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生物传感器在有机磷农药残留量检测中的应用研究进展

文档作者：戴莹1, 2, 王纪华1, 2, 韩平1, 2, 马帅1, 2, 冯晓元1, 2* ( 文档来源： 1. 北京农业质量标准与检测技术研究中心 2. 农业部农产品质量安全风险评估实验室(北京),		点击数：	更新时间： 2025年07月20日
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第6 卷 第8 期 食品安全质量检测学报 Vol. 6 No. 8
2015 年8 月 Journal of Food Safety and Quality Aug. , 2015
基金项目: 北京市农林科学院青年科研基金(QNJJ201521)、公益性行业(农业)科研专项课题 (201303075)、农业部农产品质量安全风险评
估实验室(北京)开放课题项目(ATFM-KFKT2014004)
Fund: Supported by Youth Foundation of Beijing Academy of Agriculture and Forestry Sciences (QNJJ201521), Special Fund for Agro-scientific
Research in the Public Interest Project (201303075), Open Project of Risk Assessment Lab for Agro-products(Beijing), Ministry of Agriculture
(ATFM-KFKT2014004)
*通讯作者: 冯晓元, 研究员, 主要研究方向为果品质量与安全。E-mail: fengxiaoyuan2014@126.com
*Corresponding author: FENG Xiao-Yuan, Researcher, Beijing Research Center for Agricultural Standards and Testing, Room 701, Block A, Beijing
Agricultural Building, No.11 Middle Road of Shuguanghuayuan, Haidian District, Beijing 100097, China. E-mail: fengxiaoyuan2014@126.com
生物传感器在有机磷农药残留量检测中的
应用研究进展
戴 莹1, 2, 王纪华1, 2, 韩 平1, 2, 马 帅1, 2, 冯晓元1, 2*
(1. 北京农业质量标准与检测技术研究中心, 北京农林科学院, 北京 100097;
2. 农业部农产品质量安全风险评估实验室(北京), 北京 100097)
摘要: 有机磷农药是我国使用最广泛的农药, 具有广谱、高效等特点, 但对人类的健康和环境安全存在潜在
威胁。因此, 发展快速、简易、准确测定有机磷农药残留量的方法具有重要意义。生物传感器具有简单、灵敏、
低成本、便于携带, 可实现现场监控等优点, 已成为有机磷农药残留量速测技术中的研究热点。本文综述了近
年来国内外生物传感器技术在有机磷农药测定中的应用情况, 主要介绍了酶生物传感器、免疫生物传感器。最
后本文对生物传感器在有机磷农药残留检测中应用的未来发展进行展望。
关键词: 生物传感器; 有机磷农药; 酶生物传感器; 免疫生物传感器
Recent progress of biosensors for detection of organophosphorus
pesticide residues
DAI Ying1, 2, WANG Ji-Hua1, 2, HAN Ping1, 2, MA Shuai1, 2, FENG Xiao-Yuan1, 2*
(1. Beijing Research Center for Agricultural Standards and Testing, Beijing Academy of Agriculture and Forestry Sciences,
Beijing 100097, China; 2. Risk Assessment Lab for Agro-products(Beijing), Ministry of Agriculture. P. R. China,
Beijing 100097, China)
ABSTRACT: Organophosphorus pesticides are extensively used in China owing to their high insecticide
activity. However, human health and environment safety are threatened by organophosphorus pesticide residues
due to their high toxicity. It is of great significance to develop a rapid, easy and reliable analytical method for
pesticide detection. Biosensors are particularly attractive due to their advantages of simple operation, high
sensitivity, low cost, easy portability and in-situ monitoring. In this review, recent progress of biosensors for
detection of organophosphorus pesticide residues had been summarized with emphasis on the development of
enzyme-based biosensor and immunosensor. Besides, limitations as well as possible research tendency had
been discussed, which might provide practical guidance for future research of biosensor.
