熒光傳感器在農(nóng)獸藥殘留檢測中的應(yīng)用研究進(jìn)展

◎ 趙玉芬，孔華娟，李曉英

（浙江醫(yī)藥股份有限公司昌海生物分公司，浙江 紹興 312366）

在現(xiàn)代農(nóng)、牧業(yè)生產(chǎn)中，農(nóng)獸藥被廣泛使用以提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和改善畜牧養(yǎng)殖業(yè)生產(chǎn)水平[1-2]。然而，農(nóng)獸藥的過渡使用或?yàn)E用會(huì)導(dǎo)致其在食品或環(huán)境中殘留超標(biāo)，不僅會(huì)對人體健康產(chǎn)生威脅，還會(huì)給生態(tài)系統(tǒng)造成嚴(yán)重的破壞[3]。為了規(guī)范農(nóng)獸藥的使用，各國均制定了相關(guān)的指導(dǎo)政策，并規(guī)定了食品和農(nóng)產(chǎn)品中農(nóng)獸藥的最大殘留量標(biāo)準(zhǔn)。盡管大多數(shù)產(chǎn)品中農(nóng)獸藥的檢出量在規(guī)定范圍內(nèi)，但由于其生物累積效應(yīng)和持久接觸性，仍可能會(huì)對人類健康產(chǎn)生威脅。因此，加強(qiáng)農(nóng)獸藥殘留分析檢測至關(guān)重要，是確保食品質(zhì)量安全、保護(hù)生態(tài)系統(tǒng)、保護(hù)人類健康的重要手段。

1 熒光傳感器

在熒光傳感體系中，分析物與具有特異性的識(shí)別基團(tuán)作用后，可引起熒光基團(tuán)的信號發(fā)生改變，進(jìn)而反映被分析物的濃度或含量等信息。根據(jù)識(shí)別元件的不同，熒光傳感器通?？煞譃橐韵聨追N類型：抗體輔助法、基于分子印跡聚合物（Molecular Imprinted Polymer，MIP）法、基于適配體法、主客體復(fù)合物探針法等，這些識(shí)別元件可用于捕獲和識(shí)別目標(biāo)分析物，實(shí)現(xiàn)農(nóng)獸藥的高靈敏度和高選擇性檢測。

1.1 抗體輔助法

抗體由于具有極高的結(jié)合平衡常數(shù)，能夠高靈敏和選擇性地識(shí)別相應(yīng)的抗原，已被廣泛應(yīng)用于農(nóng)獸藥免疫分析。隨著熒光納米材料的發(fā)展，新型熒光免疫傳感器也被廣泛開發(fā)并應(yīng)用于農(nóng)獸藥殘留檢測。

有研究者結(jié)合AIE 機(jī)制和間接競爭酶聯(lián)免疫吸附試驗(yàn)（Enzyme-Linked Immunosorbent Assay，ELISA）建立了一種新型熒光探針免疫傳感器，用于檢測食品中違禁獸藥金剛烷胺（Amantadine，AMA）殘留[4]。在該研究中，一種弱熒光發(fā)射的發(fā)光源在H2O2存在下聚集，并基于AIE 特性表現(xiàn)出強(qiáng)烈的黃色熒光發(fā)射。葡萄糖氧化酶（GOx）作為免疫分析的酶標(biāo)，觸發(fā)GOx/葡萄糖介導(dǎo)的H2O2生成，導(dǎo)致TPE-HPro 氧化，并在540 nm 處產(chǎn)生“turn-on”熒光反應(yīng)。該熒光ELISA 法實(shí)現(xiàn)了對雞肉樣品中AMA 濃度的定量測定，IC50值為0.38 ng·mL-1，雞肉樣品中LOD 達(dá)到0.06 μg·kg-1。ZHA 等[5]采用生物素標(biāo)記的IgG 修飾AuNP（AuNP@IgG-bio），并用鏈霉親和素標(biāo)記堿性磷酸酶（Alkaline Phosphatase，ALP），基于免疫競爭原理和ALP 對抗壞血酸2-磷酸（AA2P）的去磷酸化作用，實(shí)現(xiàn)了氯乙酰胺類除草劑的可視化和熒光雙模檢測。在該檢測體系，酶解產(chǎn)物壞血酸（Ascorbic Acid，AA）會(huì)引發(fā)銀在金納米星（AuNSs）上的沉積，使反應(yīng)體系顏色發(fā)生改變。另外酶解產(chǎn)物DHA 與鄰苯二胺（O-Phenylenediamine，OPD）發(fā)生反應(yīng)會(huì)導(dǎo)致熒光信號發(fā)生改變。ATC 會(huì)抑制ALP 的活性，因此可以利用晶體生長產(chǎn)生的紅-綠-藍(lán)顏色變化和熒光信號變化實(shí)現(xiàn)雙模檢出。

