电化学传感器技术在农药残留分析中的应用

孙敬明，郭浩，张慧君

（齐齐哈尔大学食品与生物工程学院，黑龙江齐齐哈尔 161006）

农药是用于防治害虫、去除杂草的一类非均相化合物，可有效提高作物产量。施用于农作物的农药，一部分会附着于作物的表面，另一部分会分散在大气、水及土壤中，而残存于环境中的农药又会被植物吸收。农药残留（简称“农残”）会直接通过果实、水、大气等方式进入人体。农药具有毒性，会导致人眼睛失明、肺损伤、肿瘤、基因突变等，严重时会致癌。按照作用对象不同，农药可分为除虫剂和除草剂两大类。目前用于农药检测的方法主要有气相色谱法、高效液相色谱法、荧光法、酶联免疫法、傅里叶变换红外光谱法、化学比色法、电分析法等[1]。在采用气相色谱检测法时，往往需要对样品进行水解或氧化等处理，操作繁琐，所以应用较少。液相色谱技术由于适用性广和效率高等优点而得到广泛应用，但这种方法由于需要大量的有机溶剂、昂贵的设备、经验丰富的技术人员、耗时的准备和检测程序等条件的限制，不适合实时检测。酶联免疫法既可进行定性分析，也可用于定量分析，是目前用于农药残留检测的常用方法之一，但该方法易受样品基质、结构类似物以及有机溶剂的干扰，使检测结果出现假阳性现象。傅里叶变换红外光谱法在确定农药种类方面应用广泛，是一种良好的定性检测方法，但其定量限无法达到国家相关的检出标准。化学比色法在定量分析中具有较好的表现，但光学分析方法检测特异性较差，难以对结构类似的农药进行定性检测。

电化学传感器是通过传感膜（即电极修饰材料，由纳米、生物等敏感材料组成）与待测物分子之间的相互作用产生化学信号，利用转换元件将化学信号转化为电信号，通过显示的电化学信号与待测物浓度之间的对应关系进行反应物含量的计算，进而实现检测的目的。起初，根据特定的酶对农药残留产生单一信号的原理而采用电化学酶传感器。但是，当酶固定于传感膜后，会降低反应物与电极电子的传递过程，继而导致电化学酶传感器的灵敏度较低；而且待测溶液中所含的金属阳离子、有机物也会抑制酶的活性甚至使其失去活性，以至于每检测一次样品后都需要重新修饰，从而延长了检测时间。电化学酶传感器被报道后，基于抗原、抗体特异性结合的电化学免疫传感器技术被应用到农药残留检测中。除了传统的电化学免疫传感器和电化学酶传感器以外，纳米材料和分子印迹聚合物的修饰电极也被应用到电化学传感器中。近年来，石墨烯纳米片、多壁碳纳米管、氧化锆等纳米材料被应用于农药残留的检测。分子印迹电化学传感器主要利用人工合成的分子印迹聚合物特殊孔穴对目标样品进行特异性结合，进而对分析物进行高选择性检测。结果表明，这两种技术与电化学传感器技术的结合可以大大提高传感器的灵敏度、选择性及重现性。电化学传感器检测农药残留含量时，所需仪器成本较低，使用有毒有机溶剂较少，样品制备程序较为简单，所以更适合现场分析或在线监测[2]。此外，电化学分析技术具有检测限低、分析物选择性高和通用性强的特点，在近年来得到广泛关注。本文主要基于电化学传感器技术在农药残留检测方面的应用进行综述。

1 电化学传感器技术在几种杀虫剂检测中的应用

杀虫剂是用于预防、控制或消灭有害于农业生产的害虫，提高作物产量的化学品。杀虫剂是农药中用量最大、品种最多的一类药剂，多数只能杀虫而不能防病。杀虫剂为农业增产和解决人类粮食问题起了极为重要的作用，其具有化学性质稳定，不易降解，易在土壤及生物体内积累等特点，但同时也是造成农药污染环境的最重要因素之一。目前，有益生物数量的减少甚至濒临灭绝等现象与杀虫剂的使用有密切关系。按照化学结构，杀虫剂可分为新烟碱类、有机磷、氨基甲酸盐、有机氯和拟除虫菊酯等几种。