KEY WORDS: biosensor; organophosphorus pesticides; enzyme-based biosensor; immunosensor
第8 期 戴 莹, 等: 生物传感器在有机磷农药残留量检测中的应用研究进展 2977
1 引 言
有机磷农药是目前我国使用最为广泛的一类农药,
可以用来控制虫害、鼠害、杂草、细菌等, 具有高效性和
广谱性等特点, 在农业生产过程中发挥着巨大作用[1-5]。然
而, 研究发现, 有机磷农药对维持人和动物神经系统中调
节突触传导的神经递质-乙酰胆碱酯酶具有抑制作用, 有
机磷农药可通过呼吸、接触等方式进入人体, 经血液和淋
巴循环到全身各器官和组织, 极低剂量的有机磷农药暴露
即可导致对神经细胞的毒性刺激, 可能引发腹泻、呕吐、
高血压、心动过缓、呼吸麻痹、器官衰竭等毒性反应[6-10]。
有机磷农药残留给人、动物和环境均可能带来潜在风险。
因此, 开发有机磷农药残留量的检测方法, 对残留物质进
行有效监控成为农药残留检测技术研究的焦点。有机磷农
药残留量的传统分析方法主要有气相色谱法、气相色谱-
质谱联用法、液相色谱法、液相色谱联用法以及光谱法等
[11-14], 这些方法对有机磷农药的特异性、灵敏度和准确度
要求都比较高, 但样品的前处理过程复杂, 检测周期长、
对检测仪器要求高, 需要专业人员进行操作, 无法满足
现代农业快速、现场检测的需求。生物传感器技术因其具
有简单、快速、灵敏、低成本、便于携带, 可实现现场、
实时监控等特点成为目前有机磷农药残留量速测技术的研
究热点[15-20]。
2 生物传感器的检测原理
生物传感器通常由识别元件、转换元件及检测元件3
部分构成, 识别元件一般为酶、蛋白质、抗体、抗原等生
物敏感物质, 可完成对特定化学物质或生物活性物质的特
异性识别, 转换元件是决定生物传感器灵敏度和准确性的
关键元件, 可将生化信号转化为可识别的电信号, 最后通
过检测元件测定pH、电导等物理化学信号的变化[21,22], 达
到检测农药残留量的目的。
3 生物传感器在有机磷农药残留量检测中的应用
应用于有机磷农药残留量检测的生物传感器主要有
酶生物传感器、免疫生物传感器等。
3.1 酶生物传感器
酶生物传感器是以酶作为识别元件的一种生物传感
器, 用于测定有机磷农药的酶生物传感器一般基于农药毒
性与酶活性降低之间的相关性, 因此, 生物传感器主要通过
测定酶暴露于目标测定物前后活性的变化来实现对有机磷
农药残留量的检测[23,24]。常用的有机磷农药酶生物传感器有
2 类: 酶抑制生物传感器和有机磷水解酶生物传感器。
3.1.1 酶抑制生物传感器
在过去20 年中, 关于农药生物传感器的报道中有
40%~50%是基于酶抑制原理制备的生物传感器[25]。有机磷
农药酶抑制生物传感器的制备中较常用是乙酰胆碱酯酶、
丁酰胆碱酯酶[26]等胆碱酯酶, 其中乙酰胆碱酯酶最为常
用。测定的主要原理是乙酰胆碱酯酶可以催化乙酰硫代胆
碱水解, 酶促反应的产物是硫代胆碱和乙酸, 硫代胆碱具
有电化学活性, 在电极上形成不可逆的氧化峰电流。有机
磷农药可以不可逆地抑制乙酰胆碱酯酶的活性, 减少硫代
胆碱的氧化, 硫代胆碱的氧化峰电流与有机磷农药的浓度
呈反比, 通过测定硫代胆碱被抑制前后, 氧化峰电流的大
小即可测定出有机磷农药的浓度[27]。因此, 如何将乙酰胆
碱酯酶有效固定在电极表面, 并保持其原始的催化活性是
研究者们设计新型高灵敏度乙酰胆碱酯酶生物传感器的关
键环节。
研究者们以玻碳电极、碳纳米管等为基础, 采用多种
修饰方法, 添加功能化基团, 开发出多种新型材料增大电
极对乙酰胆碱酯酶的固定作用。Wei 等[28]构建了一种用于
检测有机磷农药的新型乙酰胆碱酯酶生物传感器, 这种乙
酰胆碱酯酶生物传感器采用磺酸功能化离子液体
([BSmim]HSO4)-纳米金-多孔碳组成的蜂窝状复合材料来
修饰含硼金刚石电极, 循环伏安法和电化学阻抗法对乙酰
胆碱酯酶的电化学行为的考察结果显示, 经复合材料修饰
的乙酰胆碱酯酶生物传感器所产生的峰电流是未经修饰的
乙酰胆碱酯酶生物传感器的4.5 倍, 采用此生物传感器测
定敌敌畏, 检出限为6.61×10-11 g/L, 线性范围为10-10~10-6