1.2 基于MIP 法

MIP 又被稱作仿生抗體，能夠?qū)δ繕?biāo)分子進(jìn)行特異性識(shí)別和選擇性吸附。由于MIP 可根據(jù)目標(biāo)物的不同進(jìn)行定制、穩(wěn)定性高、動(dòng)力學(xué)特性優(yōu)異，被廣泛應(yīng)用于傳感器中以提高分離效果和提高檢測靈敏度。

LING 等[6]開發(fā)了一種雙功能、可循環(huán)利用的磁性熒光分子印跡聚合物（MFMIPs）傳感器，用于快速檢測和凈化水中的甲卡西酮。MFMIPs 表面的特定孔洞對甲卡西酮具有較強(qiáng)的識(shí)別和吸附能力，當(dāng)加入甲卡西酮時(shí)，傳感器的熒光會(huì)發(fā)生急劇猝滅。在最優(yōu)條件下，MFMIPs 傳感器具有較高的靈敏度，線性范圍為0.5～100.0 nmol·L-1，LOD 達(dá)到0.2 nmol·L-1。此外，在外加磁場下，該傳感器可回收和重復(fù)使用5 次以上，實(shí)現(xiàn)了甲卡西酮高靈敏度、高效的分析和凈化。GAO 等[7]采用表面印跡法對聚甲基丙烯酸甲酯納米微球（PMMA-NSs）表面進(jìn)行了磺胺嘧啶分子印跡。同時(shí)，將Mn（Ⅱ）摻雜的ZnS 量子點(diǎn)引入印跡微球中。當(dāng)印跡微球與目標(biāo)物磺胺嘧啶結(jié)合后，會(huì)導(dǎo)致其熒光逐漸猝滅。該熒光傳感器對磺胺嘧啶的檢測范圍為5～40 μmol L-1，LOD 為0.24 μmol L-1。將其用于自來水中磺胺嘧啶的測定，加標(biāo)回收率為96.6%～100.2%，表現(xiàn)出良好的靈敏度與準(zhǔn)確度。LONG 等[8]采用層層自組裝方式合成了一種核殼結(jié)構(gòu)的SiO2@Gd2O3∶Eu3+@SiO2@MIP，并基于Eu3+和甲萘威之間的能量轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)了甲萘威的快速、靈敏和特異性檢測。

1.3 適配體介導(dǎo)法

核酸適配體作為一種典型的分子識(shí)別元件，是通過指數(shù)富集的配體系統(tǒng)進(jìn)化技術(shù)，從核酸序列庫中生成的單鏈DNA 或RNA，一般長度在20～80 個(gè)堿基。與天然抗體相比，低分子量的適配體更容易合成、成本低、穩(wěn)定性好、可反復(fù)變性和復(fù)性。特別是適配體可以通過精細(xì)調(diào)控和功能化過程修飾各種熒光團(tuán)，而不影響其親和力。在檢測體系中，適配體通過分子的形狀互補(bǔ)、芳香環(huán)的堆疊、靜電作用、范德華相互作用以及氫鍵作用直接識(shí)別并與相應(yīng)的目標(biāo)特異性結(jié)合，實(shí)現(xiàn)高效、高靈敏度的檢測。因此，核酸適配體是傳感檢測領(lǐng)域策略中最有前途的生物識(shí)別元件之一。

