量子点传感体系在有机磷农药残留检测中的应用

张殿伟，王金菊，王艳萍，*

（1.天津科技大学食品工程与生物技术学院，天津300457；2.北京工商大学食品学院，北京100048）

目前，有机磷农药残留量较低、效果较好，常被用于农作物生产过程中。近年来，伴随着有机磷农药滥用而导致的食品中毒现象逐渐增多，有机磷农药残留已成为威胁食品安全主要因素之一。有机磷农药可与体内的丁酰胆碱酯酶（Butyrylcholinesterase，BChE）和乙酰胆碱酯酶（Acetylcholinesterase，AChE）以共价键相结合，生成磷酰化胆碱酯酶，抑制胆碱酯酶的活性，从而导致ACh在神经系统内大量的堆积[1]，对人体免疫系统、遗传行为和生殖发育功能等造成危害[2]。因此建立一个快速、高效检测有机磷农药的方法显得迫在眉睫。

目前常用的检测有机磷农药的方法有色谱检测法、免疫分析法、传感分析法等[3-6]。色谱检测法具有较好的检测准确度以及灵敏度常被用于多种有机磷农药的检测，但该方法样品的前处理过程较为复杂、耗时较长，且需要昂贵的液相色谱或液相色谱质谱联用等大型仪器[7]。免疫分析法是基于抗原和抗体的特异性结合所决定的，其灵敏度高且特异性强，但对于有机磷农药的检测中抗体的制备困难，且高昂的制作成本是制约其商品化的主要因素[8]。基于量子点的传感分析法是近年来使用较多的检测方法，具有快速、精确且可重复检测的优势，量子点作为一种新型无机材料具有独特的电学和光学性质，其良好的稳定性以及较高的发光效率使其能够作为一个高灵敏度传感器应用于食品检测中[9]。

本文介绍量子点的独特性质，综述基于量子点的光学、电化学、分子印迹、适配体、酶免疫传感体系及新型碳点在有机磷农药残留检测中的应用，为食品快速检测及分析技术发展提供理论支持。

1 量子点特质

量子点（quantum dots，QDs），又名半导体纳米晶体，是一种准零维的纳米材料，其三维尺寸都在1 nm～100 nm之间。由于其尺寸较小，量子点内部电子在各方向的运动都受到明显的局部限制，所以量子点的量子局限效应特别明显[10]。当量子点尺寸下降到某一个值时，其因存在不连续的最低未被占据和最高被占据的分子轨道能级，从而使其带隙变宽，半导体纳米材料的能级变宽，氧化还原能力增强。量子点通常是由II族～VI族（如 Cd、Te、S、Se、Zn 等）或是 III族～V 族元素（如As、P等）组成的，也可以由两种或两种以上的复合材料组成核壳包裹结构的纳米颗粒（如CdSe/ZnS[11]、CdS/ZnS[12]、CdSe/CdS[13]、CdS/HgS/CdS[14]等），一般为球形或类球形，能够接受激发光产生荧光或是磷光的半导体纳米颗粒。

与传统的有机荧光染料相比[15]，量子点作为一种新型的荧光纳米材料，具有其独特的光学特性，包括发射峰可调且带隙狭窄、吸收谱宽、光稳定性强以及发光效率高等，在化学、生物、医学和分析检测等领域具有广泛的应用前景[16-19]。

2 量子点在有机磷农药残留检测中的应用

2.1 基于量子点光学传感检测技术

根据量子点表面与给定物质之间的化学物理反应引起的发射光谱变化，建立量子点光学传感器。量子点作为稳定的光学传感器，目前已有多种量子点光学纳米材料用于食品基质中有机磷农药残留的快速检测。Hai等将CdTe、CdSe/ZnS以及CdSe/ZnSe/ZnS量子点联用，根据量子点荧光标记原理检测有机磷农药残留，其线性范围为 0.05 μg/L～10 μg/L[20]。Qu 等通过采用磺化杯[4]芳烃对CdTe量子点表面进行功能化修饰，从而对有机磷农药螨胺磷残留进行检测，该体系对螨胺磷的检测可达到12 nmol/L[21]。Zhang等通过Mn掺杂的ZnS量子点构建基于比色、磷光的二维信号传感体系，快速定量检测水中和苹果汁中的有机磷农药残留。其快速检测原理为金纳米颗粒对Mn掺杂ZnS量子点磷光性能的内部过滤效应，即随着金纳米颗粒的加入，量子点的磷光会发生急剧淬灭的现象，并通过观察吸光度及磷光强度的变化从而对有机磷农药残留进行定量。该方法具有较低的检出限，其对有机磷农药对氧磷、对硫磷、乐果的检出限分别为0.29、0.59、0.67 ng/L[22]。

