基于功能材料的电化学传感器检测新烟碱类杀虫剂的研究进展

艾纪星，杜海军，胡华丽，张 艳，李玉美，罗 乐，伍 丹

（贵州民族大学 化学工程学院，贵州 贵阳 550025）

新烟碱类杀虫剂是一类神经毒性杀虫剂，主要用于谷物、蔬果、烟草及其他作物上害虫、牛羊寄生虫以及卫生害虫的防治［1-2］。新烟碱类杀虫剂的作用类似激动剂，其杀虫机理是通过与神经后突触乙酰胆碱受体结合，使昆虫过度兴奋、麻痹而死亡。根据取代基不同可将新烟碱类杀虫剂分为三代，第一代为氯代烟碱型，包括吡虫啉（Imidacprid）、哌虫啶（Piperidine）、啶虫脒（Acetamiprid）、烯啶虫胺（Nitenpyram）；第二代为硫代烟碱型，包括噻虫胺（Clothianidin）、噻虫嗪（Thiamethoxam）、噻虫啉（Thiacloprid）；第三代为呋喃型，如呋虫胺（Dinotefuran）［3］。主要药效基团有硝基亚甲基（C==CHNO2）、硝基胍（C==NO2）和氰基脒（C==NCN）［4］。与传统农药有机磷和氨基甲酸酯类等相比，新烟碱类杀虫剂对哺乳动物低毒，同时具有杀虫谱广、活性高、选择性好等优势，因此在全球范围内被广泛使用。近期研究发现，新烟碱类杀虫剂对传粉昆虫和鸟类繁衍有不利影响［5］。随着国内外新烟碱类杀虫剂登记数量的不断增加、使用范围的不断扩大，新烟碱类杀虫剂对生态环境造成的影响引起普遍重视。

新烟碱类杀虫剂的分析技术有质谱［6］、色谱［7］、表面等离子增强拉曼［8］和毛细管电泳［9］等，但这些仪器较为昂贵，样品处理相对复杂，分析成本高，不能满足现场分析的需求。近年来，在实际应用中较为成熟的免疫分析［10］、光学分析［11-12］和电化学分析等技术在农残快速检测领域均得到了广泛关注。基于胶体金、彩色乳胶微球标记的免疫分析技术特异性强，但合成工艺高；荧光［11］、化学发光［12］等光学分析方法操作简单，但对复杂基质的特异性弱，准确度欠佳。结合纳米技术的电化学传感器兼具上述分析方法的优点，展现出成本低、操作简单、灵敏度高等优势，是快速检测新烟碱类杀虫剂的理想方法。此外，电化学传感器与其他仪器相结合，有助于提高对新烟碱类杀虫剂的结构及作用机理的解析水平，为新烟碱类农药的高效检测和农产品安全的有效控制提供了可能。本综述总结了近年来新型功能纳米材料在新烟碱类杀虫剂电化学分析和检测技术上的应用，以及相应构建的生物传感器、分子印迹传感器、光电化学传感器、纳米传感器的研究进展。同时，分析了限制新型功能材料构建的传感器走向实际应用的复杂因素，并对其检测新烟碱类杀虫剂的前景进行了展望。

1 功能材料的分类

电化学传感器的传感系统决定了传感器的选择性和灵敏度，是发展电化学检测技术的关键步骤，对构建选择性高、分析范围广、抗干扰性能优异的新型传感器至关重要。传感系统的识别元件大体可分为两类：生物类和非生物类。生物类识别元件有酶、抗体、适配体，非生物类识别元件即作为电极修饰剂和催化剂的新型纳米材料。