1.1 新烟碱类杀虫剂

新烟碱类杀虫剂是在烟碱结构修饰的基础上开发的一类低毒、低残留、高效、高选择性的新型杀虫剂，已经成为我国杀虫剂的重要组成部分。新烟碱类杀虫剂是通过与昆虫中枢神经系统的烟碱受体结合来抑制乙酰胆碱酯酶的传递，从而导致乙酰胆碱的积累，致使昆虫麻痹和死亡。主要品种有吡虫啉、噻啶虫胺、噻虫嗪、硝吡喃、噻虫胺、呋虫胺等。由于它们在杀虫方面表现出的高效率，近年来，这些杀虫剂在农业上的使用大幅增加。然而，生物安全性却面临极大的考验。有研究表明，新烟碱类杀虫剂对蚯蚓表现出一定程度的急性毒性，对蜜蜂、家蚕表现出较高毒性。自新烟碱类农药进入市场以来，在大米等农产品的检测中时常被检出。因此为了保障人类健康，必须建立一种灵敏、准确、经济的检测方法。

Pérez-Fernándz 等[3]开发了一种竞争性的免疫测定方法来测定吡虫啉，使用高特异性的单克隆抗体修饰在丝网印刷碳电极上进行电化学检测。优化后的免疫传感器具有重现性好、检出限低等优点。采用高效液相色谱-质谱-质谱法和酶联免疫吸附法进行对比分析，电化学免疫传感器的反应范围更广，检出限更低。这些特点使电化学免疫传感器成为一种有效的、优势的吡虫啉现场检测工具。LEZI N 等[4]基于一次性丝网印刷的电极技术，采用阴极脉冲伏安法测定水样中4 种新烟碱类农药（噻虫胺、吡虫啉、硝吡喃、呋虫胺）的含量。OLIVERIRA AEF 等[5]通过采用β-环糊精和石墨烯修饰玻碳电极来测定三种烟碱农药。基于β-环糊精的包涵体特性和石墨烯的高导电性，研制出的电化学传感器具有很高的灵敏度和导电性，在传感器的结构中具有极其重要的特点，通过所构建的传感器可用于测定这些样品中三种不同的新烟碱类农药。该方法不需要预处理，可直接在蜂蜜样品中测定，快速、简便。

1.2 有机磷类杀虫剂

有机磷农药是世界范围内广泛使用的一类重要农药，对害虫具有极高的毒性。它们在农业产品的产量及质量提高方面发挥了很好的效果。然而，由于大量使用，这些有毒化合物可通过水或土壤进入到环境中。残留的有机磷杀虫剂可在自然环境中长期存在，产生污染，并对人类、动物和自然产生潜在危害。有机磷类杀虫剂主要包括甲基对硫磷、杀螟硫磷、毒死蜱、丙二醇等，它们的特点是在水果和蔬菜的采摘前和采摘后的处理中均会增加。残留在土壤中的有机磷杀虫剂会经由灌溉水、雨水等渗入到地下水中，经常食用含有有机磷杀虫剂残留的食物，会导致农药在人体内的积累，在体内积累过多可引起人胆碱酯酶抑制，出现过度刺激神经系统，引起恶心、头晕、神志不清，过量食用还会出现呼吸困难、麻痹甚至死亡等情况。因此，食品中有机磷类杀虫剂的残留还需要严格控制，发展有机磷类杀虫剂的快速检测方法已成为近年来的研究热点。

