酶抑制分光光度法与表面增强拉曼散射在农药检测中的进展 3577
及菌类等蔬菜汁液中, 含有对酶有影响的植物次生物质,
如氯代烟碱类, 易造成假阳性结果, 建议采用整株(或大
块蔬菜)浸提的前处理。当然, 一些颜色比较深的样品, 在
检测中也存在干扰, 宜多次过滤或使用活性炭吸附去除
色素干扰[21]。实验试剂的保存条件严格, 除缓冲液外, 乙
酰胆碱酯酶、显色剂、底物都必须在合适的温度下储存,
一般建议是在0~4 ℃左右, 而且不宜长时间放置或反复
冻化[22]。
3 表面增强拉曼散射技术
3.1 表面增强拉曼散射技术检测原理
表面增强拉曼散射技术是源自于拉曼散射光谱。拉曼
散射光谱是印度物理学家Raman 于1928 年发现的[23]。单
色光照射在分子表面会发生散射, 部分散射光由于与物质
分子间发生非弹性碰撞, 进行能量交换。散射光与原始激
发的单色光的波长发生改变, 所形成的就是拉曼光谱。光
谱中尖锐的峰表征了物质分子间的振动与转动信息, 拉曼
光谱具有指纹特征, 不同物质具有不同拉曼光谱特征峰,
因此, 拉曼光谱可用于物质的分析与检测。但常规拉曼散
射截面较小, 拉曼散射的灵敏度较低, 严重制约拉曼光谱
在物质分析检测中的应用。1974 年Fleischmann 首次在吡
啶吸附的粗糙银电极上观察到拉曼散射效应得到极大的增
强, 此种现象被称为表面增强拉曼散射(SERS)[24]。SERS
现象的发现有效地解决拉曼散射在分析检测中低灵敏度问
题, 极大拓展其应用领域。
SERS 增强效应体系非常复杂, 体系表面形貌和表面
电子结构、光和粗糙表面的互相作用、光和分子的互相作
用、分子在表面的取向、成键作用以及分子和表面的周边
环境、入射光的强度、频率、偏振度和偏振方向等因素对
SERS 图谱都存在较大影响, 这种复杂性导致人们对SERS
效应增强机理还没有一个统一而精确的认识[25]。目前, 大
部分研究人员比较认可的是电磁增强(EM)[26]和化学增强
(CT)[27]共同导致SERS 效应的出现。电磁增强机理一般认
为是入射激光与金属粒子之间的互相作用形成等离子共振,
共振又会大大提高其表面局域电场强度, 继而使入射光和
散射光电场都得到放大。化学增强则是认为是金属、分子、
入射激光在近距离上的互相作用而引起的类共振, 使得散
射信号得到增强。
想获取高质量的SERS 信号, 增强基底的材料与结构
是其中关键。一般来说, 较强的表面增强拉曼散射效应只
在一些粗糙化贵金属、碱性金属或过渡金属表面上出现。
其中, 贵金属包括金、银、铜等, 碱性金属如锂、钠、钾等
以及过渡金属像铁、钴、镍等。大量实验表明, 银的拉曼
散射增强能力最强, 金和铜次之。同时, SERS 效应对金属
表面的粗糙度、衬底表面形貌和介电常数等也有着特殊要
求。因此, 选择合适的表面增强基底制备方法是至关重要
的。目前, 主要制备方法包括电化学氧化还原法[28]、沉积
法[29]、化学刻蚀法[30]、金属溶胶法[31]、平板印刷法、金属
/氧化物核壳法[32,33]等, 上述方法制备的基底材料在增强性
能与重复性上仍存在一定问题。因此, 制备出增强性能优
且重复性好基底材料是需要大力探索与研究的。
3.2 SERS 光谱在有机磷农药检测的应用
国内外利用SERS 光谱检测有机磷农残检测方面取得
一定的进展。吉芳英等[34]以金银核壳粒子为基底获得了不
同浓度及其酸碱条件下氧化乐果的SERS 光谱, 发现在酸
性环境下信号更好, 检测限达到2×10-10 mol/L。叶冰等[35]
使用共焦显微拉曼光谱仪采集脐橙表皮氧乐果的SERS 光