Gao等根据双酶催化的原理建立检测有机磷农药残留的体系。由于过氧化氢是由乙酰胆碱通过乙酰胆碱酯酶和胆碱酯酶逐步催化而成，所以过氧化氢能与Mn掺杂ZnSe量子点发生猝灭效应。而有机磷农药会竞争性的与胆碱酯酶结合，并抑制该酶的活性，同时使淬灭的荧光体系进行恢复。研究表明，荧光的恢复率与乙酰胆碱酯酶的抑制率呈负相关，从而对有机磷农药进行准确定量检测[23]。Li等运用量子点荧光标记的原理，采用杯芳烃大分子对量子点进行修饰，合成一种检测农药草甘膦的生物传感体系。该体系在其他农药存在时可以特异性的检测草甘膦残留，其检测限达到0.072 5 nmol/L[24]，而传统色谱法的检测限约为0.1 μg/L～5 μg/L。因此，基于量子点的光学传感体系对有机磷农药残留的检测具有更高的灵敏性。

2.2 量子点-分子印迹传感体系

量子点与传统的有机染料相比具有独特的光学特性，但是其不具有选择识别分子的能力。分子印迹聚合物最大的优势在于其具有高选择性，因此将量子点独特的光学特性与分子印迹聚合物的特异性相结合，制备得到各种不同的光学传感体系，利用量子点的光响应信号从而实现对目标物的定性定量检测。2004年，Lin等首次将量子点运用到分子印迹技术领域，将4-乙烯基吡啶修饰在CdSe/ZnS量子点表面，制备咖啡因分子印迹聚合物薄膜，将其作为光学传感材料分析识别咖啡因、可可碱和茶碱[25]。Tang等将CdTe量子点与分子印迹技术联用，以3-氨丙基三乙氧基硅烷为功能单体，四乙氧基硅烷为交联剂，对硫磷为模板分子合成基于CdTe量子点的分子印迹聚合物。当分子印迹聚合物吸附对硫磷后，量子点的荧光发生猝灭现象，且猝灭的荧光值与对硫磷浓度成线性关系，其线性范围 0.05 μmol/L ～1 000 μmol/L，该方法检测限为 0.218 μmol/L[25]。Ren 等将掺杂 Mn（Ⅱ）的 ZnS 量子点运用到分子印迹聚合物的合成中，该聚合物以丙烯酰胺为功能单体，乙二醇二甲基丙烯酸酯为交联剂，偶氮二异丁腈为引发剂，将此荧光传感体系用于有机磷农药毒死蜱残留的检测，其检测限为17 nmol/L[25]。Zhao等运用超声波辅助法合成基于量子点的分子印迹聚合物复合纳米材料用于有机磷农药二嗪农残留的检测。由于聚合物基质和模板分子非共价键的相互作用，该材料在水性介质中展现良好的特异性。其检测原理为量子点与目标分子二嗪农之间能量转移的机理，导致荧光淬灭现象的发生。量子点荧光猝灭程度和二嗪农的浓度成正比，线性范围为50 ng/mL～600 ng/mL，检测限为 50 ng/mL[28]。

目前基于量子点分子印迹传感体系的研究众多，虽然其具有高选择性、高灵敏性等优势，但其距离大规模应用、工业化生产仍有一定的差距。其中最主要的困难是聚合物中模板分子萃取过程较长、且需要大量溶剂，甚至造成其特异性空穴的变型，选择性能力降低的问题。