Zhang D 等[6]制备了一种基于多壁碳纳米管的新型分子印迹，将其应用于甲基对硫磷的电化学测定，结果快速、选择性好、重现性好、灵敏度高；并成功应用于梨和黄瓜样品中甲基对硫磷的检测。ABACI 等[7]合成一种新型偶氮染料及石墨烯对石墨电极表面进行电化学修饰，用方波伏安法测定了pH 对峰电位的影响，并对修饰电极进行了灵敏度和选择性检测，将电极用于番茄样品中杀螟硫磷分析，取得了较好结果。CREW A 等[8]制造了一台用于有机磷农药检测的新型自动化仪器，该仪器包含一个神经网络程序，利用6 种不同乙酰胆碱酯酶的生物传感器阵列成功地为多种样品提供了快速、准确、可靠的数据。JIAO Y 等[9]合成了一种基于炭黑、氧化石墨烯及四氧化三铁纳米粒子复合薄膜的灵敏选择性电化学自适应传感器，用于毒死蜱的检测。由于壳聚糖化炭黑具有较高的比表面积、良好的分散性和导电性，利用该材料来捕获更多的氧化石墨烯四氧化三铁粒子，继而能进一步放大适配器传感器的电流信号，结果表明，该传感器用于毒死蜱的检测具有良好的选择性、重复性和稳定性。

1.3 其他种类除虫剂

除前文提到的两类在农田中用量较大的除虫剂外，还有几种除虫剂也可通过电化学传感器进行含量测定。氨基甲酸酯类化合物因其环境持久性比有机氯酸盐低、对昆虫的防治活性高而被广泛应用于农业中。但是这类农药在脊椎动物和昆虫中的作用模式是基于对乙酰胆碱水解过程中乙酰胆碱酯酶活性的抑制。DUTTA RR 等[10]以酪氨酸酶为固定化剂，戊二醛与牛血清白蛋白交联，在酞菁钴（II）改性纤维素石墨复合电极表面制备了电流型生物传感器，用于测定氨基甲酸酯类农药。然而有机氯类农药在棉花、苹果和柑橘等农作物上的大量应用，给人类和环境带来了严重的问题。LIU G 等[11]通过基于碳基底垂直排列碳纳米管化学组装的电化学免疫传感器直接检测水中硫丹的含量。

2 电化学传感器技术在几种除草剂检测中的应用

除草剂指的是能杀死杂草或有害植物，而不影响农作物正常生长的化学药剂，可用于防治农田杂草或杀灭非农耕地的杂草或灌木。按其化学组成可分为有机磷类、联吡啶类、氨基甲酸酯类、苯甲酸类、取代类等除草剂。按其作用特点可分为选择性除草剂和灭生性除草剂。选择性除草剂指在使用一定剂量和浓度的范围内，可有选择性地杀死某些种类的植物，而对其他种类植物无害。灭生性除草剂指对植物缺乏选择性或选择性小的除草剂。

2.1 有机磷类除草剂

有机磷类除草剂属内吸传导广谱灭生性茎叶除草剂，对多年生深根性杂草地下组织有很强的破坏能力，能直接杀死杂草的根系，使用该除草剂多年的果园除了生长一些小根菜，很少有杂草生长，因此深受果农青睐。有机磷类除草剂主要包括草甘膦、草铵膦和双丁铵膦。食入过多会对皮肤产生刺激作用，并且对眼睛有较强的刺激性。DO MH 等[12]利用对巯基苯胺功能化金纳米粒子在草甘膦模板分子存在下的电聚合反应，研制了一种用于检测草甘膦的电化学分子印迹传感器。HABEKOST A[13]采用金及多壁碳纳米管制成的丝网印刷电极并且用纳米氧化锌颗粒修饰后，对草甘膦进行电化学检测。LIU H 等[14]基于双重抑制原理构建了一种用于草甘膦高灵敏度检测的电化学发光传感器。其构建的基于Lu-Au-Lcys-Cu(II)双重抑制策略的电化学发光传感器对草甘膦具有检测性能好，灵敏度高、重现性好、稳定性好、准确度高的特点。PRASAD BB 等[15]制备了一种快速、灵敏、有选择性的双模板印迹聚合物纳米膜修饰石墨电极，用于同时分析土壤和人血清样品中草甘膦和草铵膦的含量。

