荧光传感器在农兽药残留检测中的应用研究进展

◎ 赵玉芬，孔华娟，李晓英

（浙江医药股份有限公司昌海生物分公司，浙江 绍兴 312366）

在现代农、牧业生产中，农兽药被广泛使用以提高农业生产效率和改善畜牧养殖业生产水平[1-2]。然而，农兽药的过渡使用或滥用会导致其在食品或环境中残留超标，不仅会对人体健康产生威胁，还会给生态系统造成严重的破坏[3]。为了规范农兽药的使用，各国均制定了相关的指导政策，并规定了食品和农产品中农兽药的最大残留量标准。尽管大多数产品中农兽药的检出量在规定范围内，但由于其生物累积效应和持久接触性，仍可能会对人类健康产生威胁。因此，加强农兽药残留分析检测至关重要，是确保食品质量安全、保护生态系统、保护人类健康的重要手段。

1 荧光传感器

在荧光传感体系中，分析物与具有特异性的识别基团作用后，可引起荧光基团的信号发生改变，进而反映被分析物的浓度或含量等信息。根据识别元件的不同，荧光传感器通常可分为以下几种类型：抗体辅助法、基于分子印迹聚合物（Molecular Imprinted Polymer，MIP）法、基于适配体法、主客体复合物探针法等，这些识别元件可用于捕获和识别目标分析物，实现农兽药的高灵敏度和高选择性检测。

1.1 抗体辅助法

抗体由于具有极高的结合平衡常数，能够高灵敏和选择性地识别相应的抗原，已被广泛应用于农兽药免疫分析。随着荧光纳米材料的发展，新型荧光免疫传感器也被广泛开发并应用于农兽药残留检测。

有研究者结合AIE 机制和间接竞争酶联免疫吸附试验（Enzyme-Linked Immunosorbent Assay，ELISA）建立了一种新型荧光探针免疫传感器，用于检测食品中违禁兽药金刚烷胺（Amantadine，AMA）残留[4]。在该研究中，一种弱荧光发射的发光源在H2O2存在下聚集，并基于AIE 特性表现出强烈的黄色荧光发射。葡萄糖氧化酶（GOx）作为免疫分析的酶标，触发GOx/葡萄糖介导的H2O2生成，导致TPE-HPro 氧化，并在540 nm 处产生“turn-on”荧光反应。该荧光ELISA 法实现了对鸡肉样品中AMA 浓度的定量测定，IC50值为0.38 ng·mL-1，鸡肉样品中LOD 达到0.06 μg·kg-1。ZHA 等[5]采用生物素标记的IgG 修饰AuNP（AuNP@IgG-bio），并用链霉亲和素标记碱性磷酸酶（Alkaline Phosphatase，ALP），基于免疫竞争原理和ALP 对抗坏血酸2-磷酸（AA2P）的去磷酸化作用，实现了氯乙酰胺类除草剂的可视化和荧光双模检测。在该检测体系，酶解产物坏血酸（Ascorbic Acid，AA）会引发银在金纳米星（AuNSs）上的沉积，使反应体系颜色发生改变。另外酶解产物DHA 与邻苯二胺（O-Phenylenediamine，OPD）发生反应会导致荧光信号发生改变。ATC 会抑制ALP 的活性，因此可以利用晶体生长产生的红-绿-蓝颜色变化和荧光信号变化实现双模检出。

1.2 基于MIP 法

MIP 又被称作仿生抗体，能够对目标分子进行特异性识别和选择性吸附。由于MIP 可根据目标物的不同进行定制、稳定性高、动力学特性优异，被广泛应用于传感器中以提高分离效果和提高检测灵敏度。

LING 等[6]开发了一种双功能、可循环利用的磁性荧光分子印迹聚合物（MFMIPs）传感器，用于快速检测和净化水中的甲卡西酮。MFMIPs 表面的特定孔洞对甲卡西酮具有较强的识别和吸附能力，当加入甲卡西酮时，传感器的荧光会发生急剧猝灭。在最优条件下，MFMIPs 传感器具有较高的灵敏度，线性范围为0.5～100.0 nmol·L-1，LOD 达到0.2 nmol·L-1。此外，在外加磁场下，该传感器可回收和重复使用5 次以上，实现了甲卡西酮高灵敏度、高效的分析和净化。GAO 等[7]采用表面印迹法对聚甲基丙烯酸甲酯纳米微球（PMMA-NSs）表面进行了磺胺嘧啶分子印迹。同时，将Mn（Ⅱ）掺杂的ZnS 量子点引入印迹微球中。当印迹微球与目标物磺胺嘧啶结合后，会导致其荧光逐渐猝灭。该荧光传感器对磺胺嘧啶的检测范围为5～40 μmol L-1，LOD 为0.24 μmol L-1。将其用于自来水中磺胺嘧啶的测定，加标回收率为96.6%～100.2%，表现出良好的灵敏度与准确度。LONG 等[8]采用层层自组装方式合成了一种核壳结构的SiO2@Gd2O3∶Eu3+@SiO2@MIP，并基于Eu3+和甲萘威之间的能量转移，实现了甲萘威的快速、灵敏和特异性检测。

1.3 适配体介导法

核酸适配体作为一种典型的分子识别元件，是通过指数富集的配体系统进化技术，从核酸序列库中生成的单链DNA 或RNA，一般长度在20～80 个碱基。与天然抗体相比，低分子量的适配体更容易合成、成本低、稳定性好、可反复变性和复性。特别是适配体可以通过精细调控和功能化过程修饰各种荧光团，而不影响其亲和力。在检测体系中，适配体通过分子的形状互补、芳香环的堆叠、静电作用、范德华相互作用以及氢键作用直接识别并与相应的目标特异性结合，实现高效、高灵敏度的检测。因此，核酸适配体是传感检测领域策略中最有前途的生物识别元件之一。

