农药残留快速检测分子印迹传感器研究进展

2020-09-26王春琼曾彦波陈丹彭丽娟李苓张燕

化学分析计量 2020年5期

王春琼，曾彦波，陈丹，彭丽娟，李苓，张燕

（1.云南省烟草质量监督检测站，昆明 650106； 2.红云红河烟草(集团)有限责任公司会泽卷烟厂，云南曲靖 654200）

农药是人类生活和生产中不可或缺的辅助物资，使用农药可有效地消灭杂草、控制病虫害、提高农作物的质量和产量。但农药又是有害物质，在生活和生产中使用会导致环境污染和食品农药残留问题。当农药残留量超过允许限量时，将会对人体健康造成不良影响［1］。为了保证食品安全和人体健康，必须防止农药的污染和残留量超标，因此农药残留的监测工作日益引起世界各国政府和公众的关注，提高农药残留检测技术水平已成为各国提高本国产品质量和克服国际农产品贸易技术壁垒的重要措施［2］。

目前，国内外都在大力发展农药多残留检测技术，主要检测方法是仪器分析法，包括气相色谱（GC）法、液相色谱（HPLC）法、气相色谱–质谱联用（GC–MS）法、液相色谱–质谱联用（HPLC–MS）法和薄层色谱（TLC）法等［3–5］。仪器分析法检测费时耗力，设备耗材昂贵，依赖专业人士，难以小型化，不适合现场检测。农残快速检测技术是为了克服上述缺点而发展起来的新型方法，目前包括酶联免疫吸附（ELISA）法、酶抑制法、生物传感器和化学分析法等。酶联免疫吸附法灵敏度高、特异性强、快速便捷，但抗体制备困难，难以确定待测样品中的农药种类，易出现假阴性和假阳性现象，难以实现多残留农药检测。酶抑制法检测成本较低，但灵敏度不高，很难实现定量分析。生物传感器法具有灵敏度高、选择性好、微型自动化等优点，缺点有生物试剂昂贵、生物分子易失活、稳定性较差等［6］。化学分析法检测速度快，但适用范围小，目前仅限于有机磷农药（特别是甲胺磷和对硫磷）残留检测。

分子印迹传感器将基于分子印迹技术制备的印迹敏感膜或可填充的多孔珠作为识别元件，对目标分子具有专一识别功能，因其具有抗恶劣环境能力强、成本低廉、操作简单、检测快速及易微型化等优点，在药物分析、环境监测和农残分析等领域发挥了重要作用［7–8］。笔者以分子印迹传感器为基础介绍其原理、分类及制备方法，综述分子印迹传感器在农残快速检测中的应用，并对印迹传感器的现状及前景进行总结和展望，旨在为农药残留快速检测技术相关研究提供参考。

1 分子印迹传感器的原理及分类

1.1 分子印迹传感器的原理

传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件，通常由识别元件和转换元件组成。将分子印迹聚合物（MIPs）制成印迹敏感膜或可填充的多孔珠作为识别元件，常被修饰于传感器表层，如图1 所示。当印迹分子扩散至识别元件内部，与MIPs 的印迹孔穴结合，产生化学或物理信号，再经转换元件转换成定量输出信号（如电位、电流、频率、荧光强度和吸光度等），通过监测输出信号实现对目标分子的实时测定［9］。据报道，1994 年Mosbach 等制造的电容传感器是最早的分子印迹传感器，该传感器是利用MIPs 结合待测物后电容器场效应的改变来实现定量检测，从此开启了分子印迹传感器蓬勃发展的序幕［10］。

图1 分子印迹传感器的工作原理

1.2 分子印迹传感器的分类

1.2.1 电化学传感器

（1）电容传感器。此类传感器由一个场效应电容器组成，内部负载分子印迹膜，当与待测物结合时该装置的电容会发生改变，电容的改变量与待测物结合的量线性相关，故可监测电容的改变量实现定量检测待测物。

（2）电导传感器。此类传感器是根据电导转换原理设计的，两电极间用一层分子印迹膜间隔，印迹膜与待测物结合会引起电导率的变化，接着转换并输出电信号，从而实现待测物含量的测定。

（3）电流传感器。此类传感器是用印迹敏感膜或印迹聚合物修饰电极，作为检测元件，印迹敏感膜或印迹聚合物与待测物结合会引起电流变化，监测结合前后电流变化便可实现待测物含量的检测。

（4）电位传感器。此类传感器通过测量分子印迹敏感膜与待测物结合后引起的电位变化，从而实现待测物含量的检测。其优点是不需去除膜相中的印迹分子，待测物也不需进入膜相内部，故印迹分子大小不受限制。

1.2.2 光学传感器

（1）荧光传感器。此类传感器应用于检测，常由两种途径实现：①待测物自身可发荧光或通过衍生反应使衍生物具有荧光性，利用荧光光谱和光纤维可以检测光信号，实现待测物的定量检测；②将具有荧光性的物质作为功能单体，或制备可发荧光的功能单体，使聚合物兼具荧光基团、目标分子结合位点和可聚合的双键，通过监测与待测物结合前后荧光信号的改变定量检测待测物。分子印迹技术制备荧光传感器非常具有发展前景，而荧光标记物的选择是制约这种传感器发展的关键一环。