適配體熒光傳感器的工作原理主要基于核酸適配體在納米材料上的物理吸附和納米材料對熒光基團(tuán)的有效淬滅。OUYANG 等[9]基于上轉(zhuǎn)換納米顆粒（UCNPs，供體）和二氧化錳（MnO2，受體）納米片的發(fā)光共振能量轉(zhuǎn)移（Luminescence Resonance Energy Transfer，LRET），開發(fā)了一種檢測CBZ 的熒光適配體傳感器。由于核酸堿基與MnO2納米片之間存在強(qiáng)范德華力，CBZ 適配體標(biāo)記的UCNPs 可在MnO2納米片表面自組裝，由于MnO2的吸收光譜與UCNPs 的熒光發(fā)射光譜有較強(qiáng)的重疊，會(huì)導(dǎo)致UCNPs 的熒光信號猝滅。在加入CBZ 后，其與適配體結(jié)合，導(dǎo)致UCNPs-適配體復(fù)合物從MnO2納米片上脫落，熒光信號得到恢復(fù)。該熒光傳感器對CBZ 的檢出范圍在0.1～5 000.0 ng·mL-1，LOD 為0.05 ng·mL-1，可實(shí)現(xiàn)CBZ 的快速、靈敏和特異性的定量檢測。TALARI[10]設(shè)計(jì)和開發(fā)了一種基于還原石墨烯量子點(diǎn)（rGQDs）和多壁碳納米管（MWCNTs）的熒光適配體納米傳感器，用于選擇性檢測有機(jī)磷農(nóng)藥二嗪農(nóng)。在缺少二嗪農(nóng)的情況下，適配體-rGQDs 和MWCNTs 的結(jié)合導(dǎo)致熒光信號的降低。然而，加入二嗪農(nóng)后，MWCNTs和適配體-rGQDs 復(fù)合物被有效分離，導(dǎo)致熒光信號的增加。該熒光傳感器對二嗪農(nóng)檢測限為0.4 nmol·L-1（0.1 μg·L-1），檢測范圍在4～31 nm，且具有較高的穩(wěn)定性、特異性和選擇性，可用于有機(jī)磷農(nóng)藥的現(xiàn)場快速檢測。

1.4 主客體復(fù)合物探針法

環(huán)糊精（Cyclodextrin，CD）是一類具有良好生物相容性的大環(huán)主體分子，具有圓錐形的不對稱幾何結(jié)構(gòu)和尺寸穩(wěn)定的疏水空腔，根據(jù)空腔尺寸的大小，可分為α-、β-和γ-CD。YI 等[11]通過用3-氨基苯基硼酸修飾二硫化鉬量子點(diǎn)（MoS2QDs）并用β-CD對其進(jìn)一步官能化，構(gòu)建了一種基于β-CD-MoS2QDs 的新型熒光納米探針檢測甲基對硫磷（Methyl Parathion，MP）。MP 在堿性條件下可水解為對硝基苯酚（p-NP），p-NP 可通過β-CD 與p-NP 之間的主客體識(shí)別作用進(jìn)入β-CD 空腔，縮短p-NP 和β-CD-MoS2QDs 量子點(diǎn)之間的距離，并通過光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移（PET）過程有效猝滅β-CD-MoS2QDs 的熒光。在最佳條件下，β-CD-MoS2QDs 納米探針可實(shí)現(xiàn)對MP 的高靈敏檢測。此外，該熒光納米探針對MP 還表現(xiàn)出優(yōu)異的特異性，可用于實(shí)際樣品中MP 的檢測。