g/L。Yu 等[29]将乙酰胆碱酯酶固定于氨基功能化的碳纳米
管上, 制备了一种测定有机磷农药的高灵敏度生物传感器,
与原始的采用羧基和羟基修饰的碳纳米管电极相比, 经氨
基功能化的新型生物传感器中碳纳米管表面可以吸附更多
的酶, 从而使新型碳纳米管电极获得更强的电流响应。采
用这种电极来测定对氧磷, 线性范围为0.2~1 nmol/L 和
1~30 nmol/L, 在测定浓度为0.08 nmol/L 时, 重复性和稳定
性良好, 分别以卷心菜、洋葱、胡萝卜为基质, 添加浓度为
5 nmol/L 的对氧磷, 加样回收率分别为89.2%、106.7%、
103.8%。Zheng 等[30]采用环氧化物的开环反应合成了离子
液体功能化石墨烯, 并在此基础上将离子液体功能化石墨
烯与明胶制备成复合材料共同对玻碳电极进行修饰, 离子
液体功能化石墨烯-明胶复合材料具有优良的导电性和生
物相容性可为乙酰胆碱酯酶的吸附提供亲水表面, 将乙酰
胆碱酯酶更牢固的固定在玻碳电极上, 使得乙酰胆碱酯酶
生物传感器获得更高的检测灵敏度。采用这种生物传感器
对久效磷残留量进行测定, 线性范围为1.0×10-13~5.0×10-8
mol/L, 检出限为4.6×10-14 mol/L, 所建立的电极具有较高
的灵敏度、良好的稳定性, 成本低。Zhao 等[31]建立了一种
对有机磷农药具有高灵敏度、高选择性的生物传感器, 这
种生物传感器将电化学还原氧化石墨烯-纳米金颗粒-β-环
糊精和普鲁士蓝-壳聚糖直接电镀在玻碳电极上来增强电
2978 食品安全质量检测学报 第6 卷
极对乙酰胆碱酯酶的固定作用, 普鲁士蓝-壳聚糖不仅可
有效催化硫代胆碱的氧化, 而且可以将氧化电位从0.68 V
降低到0.2 V, 从而显著提高了生物传感器的灵敏度。电化
学还原氧化石墨烯与纳米金颗粒之间具有协同作用, 可以
促进普鲁士蓝与玻碳电极之间的电子转移, 并显著提高硫
代胆碱的电化学氧化性。此外, β-环糊精可与底物形成可逆
性结合, 实现对底物的富集作用, 从而提高生物传感器的
选择性和灵敏度。采用此乙酰胆碱酯酶生物传感器测定,
马拉硫磷的线性范围在7.98~2.00×103 pg/mL, 检出限为
4.14 pg/mL。
研究者在开发新型修饰材料的同时, 在传统乙酰胆
碱酯酶的基础上, 对转基因型乙酰胆碱酯酶进行筛选, 增
强乙酰胆碱酯酶与有机磷农药的结合率。Mishra 等[32]采用
转基因的乙酰胆碱酯酶B394 和B4 作为生物传感器的生物
识别元件, 建立了可测定牛奶中马拉氧磷等有机磷农药的
乙酰胆碱酯酶生物传感器, 这种转基因的乙酰胆碱酯酶与
有机磷农药可形成不可逆的结合, 采用此生物传感器测定
牛奶中马拉氧磷, 在1.01×10-10~9.17×10-11 mol/L 线性关系
良好, 回收率为100.66%。
除单酶系统外, 研究者们还开发了多酶系统酶抑制
生物传感器。Crew 等[33]所制备的生物传感器中同时添加
了6 种乙酰胆碱酯酶, 可在6 min 内完成对敌敌畏、马拉
氧磷、毒虫畏等6 种有机磷农药残留的测定。Silletti 等[34]
建立的一种多酶生物传感器同时含有乙酰胆碱酯酶、酪氨
酸酶、脲酶、β-半乳糖苷酶、D-乳酸、衣藻细胞6 种生物
介质, 可实现同时对牛奶中残留的毒死蜱等6 种化学物质
进行检测, 其中毒死蜱的检测限可达0.6 μg/L。Zhang 等[35]
所构建的生物传感器, 采用碳纳米材料对多种酶进行包被,
使得生物传感器具有多功能纳米接口, 可有效区分有机磷
农药和非有机磷农药。
3.1.2 有机磷水解酶生物传感器
有机磷水解酶是一种可以直接催化水解有机磷农药
的酶类, 能水解磷酸三酯, 催化有机磷农药中的P-O、P-S
和P-CN 键水解。水解产物4-硝基苯酚, 可在特定电势产
生电子, 电子产生的多少与样品中有机磷农药残留量浓度
呈正比[25]。有机磷水解酶生物传感器具有反应特异性高,
反应条件温和、无刺激等优点[36], 可以测定毒死蜱、对氧
磷、对硫磷、甲基对硫磷、二嗪磷和蝇毒磷等有机磷农药
[37,38]。Kim 等[39]将金结合多肽与有机磷水解酶的融合蛋白
固定于金电极表面, 制备出一种低成本的可一次性使用的
生物传感器, 这种生物传感器将融合蛋白固定在金电极表