2.3 量子点电化学传感体系

电化学生物传感器是利用生物反应的特异性，利用电极表面电化学信号改变来实现对目标的分析，而量子点具有的高比表面积、高表面活性及小尺寸等特性使它对外界的光、电、温度等十分敏感，外界环境的微小改变就会迅速引起其表面或界面粒子价态和电子转移行为的显著变化，从而导致量子点表面目标组分的电化学行为变化，以此构建基于量子点的电化学生物传感器，凭借其高灵敏度、高选择性、快速和低成本检测的特点使量子点在电化学生物传感器的研究中取得了丰硕的成果。Du等采用半胱氨酸修饰CdTe量子点固定有机磷水解酶，并用多壁碳纳米管-金纳米复合物修饰普通的玻璃碳电极，将复合物固定在此电极上，制备用于检测甲基对硫磷残留的新型电化学传感器。结果显示CdTe量子点因其对酶促反应的催化作用以及在电极上大量吸引酶分子，致使其抗干扰能力显著提高，该方法灵敏度高达0.1 ng/mL[29]。Reddyprasad等用电化学沉积法将ZrO2修饰的碳量子点包裹在玻璃碳电极表面用于水稻中的甲基对硫磷残留的检测。由于ZrO2对含磷酸基团有很强的吸附性，再加上碳点和电化学反应的共同作用，该传感器对甲基对硫磷具有良好的吸附效果，且检测时间仅需要3 min，线性范围为0.2 ng/mL～48 ng/mL，检测限为0.056 ng/mL[30]。Chen等制备二元电化学传感器用于有机磷农药残留的精确检测。其以共轭聚合物作为阳极，以石墨烯量子点作为阴极。当胆碱酯酶加入时，石墨烯量子点所在的阴极电信号会由于溶解氧的消耗而减弱，而共轭聚合物所在的阳极信号会因为H2O2的生成而增强。当有机磷农药对胆碱酯酶进行抑制时，阴极的电信号会增强，而阳极的电信号会相应减弱，通过电化学信号的变化对有机磷农药残留进行定量检测[31]。

2.4 量子点-适配体体系

适配体是近年来发展起来的一类新型识别分子，由于具有相对分子质量小、可化学合成、稳定性好、无毒等优点，引起广泛关注。适配体折叠后形成的特定三维结构能与激素、蛋白质、小分子结合，形成特定靶标物，因此适配体具有较强的特异性、高的亲和力。近年来量子点优异的光学特性与适配体技术相结合，在食品安全检测分析中受到越来越多的关注。Zhang等通过配体交换诱导荧光转换，从而检测食品中的有机磷杀虫剂。在量子点与双硫腙的复合物中加入有机磷农药后，有机磷农药的水解产物可以在量子点表面发生配体交换，将双硫腙替换下来，从而使得量子点的荧光强度得到一定程度恢复。该方法用于检测苹果中农药毒死蜱残留，其检测限值为0.1 nmol/L[32]。Zhou等合成水溶性的CdTe/CdS量子点，采用共价偶联法将量子点标记在DNA核酸适配体上，利用核酸适配体与有机磷农药的特异性结合作用，在毛细管电泳激光诱导荧光装置上进行检测，建立一种准确、快速检测有机磷农药的方法。该方法灵敏度较高且也适用于其他与核酸适配体有特异性作用的物质，有较好的应用前景[33]。

基于量子点的适配体体系，具有较高的特异性、选择性及灵敏度，该体系的出现弥补了基于量子点-分子印迹体系对大分子检测灵敏度低、检出困难的不足，但就目前来说该技术仍然面临着技术瓶颈。由于该技术的高特异性和高灵敏度是来源于适配体与靶标结合的高亲和力和高特异性，而在形成传感体系的过程中常需要对适配器的碱基进行修饰或引入，从而影响靶标与适配体的特异性结合，进而影响高精准检测。

2.5 量子点-酶传感体系

量子点和酶类联用体系已经广泛用于多种农药残留的检测，尤其是对于有机磷农药残留的检测。由于酶对靶向农药的特异性，所以其在量子点生物传感器中常被作为识别元素。乙酰胆碱酯酶是在神经系统中被发现的酶，也是常被用作荧光探针的酶之一，在其他文献中其常作为识别元素与其他的纳米材料相结合以检测农药残留[34-35]。Yi等采用硅量子点（SiQDs）、AChE 和胆碱氧化酶（choline oxidase，ChOx）合成一种新的生物传感器来检测食品基质中的有机磷农药残留，研究发现酶对农药的抑制效果和农药浓度的对数成线性关系，其检测灵敏度与传统高效液相色谱方法一致，但该方法更加简单便捷[36]。

另一种常与量子点联用检测有机磷农药的酶是有机磷水解酶（organophosphorus hydrolase，OPH），其能将大多数的有机磷农药水解成无毒的对硝基苯酚和磷酸二乙酯等产物。根据量子点的不同类型，这些产物会与之反应使荧光强度增加或减少，并以此来进行定量检测。Yan等将CdTe量子点溶于十六烷基三甲基溴化铵，在OPH存在条件下制备检测农药甲基对硫磷残留的生物传感器。检测机理为对硝基苯酚是缺电子化合物，会通过疏水作用力吸附在十六烷基三甲基溴化铵的烷基链上从而导致量子点发生荧光猝灭，加入目标分子后其淬灭的荧光会发生恢复。将其用于水中对硫磷残留的检测线性范围为25 ng/mL～3 000 ng/mL，且检测限低达18 ng/mL[37]。在Yan等的另一项研究中，其生物传感器由CuInS2量子点、铅离子和OPH组成，依然用来检测甲基对硫磷。铅离子会使量子点发生荧光猝灭，而OPH的另一水解产物二甲基硫代磷酸则会与铅离子相结合，阻止猝灭反应的发生。因此随着农药浓度的增加，传感器的荧光强度也会随之增加，以此来检测甲基对硫磷[38]。