2.2 联吡啶类除草剂

联吡啶类除草剂是一类快速灭生性除草剂，具有触杀作用和一定的内吸作用，能迅速被植物绿色组织吸收，使其枯死。但是，联吡啶类除草剂对人体有剧毒，而且对人体器官伤害极大，且无特效解毒药，口服中毒死亡率可达99%以上。该除草剂还对眼睛有刺激作用，可引起指甲、皮肤溃烂等；口服3 g 即可导致系统性中毒，并导致肝、肾等多器官衰竭，肺部纤维化（不可逆）和呼吸衰竭。因中毒前期治疗黄金期内症状不明显，容易误诊或忽视病情。联吡啶类除草剂主要的代表农药为敌草快和百草枯。PRASAD BB 等[16]利用金电极和高频方波伏安法检测天然水和柠檬酸果汁样品中百草枯除草剂的新型电分析方法。LI J 等[17]通过对石墨烯进行改性，成功合成了聚吡咯接枝氮掺杂石墨烯，将聚吡咯接枝氮掺杂石墨烯对玻碳电极进行修饰，并用于百草枯电化学的检测。试验表明修饰电极除了具有良好的灵敏度外，由于聚吡咯与氮掺杂石墨烯的良好结合和协同效应，传感器还表现出良好的稳定性和较强的抗干扰能力。SHAN X 等[18]在金纳米-壳聚糖修饰的玻碳电极上覆盖分子印迹聚合物膜设计了一种检测百草枯的新型电化学传感器。该传感器具有高速、实时检测能力强、样品消耗量小、灵敏度高、抗干扰能力强、稳定性好等特点，可用于百草枯的检测。

2.3 其他种类除草剂

除上述提到的在市场销售中占比较大的两类除草剂外，还有几种除草剂可采用电化学传感器进行测定。如利谷隆为取代脲类除草剂，具有内吸传导和触杀作用。利谷隆对一年生禾本科杂草，如马唐、狗尾草、蓼等有很好的防除效果，适于芹菜、豆科、胡萝卜、马铃薯、葱等菜田应用。SIARA LR 等[19]采用电化学预处理的沸石修饰碳糊电极，建立了一种简便、廉价、高灵敏度的电化学方法，用于测定自来水中利谷隆的含量。阿特拉津是内吸选择性苗前、苗后封闭除草剂。易被雨水淋洗至土壤较深层，对某些深根草亦有效，但易产生药害，持效期也较长。SUPRAJA P 等[20]合成了一种电纺锡（IV）氧化物的纳米纤维电化学传感器用于水中痕量阿特拉津的检测。试验表明，在存在干扰化合物如尿素和葡萄糖的情况下，传感器检测阿特拉津的能力几乎不受影响。

3 小结

目前对农药残留的超灵敏检测日渐成为研究的一个热门领域，人们已经开始在宏观、微观和纳米尺度上对新材料进行探索。而用于农药检测的电化学传感器因其高灵敏度、选择性好、成本低及在某些情况下自动化设备的小型化、可移植性和集成性而备受关注。综上所述，电化学传感器由于具有易微型化、操作简单、响应信号高、选择性好、测定结果快速准确的特点，在农药残留分析领域潜力巨大。但在充分发挥其潜力的同时，也存在以下问题需要解决。如在对电极表面进行修饰后，修饰材料在测试溶液中的稳定性需要进一步加强，以防止检测中，材料脱落的现象发生，影响检测结果的准确性。大量的检测手段在进行水中农药检测时均表现出高选择性、高灵敏度，但是在进行实际果蔬样品中农药含量测定时，由于基质复杂，最终结果的灵敏度和分辨率并不理想。所以，在样品前处理方面，需要进行更深层次的研究，提高农药富集效率以及研发抗干扰能力强的电化学传感器是未来的主要研究方向。