谱, 并用不同的光谱预处理方法结合偏最小二乘法(PLS)
建立分析模型, 分析RMSEP 为6.424 mg/L。笔者[36-38]在纳
米银溶胶颗粒基础上, 同时结合化学计量学方法实现了对
乙基对氧磷、敌瘟磷及甲基对硫磷的定性与定量分析, 检
测限达到0.1 mg/L。Liu 等[28]采用外壳厚度不同的Au@Ag
核壳纳米粒子, 检测出水果表皮上的福美双、毒死蜱、甲
基对硫磷等多种有机磷农药, 其中, 对水果表皮上福美双
的检测限为1.5 ng/cm2。Guerrini 等[39]测量了乐果和氧化乐
果的SERS 光谱, 最低可检出的浓度达到10-5 mol/L。Li
等[40]利用动态SERS 检测技术完成对对氧磷、杀螟硫磷检
出限为0.026、0.011 mg/L, 同时也测试了对上述2 种农药
的量化检测限为0.042、0.016 mg/L。
SERS 光谱的检测速度快、实际检测成本低以及由于
光谱信号的极大增强后所形成的超高检测精度, 使得其在
物质检测中凸显出特别的优势, 非常适合有机磷农药超低
残留的检出应用。同时, SERS 技术还可与其他技术互补联
用, 比如毛细管电泳[41]或色谱[42]联用技术, 来满足农残检
测中的复杂要求。一些研究人员还将SERS 增强材料组装
到光纤上, 作为高灵敏度的检测传感器[43,44]。现在, 光谱仪
生产厂家如HORIBA Scientific, Ocean Optics 已经开发出
手持或光纤拉曼光谱仪, 为SERS 技术在农药现场检测创
造了条件。在实际检测中, SERS 技术也面临一些问题与挑
战。SERS 技术是依靠增强衬底对拉曼散射的极大增强来
达到的, 在检测中被检测样就需要与增强基底进行接触,
这就使其丧失光谱检测中的非接触与侵入的优点。而且,
处于基底不同位点上的增强作用存在差异, 同时信号强度
易受到激发波长、共振效应、测量环境等外部条件影响[45],
检测中SERS 信号的重复性与稳定性较差, 不利于其在定
量分析中的应用。虽然化学计量学方法的引入会在一定程
度上提高SERS 光谱的定量分析能力, 问题并未从根本上
解决。但随着SERS 机理的深入探索、纳米材料的不断发
展、光学组件性能的提升及化学计量学方法的持续研究,
未来SERS 光谱的重复性与稳定性将会得到大大的提高,
在有机磷农药以及其他物质的定量检测方面必将焕发新的
活力。
3578 食品安全质量检测学报 第6 卷
4 结 论
本文主要讨论了有机磷农药残留的2 种快速检测方法:
酶抑制分光光度法、SERS 技术。酶抑制分光光度法应用
于样品中有机磷农药残留总量的粗略估计, 可对大量样品
进行快速筛选, 应用最为广泛。SERS 技术具有指纹特性、
检测速度快、实际检测成本低以及检测精度高等优点, 可
对样品中的有机磷农药残留进行快速定性定量分析, 具有
巨大的应用潜力。作为新兴分析手段, 在重复与稳定性上
仍面临一些问题, 需要进一步深入研究与探索。当然, 2 种
方法也可通过联用来拓展在有机磷农药检测中的应用范
围。
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(责任编辑: 李振飞)
作者简介
翁士状, 博士研究生, 主要研究方向
为农业污染物检测。
E-mail: 710382229@qq.com
李 淼, 研究员, 博士生导师, 主要
研究方向为农业信息化。
E-mail: mli@iim.ac.cn

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