尽管酶类和量子点联用是一种高灵敏度、高选择性的生物传感器，但仍有制约其大量生产的因素在内。最主要的影响因素是其稳定性较差，且温度和pH值等条件对其影响很大，其次产出和纯化这些酶类的时间比较长，不能进行快速化生产。且农药和这些基于酶的传感器的反应几乎都是不可逆反应，很难制备出可以进行重复利用的生物传感器，增加其工业化的难度。

2.6 碳量子点在有机磷农药检测的应用

碳量子点涵盖一系列的纳米材料包括石墨烯量子点（graphene quantum dots，GQDs）、聚合物量子点和碳纳米点，目前这类量子点已经在农业、食品、生物、医药等领域具有广泛的应用[39-41]。作为代替半导体量子点的新型材料，其有着独特的荧光特性，较低的毒性以及良好的生物相容性。目前，已有相关研究将其作为荧光探针对有机磷农药残留进行检测。

Li等将N和S掺杂碳量子点增强碳点光电效应，检测高毒性有机磷农药乐果残留，其检测限低达5 ppb[42]。Hou等通过柠檬酸和酪氨酸甲酯的水热反应，将酪氨酸甲酯固定在碳量子点表面，构建基于碳量子点的生物传感体系，检测甲基对硫磷残留。该检测原理为酪氨酸酶和氧气会促使酪氨酸甲酯降解成醌类物质，该物质是一种电子受体，当其与碳量子点相连时会导致猝灭效应。而甲基对硫磷则会抑制酪氨酸酶的活性，从而抑制醌类物质的产生，使荧光强度重新增加，以此实现对甲基对硫磷的定量检测。该方法检测限低达0.05 nmol/L，线性范围为 0.1 nmol/L～0.1 mmol/L，且能适用于不同有机磷农药残留的检测[43]。Lin等根据金纳米颗粒对碳量子点荧光的内部过滤效应、丁酰胆碱酯酶的水解产物硫代乙酰胆碱对金纳米颗粒的团聚效应以及有机磷农药对丁酰胆碱酯酶活性的不可逆抑制作用，构建了基于金纳米颗粒碳量子点的荧光传感体系，从而实现了对有机磷农药的快速、灵敏检测。该试验用叶绿素合成碳量子点，并用硫代乙酰胆碱对其进行修饰。碳量子点会因金纳米粒子的荧光共振能量转移而发生猝灭效应。而硫代乙酰胆碱则被BChE酶水解成胆碱，从而使金纳米颗粒发生聚合，恢复量子点因荧光共振能量转移而降低的荧光性。而有机磷农药的抑制作用则会导致荧光的恢复率降低。该试验简单快捷，在实际样品检测中回收率为90%～103.2%，RSD小于3%，该系统有较好的回收率及重复利用率[44]。

碳量子点同样能和酶以及分子印迹聚合物联用，但和其他量子点相比，其荧光量子产率偏低，这在很大程度上降低了其应用价值。因此，提高碳量子点荧光量子产率是作为其能否应用在工业中的最主要问题。

3 结论

半导体量子点由于其独特的尺寸效应和光电特性，近年来已将研究重心放在了生物荧光标记领域。通过量子点标记不同的离子、有机分子、生物分子，利用其荧光性从而实现对目标物准确地定量分析。本文综述了几种基于量子点构建的传感体系，相比于传统的分析技术而言，其具有灵敏度高、选择性高的特点，在有机磷农药检测方面具有较大的潜力和较好的应用前景。虽然这几种技术都是易于制备，且检测效果良好，但是这几种技术若要商业化，建立一个标准的检测流程，仍有很多问题需要解决。未来量子点的研究方面，会逐渐将现在广泛使用的基于镉的量子点替换成毒性更小的量子点，在这一点上碳量子点具有很大的优势和应用前景。在节约经济成本的同时缩短对有机磷农药的检测时间，建立一个绿色健康的检测机制会是未来一大发展趋势。这些问题仍需要深入的研究，未来量子点荧光传感技术可能会在检测有机磷农药甚至其他农药方面成为一种重要的分析手段。