随着先进功能材料的发展，零维的石墨烯量子点、一维的碳纳米管、二维的石墨烯和分子印迹、三维的金属/共价-有机框架等纳米材料因其固有的光电特性而受到越来越多的关注。碳基纳米材料包括石墨烯量子点（GQDs）、氧化石墨烯（GO）、碳纳米管（CNT）、氮化碳纳米片（g-C3N4）等，具有表面积大、电学性能优异、相容性好、易制备等特点，可提供大量的粒子活性位点，改善电极导电性；金属基纳米材料包括金属纳米颗粒、金属氧化物半导体材料等，具有电催化活性好、生物相容性好、制备方法简单等优良性能，可强化电极的导电性能和对目标分子的催化性能；分子印迹聚合物（MIPs）具有强特异性识别能力，被称为“合成抗体”，可提高检测灵敏度；超分子化合物如环糊精（CD）、杯芳烃（SC8）等具有特定的腔体结构，对目标分子有较好的选择性；近年来较为流行的金属-有机框架（MOFs）和共价-有机框架（COFs）也因其具有的特殊形貌和优异光电性能被引入电极的修饰，以增强传感界面对目标物质的催化活性及电子传输性能。

2 基于功能材料的电化学传感器分类及其应用

2.1 电化学生物传感器

电化学生物传感器是将适配体、抗体或酶修饰于工作电极，通过酶与底物、抗原与抗体、核酸与其互补片段进行特异性识别从而检测物质。根据识别元件的不同，可分为电化学酶传感器、电化学免疫传感器、电化学适配体传感器三类。其中，识别元件的稳定性是影响生物传感器检测灵敏度和选择性的关键因素。

随着适配体筛选技术及分子扩增技术的发展，电化学适配体传感器在电化学生物传感器中颇受研究者青睐。适配体是一小段人工合成的单链DNA或RNA，对目标分子具有很强的特异性识别，理论上可通过技术筛选得到与目标物相应的适配体，该类传感器选择性好、无需生物合成、高温稳定。Zhen等［13］建立了一种无标记的电化学传感分析啶虫脒（ACE）的方法，并首次研究了啶虫脒与啶虫脒适配体特异性结合的模型（图1）。啶虫脒适配体在高氯酸中先形成松散的二级结构，再折叠成更稳定的发夹状结构，为啶虫脒分子提供了特定的结合位点。该传感器对啶虫脒的检测范围为5.0 × 10-9～2.0 ×10-7mol/L，检出限为1.0×10-9mol/L。

图1 AP-DNA与啶虫脒特异性结合的模型原理Fig.1 Principle of structure switchable AP-DNA assay for the detection of acetamiprid

为了提高电极表面的电子传输速率，Madianos 等［14］将铂纳米粒子与啶虫脒适配体通过共价作用固定在传感器表面。铂纳米粒子和适配体的结合提高了啶虫脒的检测灵敏度，其线性范围为1.0×10-11～1.0×10-7mol/L，检出限为1.0×10-12mol/L。Rapini等［15］通过在丝网印刷电极上沉积聚苯胺和AuNPs，以Au - S 键结合适配体DNA，以链霉抗生物素蛋白-碱性磷酸酶缀合物追踪亲和力反应，检测啶虫脒，获得其线性范围为2.5×10-4～2.0×10-3mol/L，检出限为8.0×10-5mol/L。

Xu 等［16］为了使适配体更容易固定在电极上，以提高传感器的稳定性，加入了合成的三维银/组氨酸功能化量子点/石墨烯复合材料，啶虫脒的适配体通过Ag-S键与之相连。该修饰电极表现出超高的灵敏度、特异性和稳定性，检测范围为1.0×10-16～5.0×10-12mol/L，检出限为4.0×10-17mol/L，均低于其他用于检测啶虫脒的传感器。目前，经验证适用于新烟碱类杀虫剂的适配体种类有限，集中在啶虫脒的检测。随着技术成熟，筛选出更多对应的适配体，实现不同待测物的检测是未来的主要发展方向。