作為第三代主體化合物，杯芳烴大小可調(diào)節(jié)的“空腔”為選擇性識(shí)別提供了內(nèi)部環(huán)境，特定的客體小分子可進(jìn)入杯芳烴中，通過氫鍵和π-π 堆積等弱相互作用產(chǎn)生熒光信號的變化[12]。YU 等[4]制備了四吡啶基杯芳烴修飾的超薄二維（2D）金屬有機(jī)框架（MOF）納米片，并基于主客體交互作用檢測草甘膦農(nóng)藥。在該研究中，首先構(gòu)建了3D 層狀MOF，其具有2D 層狀結(jié)構(gòu)特征，并通過弱π-π 相互作用結(jié)合在一起。由于杯芳烴配體呈杯狀，且在MOF-Calix 的2D 層間存在容易偏離的甲醇分子，因此3D 結(jié)構(gòu)的MOF-Calix 可通過超聲高效地剝離成超薄的單層（2.20 nm）或雙層（3.73 nm）二維納米片。利用杯芳烴與草甘膦客體之間的主客體交互作用以及杯芳烴在2D MOF-Calix 納米片表面高度可及的活性位點(diǎn)，可通過熒光增強(qiáng)效應(yīng)實(shí)現(xiàn)對草甘膦的快速響應(yīng)和高靈敏度檢測，LOD 達(dá)到2.25 μm。

2 總結(jié)與展望

綜上所述，熒光傳感器具有靈敏度高、選擇性好、檢測速度快及設(shè)備簡單等優(yōu)點(diǎn)，在農(nóng)獸藥檢測方面有著廣闊的前景，然而該檢測技術(shù)尚存在一些亟需突破的瓶頸。目前大多數(shù)熒光傳感器仍處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，鮮有相應(yīng)的成熟市售產(chǎn)品；識(shí)別元件（如酶、抗體和適配體體）容易受到環(huán)境條件（如溫度、酸堿性和pH）的干擾，導(dǎo)致檢測的穩(wěn)定性差；目前已報(bào)道的農(nóng)獸藥識(shí)別元件對象單一，少有可檢測多目標(biāo)物的元件類型；識(shí)別元件與功能化納米材料之間的共軛效應(yīng)會(huì)增加熒光傳感檢測的復(fù)雜性、檢測成本和時(shí)間等，尤其是納米材料可能會(huì)抑制識(shí)別元素的識(shí)別能力，導(dǎo)致檢測靈敏度與穩(wěn)定性差；此外，納米探針分布的不均勻性和不穩(wěn)定性會(huì)降低分析精度，嚴(yán)重影響熒光傳感器的檢測性能。

因此，為提高熒光傳感器的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性、靈敏度和選擇性，后續(xù)研究可從以下幾個(gè)方面入手。①開發(fā)具有良好識(shí)別能力的識(shí)別元件，如肽適配體、脂質(zhì)體等，以提供對目標(biāo)分析物的選擇性和靈敏度。②開發(fā)新型納米材料用作熒光信號探針、載體和催化劑。如采用具有雙發(fā)射的比率型熒光探針提供內(nèi)參信號，消除環(huán)境干擾。采用具有更低的成本、更高的穩(wěn)定性和優(yōu)異的可回收性的納米酶提高熒光傳感器的穩(wěn)定性。③將熒光檢測策略集成到便攜化裝置中，實(shí)現(xiàn)農(nóng)獸藥的現(xiàn)場原位檢測。另外，利用小型化設(shè)備和無線網(wǎng)絡(luò)，通過智能手機(jī)等手持設(shè)備將檢測的熒光信號轉(zhuǎn)化為可測量的數(shù)字信號，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測分析，進(jìn)一步促進(jìn)熒光傳感器的商業(yè)化。因此，熒光傳感器必將在未來的農(nóng)獸藥現(xiàn)場監(jiān)測中發(fā)揮重要作用。