农药残留快速检测技术综述

农药残留快速检测技术研究进展 邓敏姬 邓敏航 郑琪 黄卿仪 易蜀婷 摘要：主要综述了农药残留检测技术中目前广泛应用的酶抑制检测法、酶联免疫检测 法、活体生物测定法、生物传感器法和仪器分析法等快速测定方法的原理、优缺点及其进 展，指出了农药残留快速检测技术中存在的问题和发展方向。 关键词：农药残留；酶抑制；酶联免疫；活体生物测定；生物传感器；速测 Abstract：Summary of the pesticide residues in the main detection technique is currently widely used in the enzyme inhibition assay, enzyme-linked immunosorbent assay, in vivo bioassay, biological sensors and analysis equipment, such as the rapid determination of the principles, strengths and weaknesses and progress. Pointed out the technology for rapid detection of pesticide residue problems and development direction. Keywords: pesticide residues; enzyme inhibitor; enzyme-linked immunosorbent assay; vivo bioassay; biological sensors; speed test 正文：长期以来，由于人们在防治农作物病虫害过程中不合理和超剂量使用化学农药， 导致农产品中的农药残留量越来越高，影响了农产品的出口和人民的健康，也破坏了农业 生态环境。当前世界各国政府正在不断加强农药残留的监测工作，对农药残留检测灵敏度 和效率的要求逐步提高，对快速检测分析新技术的开发也日益重视。常规的农药残留分析 方法如液相色谱法(HPLC)、气相色谱法(GC)、质谱(MS)法等，均存在着样品前处理复杂、 仪器设备昂贵、分析费时长、要求熟练的技术人员才能完成等问题。由于这些方法不能满 足样品现场快速检测的要求，迫使人们运用新的原理和方法去开发特异性强、灵敏度高、 方便快捷、准确安全的快速检测新技术。本文主要综述了目前广泛应用的酶抑制法、酶联 免疫分析方法、活体生物测定方法和生物传感器法等快速测定方法的研究进展。 1酶抑制法 1.1 酶抑制法是一种简便、灵敏、经济的快速检测方法，是相对成熟的一种对部分农药进 行残留速测技术。它基于有机磷农药对酶活性的抑制作用，适用于有机磷和氨基甲酸酪类 农药。 1,2在目前条件下，酶抑制法是净化蔬菜市场的一种有效可行的方法，其优点是能 对抑制胆碱酯酶的农药品种进行快速灵敏的检测、样品前处理简单、检测时间短、所需仪 器设备简单、适用于现场测定。缺点是使用的酶基质和显色剂有一定的特异性，需控制的 条件比较多。 3 1.2 影响因素 1：1)温度和 PH 对酶促反应的影响: 酶的活性都随着温度的升高先升高后降 低;2)时间对酶促反应的影响；3）温度和农药品种对农药抑制作用的影响:在一定的温度范 围内(25-45 )植物酯酶和乙酰胆碱酯酶受到农药的抑制作用都是随着温度的升高而增强； 4）时间对农药抑制作用的影响:抑制时间越长，农药的抑制作用越强。 1.3 酶抑制法根据所使用的酶的种类不同可大致分为两类:胆碱酯酶法和植物酯酶法。 1 1.3.1 胆碱酯酶法 原理：乙酰胆碱酯酶(AChE)抑制法的检测原理以乙酰胆碱为底物，在 AChE 的作用下，乙酰 胆碱水解成胆碱和乙酸，胆碱和二硫对硝基苯甲酸(DTNB)产生显色反应，使反应液呈黄色。 