免疫分析是一种基于抗原-抗体相互作用的检测方法，作为快速筛选技术在现实中获得了广泛应用。电化学免疫传感器是免疫分析和电化学分析相结合的分析方法，具有特异性强、灵敏度高的特点，适用于精确度高的检测。Xu 等［17］提出了一种电化学免疫法确定啶虫脒含量的分析方法（图2）。通过层层自组装，将半抗原（HGPP）探针和亚甲基蓝（MBP）探针固定在金电极上。样品中存在啶虫脒时，由于啶虫脒与HGPP 在电极上的相互结合，MBP 在电极上的结合位点减少，导致峰电流减小。在最佳条件下，该传感器的线性范围为2.3×10-11～4.7×10-10mol/L，检出限为1.4×10-11mol/L。该生物传感器成功地测定了草莓和卷心菜中的啶虫脒含量。

图2 HGPP的制备（A）和用于检测啶虫脒的竞争性免疫传感器（B）Fig.2 Preparation of HGPP（A）and competitive immunosensor assay for the detection of acetamiprid（B）

以抗体、酶为新烟碱类杀虫剂识别元件的研究较少，酶和抗体需要生物合成，成本较高，此外，抗体和酶属蛋白类物质，易受环境和样品条件干扰，定量分析有一定难度。已有研究尝试以无机材料、天然高分子等作为载体，通过高效地将酶和抗体固定于载体上，同时保持二者的催化活性，解决了电化学免疫传感器、电化学酶传感器开发的难点［17-19］。

2.2 分子印迹传感器

分子印迹聚合物是具有固定孔穴和功能基团的合成高分子材料［20］，具有化学稳定性和热稳定性高、合成速度快、抗干扰能力强等优点，用作传感器中的识别元件或选择性吸附剂［21-23］，可实现对目标分子的特异性识别。Abdel-Ghang 等［21］首次以聚丙烯酰胺（PAM）和甲基丙烯酸（PMAA）修饰电极，构建了黄瓜和土壤样品中呋虫胺残留的电化学检测方法，检出限均为1.7×10-9mol/L。Zhang等［22］以聚乙烯基苯甲酸（PVBA）为识别元件，开发了用于检测吡虫啉残留的电位膜传感器，并成功应用于糙米样品中吡虫啉的检测，检出限为1.0×10-7mol/L。

MIPs存在电催化活性和电导率较差等不足［23］。为此，Kong等［24］在玻碳电极上修饰还原氧化石墨烯（rGO），再装载印迹聚邻苯二胺膜（PoPD），rGO 增强了电极的电导率，该传感器对吡虫啉的响应浓度为7.5×10-7～7.0×10-5mol/L。Ghodsi 等［25］在TiO2纳米颗粒修饰的玻碳电极上电聚合印迹聚左旋多巴（PLD），开发了一种用于测定吡虫啉的传感器。印迹聚左旋多巴使电极具有很强的选择性，电极表面电沉积的TiO2纳米颗粒则增强了吡虫啉的电催化还原，提高了修饰电极的灵敏度，该传感器的线性范围为2.0×10-6～4.0×10-4mol/L，检出限为3.0×10-7mol/L。可以看出，内嵌各向异性的金属基材料和碳基纳米材料有利于检测物与电极表面的接触，增强分子识别能力。

为进一步提高MIPs 传感器的灵敏度，Li 等［26］以适配体和MIPs 双识别元件构建传感界面，建立了一种基于铂-铟催化纳米复合膜的超分子印迹电化学传感器检测吡虫啉的方法。通过将铂-铟纳米复合膜沉积在改性玻碳电极的表面，再以掺有溴酚蓝的邻氨基苯酚为功能单体，杯芳烃为模板分子，制备复合分子印迹聚合物，其中铂-铟膜和溴酚蓝可起到催化和放大电流的作用，对吡虫啉的检出限可达1.2×10-13mol/L。

MIPs可批量处理、表面改性要求低，但制备MIPs时模板难以洗脱，重现性差。为了实现商业价值的最大化，可制备核壳结构的MIPs 以及合成纳米尺寸的复合MIPs 改善其性能，以进一步提高分子印迹纳米复合材料的性能。