（2）冷光型传感器。镧系离子与适当的配体形成配合物时能显示出极长的发光时间和极强的发光强度，常用镧系Eu3+作为光纤探针。镧系光谱兼具窄的激发和发射峰，能提供较好的选择性和灵敏度，抗干扰能力强。

1.2.3 质量敏感传感器

压电效应是指物质受机械压力后产生带电的现象。许多晶体都具有压电效应，当晶体处于机械受压的状态时会产生电信号，反之，将电信号施加于晶体，晶体会机械变形。每一种晶体都具有自身自然振荡的共振频率，当晶体表面吸附分析物而引起质量变化时，这种共振频率也会改变，通过检测共振频率的变化可以实现对分析物的高灵敏检测。常用的压电材料有石英、陶瓷材料，如钛酸铅和钛酸钡等。目前分子印迹技术与表面声波和石英微量天平结合是两大研究热点，这两种结合方式均能构成检测特定分子的MIPs 质量敏感型传感器。

2 分子印迹传感器的制备方法

2.1 直接法

分子印迹传感器的常见制备方法为原位聚合法，具体制备过程是将印迹分子、功能单体、交联剂和引发剂混合的预聚合液滴涂在电极表面，通过光或热作用引发聚合反应，形成分子印迹膜。甲基丙烯酸、乙烯基吡啶和丙烯酰胺等为常用功能单体。也可采用电聚合法制备分子印迹膜，常用电聚合单体为聚苯酚、聚吡咯、聚邻氨基苯酚、聚丙烯酰胺和聚邻苯二胺等。电聚合法制备的分子印迹传感器具备以下优点：（1）只需在印迹分子和功能单体的混合液中进行循环伏安扫描就能实现，制备方法简单；（2）可在任意导电基体上获得性能优良的印迹膜。但该法对印迹分子的特异吸附是基于分子电荷排斥效应，故选择性不高。

2.2 间接法

将制备好的分子印迹聚合物分散于低沸点溶剂中，制成混合液，再通过滴涂、旋涂和蘸涂等方法修饰到电极表面，将溶剂挥干，便在电极表面形成分子印迹敏感膜。也可将分子印迹聚合物与石墨粉混合，加入熔化的正二十烷，拌匀后填充在PVC 管中，冷却后制成分子印迹碳糊电极［12］。碳糊电极具有易于更新、制备简单、选择性好和重现性好等优点。通过间接法制备的传感器，由于识别层的分子印迹膜较厚，较易导致传质受阻，电极响应时间较长。

3 分子印迹传感器在农药残留快速检测中的应用

传感器与分子印迹结合制备的分子印迹传感器，兼具分子印迹和传感器的优点，可有效改善传感器的灵敏度和选择性，具有耐腐蚀、耐高温、稳定性强、易微型化及寿命长等特点，在农药残留快速检测领域有广泛应用，成为一个重要的研究方向。

Anirudhan 等［13］基于表面改性多壁碳纳米管，制备了分子印迹电位传感器，用于检测有机氯农药林丹，检出限为1.0×10–10mol／L。Shrivastav等通过改变传感器表面非传导的属性，研究了丙溴磷光纤传感器［14］，该方法线性范围为10–4～10–1μg／L，检出限为2.5×10–6μg／L。石小雪等［15］基于AgBiS2／Bi2S3制备了残杀威分子印迹光化学传感器，残杀威的浓度在1.0×10–12～5.0×10–10mol／L 范围内，其对数值与光电流线性关系良好，检出限为2.3×10–13mol／L，该传感器用于测定水果等实际样品中残杀威，加标回收率为101.0%～103.1%。Kong 等［16］采用电聚合法制备石墨烯–分子印迹复合膜，去除吡虫啉后成功制备分子印迹电化学传感器，该传感器线性范围为0.75～70.00 µmol／L，检出限为0.40 µmol／L；另外还以聚乙烯吡咯烷酮为功能单体，制备传感器用于苹果中吡虫啉的测定［17］，结果表明聚乙烯吡咯烷酮作为功能单体制得的传感器线性范围宽，检出限更低；接着又以吡虫啉为模板，聚咔唑为功能单体，在石墨烯修饰电极表面成功制备吡虫啉分子印迹传感器，将其用于水中吡虫啉含量的检测，线性范围为0.1～40.00 µmol／L，检出限为0.07 µmol／L［17］。刘斌等［18］利用恒电位沉积法制备了啶虫脒分子印迹传感器，使用富含—NH2和—OH 活性基团的壳聚糖作为电极修饰材料，通过阳离子指示探针验证，该传感器电化学响应特性良好，能选择性识别啶虫脒，线性范围为1.0×10–7～2.0×10–5mol／L，测定结果的相对标准偏差为2.9%。Zhao 等［19］首先制备表面印迹离子液体聚合物，再通过可逆加成–碎裂链转移沉淀聚合的方式负载到多壁碳纳米管上，将该印迹材料涂层到石墨烯修饰玻碳电极表面，构建了亲水性表面印迹电化学传感器，该传感器线性范围宽，检出限低，将其用于白菜和苹果中吡虫啉含量的测定，加标回收率为94%～107%。