1 特点：操作简单测定所需的时间短不需要贵重的仪器费用较低适合于现场的快速检测， AChE 抑制法虽然在回收率和精密度上较经典方法差一些，但可以满足半定量的要求适合于 我国的小规模分散式的农产品生产与经销体系。另外，各种农药因其化学结构和作用机理 不同对 AChE 的抑制能力也不相同，氧化型有机磷的抑制能力较强，AChE 抑制法对其的灵 敏度较高最小检出浓度较低；而硫代型有机磷的抑制能力较差，最小检出浓度较高；但辛 硫磷因为含有肟基选择毒力大大增强最小，检出浓度较低；对氨基甲酸酯类农药的检测灵 敏度相对都比较高。 1.3.1.1 比色法 4 比色法是酶抑制法农药残留快速检测测定技术中最常采用的一种方法，也是最简单的 一种测定技术。 原理：它通过酶水解底物碘化硫代乙酰胆碱，生成的碘化硫代胆碱，能与 5，5一二硫代 一 2，2二硝基苯甲酸(DTNB)作用，生成 5 一琉基一 2 一硝基苯甲酸(黄色)。于特征波长 (410.nom)下进行比色，测定吸光值，根据吸光值的大小，计算乙酰胆碱酯酶被抑制的程度， 并通过与农药浓度进行回归分析，建立回归方程，从而通过测定未知样品对酶活性的抑制 率求出样品中残留农药的量的一种方法。 特点：利用此方法对蔬菜、果品及农产品中农药残留量进行测定，灵敏度高、操作简便、 检验速度快，可检测多种农药的综合残留量。但由于酶易失活，不易保存，检测时受温度 影响，需要控制的条件较多。 1.3.1.3 速测卡法 4 原理：速测是根据有机磷农药能够强烈抑制小麦酯酶的活性这一特性研制而成,农药残留速 测卡法是应用农药对乙酰胆碱酯酶抑制原理设计的一种根据颜色变化的直观检测方法 5。 其中红色药片为有 2，6 一二氯靛酚乙酸酯的经真空干燥后的滤纸片，白色药片含有小麦酯 酶。 方法：在使用时将 1 一 2 滴样品液滴到白色药片上，对折速测卡使两药片重叠。如果样品 中不含有机农药，那么 2，6 一二氯靛酚乙酸酯在小麦酯酶的作用下迅速发生水解反应，生 成蓝色靛酚和乙酸，因而白色药片会显蓝色;如果样品中含有少量有机磷农药，则有机磷农 强烈抑制小麦酯酶的活性，使得 2，6 一二氯靛酚乙酸酯的水解反应不能进行，白色药仍然 保持白色或呈浅蓝色。 1.3.2 植物酶抑制法 原理 5：利用植物酯酶水解 2,6-二氯乙酰靛酚，水解产物靛酚为蓝色，最大吸收波长为 605 nm，根据反应溶液在水解前后颜色的变化，用目测或仪器来判定农药对酶的抑制程度， 从而判断有机磷或氨基甲酸酯类农药的残留量。 特点：在利用酶抑制原理测定农药残留的方法中，植物酯酶与动物酯酶相比，抑制程度的 各项指标均不逊色很多，同时又具有酶源方便易得，提取、保存方便，成本低等优势。但 是目前的研究表明植物酷酶方法的精确度和灵敏度不及乙酰胆碱酯酶法，乙酰胆碱酯酶法 的检出限数量级在 0.001 mg/kg 附近，而植物酯酶法只能在 0. l mg/kg 附近，灵敏度较低。 2.酶联免疫分析法（ELISA） 2.1 原理：EllSA 的核心技术是抗原抗体的特异性反应。ELISA 的基本原理是将抗原抗 体之间的特异性免疫反应和酶对底物的高度催化效应结合起来，以酶促反应的放大作用来 显示初级免疫反应。它既可测抗原也可测抗体。 6 2.2 方法：EUSA 需要固相载体作为吸附剂，用固相载体吸附抗体(抗原)，加待测抗原 (抗体)，再与相应酶标记抗体(抗原)进行抗原抗体特异免疫反应，生成抗体(抗原)一待测 抗原(抗体)一酶标记抗体(抗原)复合物，最后再与该酶底物发生反应生成有色产物。待测 抗原(抗体)定量与有色产物量成正比，因此可借吸光度值计算抗原(抗体)量。ELISA 法既 可进行定性测定，又可进行定量测定。在上述反应中，酶促反应只进行一次，而抗原一抗 体免疫反应可进行一次或数次。 7 2.3 应用：ELISA 技术还可应用于食品中其它成分的测定,抗营养素因子如大豆及其制 品中的胰蛋白酶抑制因子;食品营养成分如牛初乳中乳铁蛋白含量等;食品加工过程中 的酶的含量的变化;检测某些特定的转基因表达蛋白,以分析食品是否来自转基因生物或 者含有转基因成分 8。 