2.3 光电化学传感器

光电化学传感器（Photoelectrochemical sensor，PCES）以电极/溶液界面的光电转化过程为分析基础。光诱导过程产生时，电极表面的光电材料处于激发态，与待测物发生电子转移，引起电流变化。光电化学传感器多采用光电材料修饰，如金属氧化物［27］、量子点［28］等。

金党琴［27］率先研究了基于二氧化钛光催化剂耦合碳糊电极的间接测定啶虫脒的电化学方法。啶虫脒的光催化降解化合物在中性溶液中具有电活性，从而实现啶虫脒含量的间接测定。该方法的线性范围为1.0×10-8～2.0×10-6mol/L，检出限为2.0×10-10mol/L。Kamyabi 等［28］报道了一种基于氧化锌纳米晶（ZnO）/泡沫镍电极用于吡虫啉的电发光检测方法。该方法对吡虫啉的线性范围为3.0×10-14～8.0×10-10mol/L，检出限低至4.4×10-15mol/L。为了提高光电转换效率，Jiang等［29］使用氮掺杂超薄MoS2纳米片耦合石墨烯量子点（GQDs）修饰电极，其中GQDs和MoS2纳米片起到催化和放大电流的作用，当啶虫脒氧化后电流强度明显增大，从而实现了对啶虫脒的超灵敏检测，其检出限为3.3×10-11mol/L。

光电材料具有优良的光电性能及很高的应用潜力。然而，现有的光电材料在实际应用过程中存在转换效率不高、均匀性不佳、与光源耦合困难等不足，极大限制了光电化学传感器的应用。因此，发展高转换效率、高分散、高稳定的光电材料，将是未来光电化学传感领域的重点研究方向。

2.4 纳米传感器

纳米材料也称超微粒材料，是在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围（1～100 nm）或由该尺度范围的物质为基本结构单元所构成的材料总称［30］，因具有的特殊形貌和优异性能，纳米材料在电极修饰领域应用最为广泛。纳米材料修饰电极的研究，突破了传统意义上电化学裸电极/电解液界面的范畴，开创了人为控制电极界面微结构的新领域。这意味着不仅可利用有机物、无机物和生物物质等材料的功能基团，还可利用功能材料本身多孔、微孔、介孔的特殊形貌进行电极界面设计。以下主要概括了碳基纳米材料、金属基纳米材料、超分子化合物、有机框架材料等修饰电极构建的各类传感器。

2.4.1 碳基纳米材料碳基纳米材料的比表面积大、电学性能优异，可显著提高电极的电导率和附着性［31］，是电化学分析的理想材料，在该领域有着广阔的应用前景。目前得到广泛应用的有石墨烯量子点、碳纳米管、石墨烯、氮化碳纳米片等［32］。Urbanová 等［33］以rGO 和聚吡咯（ppy）修饰电极同时检测噻虫嗪和吡虫啉，其线性范围为1.0×10-5～2.0×10-4mol/L，对噻虫嗪和吡虫啉的检出限分别为8.3×10-6mol/L 和7.9× 10-6mol/L。Wang 等［34］利用羧化多壁碳纳米管（MWCNTs）和单壁碳纳米角（CNH）修饰电极检测烯啶虫胺，线性范围为2.0×10-8～2.0×10-7mol/L，检出限为4.0×10-9mol/L。

石墨烯量子点表面具有丰富的活性位点，掺杂后形成异质结能提高光电催化性能［35］，Nasr -Esfahani 等［36］在GQD/MWCNT/离子液体（Ionic liquid，IL）复合材料的表面电聚合聚苯胺（PANI），该改性电极对吡虫啉的检测范围为3.0×10-8～1.2×10-5mol/L，检出限为9.0×10-9mol/L，且改性后的电极在30 天内表现出良好的重现性。石墨相氮化碳也是近年的研究热点，Ganesamurthi 等［37］提出了一种在丝网印刷碳电极上修饰Co3O4@g-C3N4复合材料用于检测噻虫嗪的方法。通过差分脉冲伏安法对噻虫嗪进行测定，其线性范围为1.0×10-8～4.2×10-4mol/L，检出限为4.9×10-9mol/L。该方法成功用于马铃薯和糙米等实际样品中噻虫嗪的电化学检测。