面形成特殊的立体环境, 将有机磷水解酶提升到蛋白表面,
有助于有机磷水解酶与有机磷类农药进行结合, 提高有机
磷水解酶生物传感器的特异性和灵敏度。Yan 等[40]基于量
子点技术制备了有机磷水解酶生物传感器, 将其应用在甲
基对硫磷的残留检测中, 线性范围为25~3000 ng/mL, 检
出限为18 ng/mL, 并建立了自来水和大米中甲基对硫磷残
留量的检测方法, 自来水中甲基对硫磷的回收率为
96.48%~102.97%, 大米中甲基对硫磷的回收率为
96.69%~117.13%。
3.2 免疫生物传感器
免疫生物传感器是基于抗原-抗体间的特异性分子识
别, 将免疫分析技术与传感技术结合而构建的一类生物传
感器。免疫生物传感器因其具有特异性、廉价、高通量处
理样品等特点, 近年来日益受到关注。免疫生物传感器可
分为无标记型和标记型2 种, 标记型免疫生物传感器在检
测前需要对待测物进行标记处理, 通过测定标记物的变化
来进行免疫分析。而非标记型免疫生物传感器无需对待测
物进行标记, 可直接测定抗原抗体复合物形成过程中的变
化, 制备过程简单, 检测过程易于操作, 成为免疫生物传
感器发展的主要方向[41]。Liu 等[42]制备了一种新型的多组
分分析电化学免疫生物传感器, 采用微接触印刷技术将单
壁碳纳米管摹制在玻碳电极表面, 并将抗体直接附着在其
表面。这种新型的免疫生物传感器可以同时测定对氧磷和
硫丹, 其中对氧磷的线性范围为2~2500 ng/mL, 检出限为
2 ng/mL。Wang 等[43]基于薄膜体声波谐振器制备了非标记
免疫生物传感器, 采用此免疫生物传感器测定对硫磷的线
性范围为0.17~32.5 μg/L, 检出限为0.08 μg/L。对萝卜样品
中的对硫磷残留量进行测定, 检测结果与气相色谱的结果
相符。此外, 研究者们还通过分子印迹技术人工合成受体
制备生物传感器。分子印迹技术(molecularly imprinted
technique, MIT)是制备对特定目标分子具有特异性识别能
力的分子印迹聚合物技术(molecularly imprinted polymers,
MIP), 分子印迹聚合物可被用作人工合成抗体, 作为传感
器的分子识别元件。谭学才等[44]以马来松香丙烯酸乙二醇
酯为交联剂, 以石墨烯为电极增敏材料, 以毒死蜱为模板
分子, 利用分子印迹技术, 使用自由基热聚合法制备了毒
死蜱的分子印迹电化学传感器, 经循环伏安法、电化学交
流阻抗法等对所制备的传感器考察, 在最佳检测条件下,
在2.0×10-7~1.0×10-5 mol/L 范围内传感器的峰电流与毒死
蜱浓度呈线性关系, 相关系数为r2=0.9959, 检出限为
6.7×10-8 mol/L, 对实际样品油麦菜中残留的毒死蜱进行检
测, 加样回收率为94.1%~95.2%。
4 展 望
随着人们对食品安全和环境保护的日益重视, 生物
传感器技术因其具有简单、快速、可实现实时监控等特性
将在有机磷农药残留量的检测中应用更加广泛。目前酶生
物传感器仍然是生物传感器研发的热点, 这类生物传感器
可以较准确、灵敏地检测有机磷农药, 但是酶与电极之间
的固定方式是酶生物传感器发展的限速环节, 进一步研发
第8 期 戴 莹, 等: 生物传感器在有机磷农药残留量检测中的应用研究进展 2979
新型修饰材料, 并通过基因工程技术筛选高性能的转基因
酶, 将酶牢固固定在电极上, 将会是生物传感器研发的工
作重点。另外, 目前关于生物传感器在有机磷农药检测方
面的报道, 很多停留在对标准溶液的测定, 对食物、土壤、
水等实际样品测定的研究还处于初级阶段, 如何提升生物
传感器的性能, 更好地为检测实际样品的服务, 也是研究
者们今后工作的重要方面。
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(责任编辑: 李振飞)
作者简介
戴 莹, 博士, 助理研究员, 主要研
究方向为农产品安全检测技术研究。
E-mail: yingdai100@163.com
冯晓元, 博士, 研究员, 主任助理,
主要研究方向果品质量与安全。

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