Wang 等［20］用光聚合法在胶体晶模板中制备吡虫啉印迹光子水凝胶，去除胶体晶模板和印迹模板后制备了一种分子印迹光子晶体凝胶传感器，将其用于检测甘蓝、黄瓜、苹果中吡虫琳含量，与吡虫啉液相色谱–串联质谱检测方法相比，测定结果无显著性差异。魏传平［21］制备了一种表面等离子体结合乙酰甲胺膦分子印迹聚合物的共振传感器，能快速检测油菜和黄瓜中的农药残留。秦思楠等［22］以邻氨基苯酚和邻苯二胺为功能单体，通过循环伏安法扫描成功获得分子印迹传感器，此传感器对三氟氯氰菊酯及结构类似物具有很好的选择性，且操作简单、检测灵敏、成本低廉，具有良好的应用前景。王春琼等［23］利用石墨烯的信号放大作用，以丙烯酰胺为功能单体，在石墨烯修饰的丝网印刷电极表面，成功构建了苯霜灵分子印迹膜，该传感器的检测范围为7.0×10–9～6.8×10–4mol／L，检出限为2.1×10–9mol／L，将其用于烟草样品中苯霜灵的测定，结果满意；另外在弱碱条件下，以邻苯三酚为修饰材料，采用电聚合法在玻碳电极表面成功制备对甲霜灵有高选择性和高灵敏度的分子印迹电化学传感器，将其用于烟草中甲霜灵的测定，检出限为0.003 mg／kg，加标回收率为98.5%～113.7%［24］。

王嫦嫦［25］分别以基于掺杂法的UCNP–Fe3O4–MIP 和核壳型的UCNP@Fe3O4@MIP 传感材料为识别元件，构建了两种用于溴氰菊酯快速、高灵敏和高特异性测定的传感检测方法。结果显示，在基于掺杂法的UCNP–Fe3O4–MIP 传感体系中，可检测溴氰菊酯的线性范围为0.001～0.8 mg／L，检出限为6.28×10–4mg／L；在核壳型的UCNP@Fe3O4@MIP 传感体系中，可检测溴氰菊酯的线性范围为0.001～1.0 mg／L，检出限为7.49×10–4mg／L，将两种方法应用于葡萄和白菜中的农药残留检测，结果令人满意。唐清华［26］基于Fe3O4@MWNTs-COOH／ CS 增敏层和溶胶–凝胶分子印迹膜，开发了一种新颖的分子印迹仿生电化学传感器，该传感器对乙酰甲胺磷和敌百虫两种有机磷农药具有良好的线性响应，其线性范围分别为1.0×10–4～1.0×10–10mol／L 和1.0×10–5～1.0×10–11mol／L，应用该方法对有机芸豆和黄瓜进行加标回收试验，回收率为85.9 %～94.9 %。毛亚丽［27］采用滴涂法制备了两种甲基对硫磷分子印迹传感器，利用循环伏安法和差分脉冲伏安法研究了传感器的电化学行为特征，结果显示，锌金属有机骨架构建的分子印迹传感器具有高灵敏度和高选择性，响应时间短，能够迅速对低浓度的甲基对硫磷产生响应，具有较广阔的应用前景。

李景［28］利用电化学原位聚合制备了噻苯咪唑分子印迹电化学传感器，与非印迹传感器相比，该传感器印迹因子达到3.61，与3 种结构类似物（多菌灵、阿苯达唑及苯菌灵）相比，制备的传感器对噻苯咪唑具有良好的选择性，检测线性范围为5.0×10–7～1.0×10–5mol／L 和1.0×10–5～1.2×10–4mol／L，检出限为1.25×10–7mol／L。王红梅［29］用氨基化的分级孔二氧化硅球作为分子印迹基质，以2，4-二氯苯氧乙酸（2，4-D）为模板，邻苯二胺为单体，采用电化学聚合方法制备了分子印迹传感器，该传感器对2，4-D 具有很好的响应效果，在1.00×10–10～2.50×10–8mol／L 范围内可用于豆芽菜中2，4–D 的检测。谢天娇［30］利用合成的噻虫嗪石墨烯基分子印迹聚合材料，成功制备了对噻虫嗪具有特异性识别能力的石墨烯基分子印迹电化学传感器（MIPs-GN／GCE），结果表明：MIPs-GN／GCE对噻虫嗪检测的线性范围为0.5～20 μmol／L，检出限为0.1 μmol／L。用该方法对市售的籼米、粳米、糯米及糙米4 种稻谷样品进行检测，回收率较高，与液相色谱法的结果一致。谢黎明［31］以壳聚糖为功能基体，吡虫啉和噻虫嗪为模板分子，戊二醛为交联剂，应用恒电位沉积法制备分子印迹传感器，结果表明该传感器对吡虫啉和噻虫嗪选择性能良好，可用于农药残留的检测。