碳基材料片层间存在很强的分子间作用力，在水中容易团聚，可通过掺杂或改性，改善碳基材料在水中的团聚行为，制备出均匀分散的复合材料，确保电极修饰材料的批量一致性。

2.4.2 金属基纳米材料金属基纳米材料因具有比表面积大、电催化活性好、生物相容等优良性能被广泛地应用在诸多领域，尤其是制备方法简单、大小尺寸可控的金属纳米粒子和金属纳米晶［38］。但金属基纳米材料的附着性较差，需与其它纳米材料复合制备，其中，碳基-金属基纳米复合材料在电极修饰研究中备受青睐。

Majidi 等［39］在石墨烯修饰的玻碳电极上电沉积银纳米树枝状聚合物，制备了一种灵敏测定吡虫啉的新型电化学传感器，测得吡虫啉的线性范围为1.0 × 10-6～1.0 × 10-4mol/L，检出限为8.1 × 10-7mol/L。该电极具有良好的重复性和长期稳定性。Tawade 等［40］提出以ZnO-PANI-GO 复合材料修饰的玻碳电极检测吡虫啉，改性电极对吡虫啉的检测范围为1.3×10-7～2.1×10-6mol/L，检出限为1.3×10-8mol/L。

通过掺入比表面积大的碳基材料，能有效防止金属基纳米材料的堆积，提高检测灵敏度，在实际应用中也较为理想。但多数传感器采用滴涂法制备修饰的薄膜，存在均匀性和重现性相对较差等问题，需进一步探究通过电聚合外加保护膜等方法进行改善。

2.4.3 超分子化合物超分子化合物通常是指由两种或两种以上分子依靠分子间相互作用结合在一起，组成复杂、有组织的聚集体，如环糊精、杯芳烃、冠醚、柱芳烃、瓜环葫芦脲等［41］。超分子化合物的生物相容性好，特定的腔体结构可产生主客体包合反应，进而提高检测灵敏度。近年来，超分子化合物对农药分子的包合与识别成为分析领域的新兴研究方向。

环糊精是由六、七或八个葡萄糖单元组成的寡糖（分别命名为α-，β-或γ-CD），呈环状形式，具有疏水性内腔和亲水性外侧［42］。Zhao等［42］建立了一种通过电聚合将α-CD修饰在玻碳电极上的电化学传感器用于吡虫啉的测定。在吡虫啉存在的情况下，修饰电极的响应信号比裸电极增加了947%，这表明α-CD 修饰电极提高了检测灵敏度。在优化条件下，该传感器的检出限为2.0× 10-8mol/L，线性范围为5.0×10-7～4.0×10-5mol/L。Oliveria 等［43］报道了用rGO 和β-CD 修饰玻碳电极同时检测吡虫啉、噻虫嗪和噻虫胺的方法，检出限分别为8.9×10-6、7.4×10-6、4.7×10-6mol/L。

杯芳烃是继环糊精之后的第三代主体超分子化合物，对目标分子特异性强，且生物兼容性好，制备方法简单，在农药分析领域具有良好的优势。周君等［44］将rGO/SC8 修饰到电极表面，采用电化学方法对吡虫啉进行分析检测，复合材料具有rGO 的优良导电性和SC8 的识别、富集能力，两种成分的协同作用能促进吡虫啉在电极上的电催化还原，测得吡虫啉的线性范围为1.0×10-8～6.0×10-5mol/L，检出限为9.0×10-9mol/L。