适配体荧光传感器的工作原理主要基于核酸适配体在纳米材料上的物理吸附和纳米材料对荧光基团的有效淬灭。OUYANG 等[9]基于上转换纳米颗粒（UCNPs，供体）和二氧化锰（MnO2，受体）纳米片的发光共振能量转移（Luminescence Resonance Energy Transfer，LRET），开发了一种检测CBZ 的荧光适配体传感器。由于核酸碱基与MnO2纳米片之间存在强范德华力，CBZ 适配体标记的UCNPs 可在MnO2纳米片表面自组装，由于MnO2的吸收光谱与UCNPs 的荧光发射光谱有较强的重叠，会导致UCNPs 的荧光信号猝灭。在加入CBZ 后，其与适配体结合，导致UCNPs-适配体复合物从MnO2纳米片上脱落，荧光信号得到恢复。该荧光传感器对CBZ 的检出范围在0.1～5 000.0 ng·mL-1，LOD 为0.05 ng·mL-1，可实现CBZ 的快速、灵敏和特异性的定量检测。TALARI[10]设计和开发了一种基于还原石墨烯量子点（rGQDs）和多壁碳纳米管（MWCNTs）的荧光适配体纳米传感器，用于选择性检测有机磷农药二嗪农。在缺少二嗪农的情况下，适配体-rGQDs 和MWCNTs 的结合导致荧光信号的降低。然而，加入二嗪农后，MWCNTs和适配体-rGQDs 复合物被有效分离，导致荧光信号的增加。该荧光传感器对二嗪农检测限为0.4 nmol·L-1（0.1 µg·L-1），检测范围在4～31 nm，且具有较高的稳定性、特异性和选择性，可用于有机磷农药的现场快速检测。

1.4 主客体复合物探针法

环糊精（Cyclodextrin，CD）是一类具有良好生物相容性的大环主体分子，具有圆锥形的不对称几何结构和尺寸稳定的疏水空腔，根据空腔尺寸的大小，可分为α-、β-和γ-CD。YI 等[11]通过用3-氨基苯基硼酸修饰二硫化钼量子点（MoS2QDs）并用β-CD对其进一步官能化，构建了一种基于β-CD-MoS2QDs 的新型荧光纳米探针检测甲基对硫磷（Methyl Parathion，MP）。MP 在碱性条件下可水解为对硝基苯酚（p-NP），p-NP 可通过β-CD 与p-NP 之间的主客体识别作用进入β-CD 空腔，缩短p-NP 和β-CD-MoS2QDs 量子点之间的距离，并通过光诱导电子转移（PET）过程有效猝灭β-CD-MoS2QDs 的荧光。在最佳条件下，β-CD-MoS2QDs 纳米探针可实现对MP 的高灵敏检测。此外，该荧光纳米探针对MP 还表现出优异的特异性，可用于实际样品中MP 的检测。

作为第三代主体化合物，杯芳烃大小可调节的“空腔”为选择性识别提供了内部环境，特定的客体小分子可进入杯芳烃中，通过氢键和π-π 堆积等弱相互作用产生荧光信号的变化[12]。YU 等[4]制备了四吡啶基杯芳烃修饰的超薄二维（2D）金属有机框架（MOF）纳米片，并基于主客体交互作用检测草甘膦农药。在该研究中，首先构建了3D 层状MOF，其具有2D 层状结构特征，并通过弱π-π 相互作用结合在一起。由于杯芳烃配体呈杯状，且在MOF-Calix 的2D 层间存在容易偏离的甲醇分子，因此3D 结构的MOF-Calix 可通过超声高效地剥离成超薄的单层（2.20 nm）或双层（3.73 nm）二维纳米片。利用杯芳烃与草甘膦客体之间的主客体交互作用以及杯芳烃在2D MOF-Calix 纳米片表面高度可及的活性位点，可通过荧光增强效应实现对草甘膦的快速响应和高灵敏度检测，LOD 达到2.25 μm。

2 总结与展望

综上所述，荧光传感器具有灵敏度高、选择性好、检测速度快及设备简单等优点，在农兽药检测方面有着广阔的前景，然而该检测技术尚存在一些亟需突破的瓶颈。目前大多数荧光传感器仍处于实验室研究阶段，鲜有相应的成熟市售产品；识别元件（如酶、抗体和适配体体）容易受到环境条件（如温度、酸碱性和pH）的干扰，导致检测的稳定性差；目前已报道的农兽药识别元件对象单一，少有可检测多目标物的元件类型；识别元件与功能化纳米材料之间的共轭效应会增加荧光传感检测的复杂性、检测成本和时间等，尤其是纳米材料可能会抑制识别元素的识别能力，导致检测灵敏度与稳定性差；此外，纳米探针分布的不均匀性和不稳定性会降低分析精度，严重影响荧光传感器的检测性能。

因此，为提高荧光传感器的稳定性、准确性、灵敏度和选择性，后续研究可从以下几个方面入手。①开发具有良好识别能力的识别元件，如肽适配体、脂质体等，以提供对目标分析物的选择性和灵敏度。②开发新型纳米材料用作荧光信号探针、载体和催化剂。如采用具有双发射的比率型荧光探针提供内参信号，消除环境干扰。采用具有更低的成本、更高的稳定性和优异的可回收性的纳米酶提高荧光传感器的稳定性。③将荧光检测策略集成到便携化装置中，实现农兽药的现场原位检测。另外，利用小型化设备和无线网络，通过智能手机等手持设备将检测的荧光信号转化为可测量的数字信号，实现实时检测分析，进一步促进荧光传感器的商业化。因此，荧光传感器必将在未来的农兽药现场监测中发挥重要作用。