超分子化学作为新兴的交叉学科领域，虽取得了一些进展，但超分子化学包含对农药分子的研究仍处于起步阶段，随着超分子化学的进一步发展和包合农药分子研究的深入，超分子应用于传感器的研究与开发必将进一步延伸。

2.4.4 有机框架材料有机框架材料是一种逐渐兴起的三维多孔材料，在气体吸附与分离、催化和传感等领域展现出优异的应用价值，成为众多科研工作者们关注的对象，其中以金属-有机框架材料（MOFs）和共价-有机框架材料（COFs）的应用最为广泛。MOFs 是由金属或金属簇与有机连接物自组装形成的多孔配位聚合物，COFs是通过共价键将有机单元连接而成的新型结晶多孔材料。与单纯无机材料或多孔碳材料相比，有机框架材料具有以下突出优势：①有机配体具有其他多孔材料无法超越的超高孔隙率和比表面积；②具有结构和孔隙的可调性；③可添加官能团修饰［45］。

MOFs和COFs作为传感材料或样品前处理材料应用于食品中农药的检测可提高灵敏度、降低成本，使操作简单、便捷，在分析检测中展现出较大的应用潜力。Wang等［46］以聚乙烯吡咯烷酮掺杂铜金属有机骨架为原料，开展了MOFs 材料应用于新烟碱类农药分析的开创性工作。通过一锅溶剂热法和热裂解法制备了新型氮掺杂大孔-介孔-微孔碳复合材料（N/Cu-HPC），N/Cu-HIPC的三维分层结构改善了新烟碱类分子与活性位点间的质量和电荷转移，用于吡虫啉、噻虫嗪的检测，可获得较宽线性范围（吡虫啉为5.0×10-7～6.0×10-5mol/L，噻虫嗪为1.0×10-6～6.0×10-5mol/L）和较低检出限（吡虫啉为2.6×10-8mol/L，噻虫嗪为6.2×10-8mol/L）。该传感器成功用于燕麦、玉米和水稻中吡虫啉、噻虫嗪的测定，表明N/Cu-HPC 具有很高的应用潜力，可作为监测农产品中新烟碱类杀虫剂的先进传感装置。

目前有机框架材料已应用于有机磷［47］、金属离子［47］、激素［47］和多环芳烃［48］的富集，然而对新烟碱类杀虫剂富集的报道较少，研究有机框架材料对新烟碱类杀虫剂的富集和检测是发展的必然趋势［49-50］。由于目前设计合成MOFs及COFs的方法仍有一定局限性，且合成步骤繁琐，合成时间长且成本高，尚需很多研究工作支持，其广阔的应用前景与挑战并存。

表1为电化学生物传感器、分子印记传感器、光电化学传感器、纳米传感器共4类在新烟碱类农药检测中的部分应用。

表1 电化学传感法对新烟碱类农药的检测Table 1 Detection of neonicotinoid pesticides by electrochemical sensing

3 总结与展望

对基于识别元件和新型功能材料的传感器性能进行评估和比较，可看出适配体、抗体等生物识别元件，以及分子印迹、光电材料、新型纳米材料制备的生物传感器、光电传感器、分子印迹传感器和各类纳米传感器，可实现对新烟碱类杀虫剂的超灵敏检测，也成功应用于实际农产品的检测。限制其应用的关键因素在于：①材料框架结构的完整性、化学稳定性、热稳定性；②界面环境的可控性；③材料的再生性、批量一致性。

基于以上问题，新烟碱类电化学传感器的未来发展趋势主要有：①设计出更多形貌可调的新型材料或复合已有的具有优良性能的纳米材料，以构建选择性高、分析范围广、抗干扰强的传感器；②对生物识别元件继续改进，以达到特异性识别能力好、传质效率高、成本低、稳定性好、制备简单的多重要求；③结合其他仪器进一步解析传感界面的识别机理，探究新烟碱类杀虫剂固有性质对识别元件的影响，通过提高检测的精确度以拓展其实际应用的前景。