2.4 影响因素：影响因素一般涉及到样本的收集保存、试剂准备、加样、温育、洗板、 显色、比色、结果判断和结果报告及解释等方面。 9 2.5 前景：免疫分析法以其固有的优势，在农药残留分析中日益显示出强大的应用前景。 其中以 EUSA 技术最活跃，EHSA 具有特异性强、灵敏度高、快速、简便、痕量检测，以及 可大批量样本检测的优点，其检测限可达到纳克甚至更低浓度降 24 。到现在为止，国际 上已有上百种农药可用免疫分析法检测，且已制成商品化快速检测试剂盒或试剂条。目前 我国已研制出 6 种农药残留酶联免疫检测试剂盒(甲霜灵、甲胺磷、毒死蟀、对硫磷、 2，4 一 D、百菌清)，胶体金免疫快速检测试纸 16 种(3，5，6 一三氯二毗吮醇、 、苯菌灵、 除草定、丁草胺、毒死蟀、禾草灵、甲草胺、甲蔡威、甲霜灵、霜霉威、西玛津、嗅苯睛、 乙草胺、异丙草胺、异丙甲草胺、芬去津);另外研制出高效快速地检测生物毒素的免疫检 测试剂盒 13 种和免疫胶体金纸条 5 种;研制出兽药残留酶联免疫检测试剂盒 11 种，其中有 些试剂盒已实现产业化，取得了显著的经济效益和社会效益固。与国外相比，国内在这方 面的研究相对较少，但正越来越受到研究检测工作者的高度重视，目前研发各种农药残留 检测试剂盒的步伐日益加快，所以 EllSA 法在农药残留检测中将有广阔的应用前景。 6 抗体特异性及灵敏性虽有较大程度提高;但仍不能同时检测数十种甚至更多农药残留。 用于食品农药残留检测，在检测单个农药时具有快速、方便等优点;但由于农药品种繁多及 混配使用等原因，在检测大批样品时，仍显得无能为力。 7 3.活体生物测定 3.1 原理：活体检测法是使用活的生物体直接测定。如农药与细菌作用后可影响细菌的发 光强度，以检测农药残留量。 3.2 方法 3.2.1 用发光细菌检测农药残留 发光细菌体内的荧光素在有氧时经荧光酶的作用会产生荧光，但当受到某些有毒化合物的 作用时发光会减弱，其减弱的程度与有毒物的浓度呈一定的线性关系，利用这一特点对农 药残留试样进行测定 12。 该方法的特点是快速、简便、灵敏、价廉，适合于现场，缺点是农药浓度与发光强度的线 性亲系不够准确，只能用于半定量测定。 3.2.2 用家蝇检测蔬菜中的残留农药 以采收前 12 天的蔬菜为检测对象，随机抽取检测样品，将饲料放于菜汁中，接触后 34h 观察死亡率，并且需要用无农药污染的蔬菜作为对照。死亡率在 4%以下为安全或较安全; 死亡率在 5%10%蔬菜中农药残留量超标;死亡率大于 11%表示污染严重或极严重 12。 该方法的优点是无需仪器，无需前处理，过程简单。缺点是无法定量，检测时间比较长， 敏感性家蝇饲养比较困难。 4 生物传感器法 生物传感器是将传感技术与农药免疫技术相结合而建立起来的，可以说它是免疫分析技 术的一种延伸或分支。根据生物功能不同主要分为不同类型传感器，利用农药对靶酶活性 的抑制作用研制传感器时，应选择活性高而其活性对农药敏感的酶作为生物传感器称为酶 传感;利用农药与特异性抗体结合特性研制免疫传感器;另外还微生物传感器和组织传感器 等等 11。 4.1 原理：生物敏感膜内含有能与目标物进行选择性作用的生物活性组分;换能器则能敏感 捕捉生物活性组分与目标物之间的作用过程，并将其表达为可检测的物理信号。当待测物 与具有分子识别作用的利用特殊技术固定在换能器内(或表面)的生物活性因子作用时，产 生光学、热学、压电学或电化学等响应信号，最后把所得的电信号经过电子技术的处理后， 在仪器上显示或记录下来，其信号大小与分析物含量或浓度存在定量关系，从而实现对待 测物质的定量检测 10。 4.2 应用： Ngeh 一 Ngwainbi 等最早研究成功了对硫磷的生物传感器，以后又有人制成了光导纤维免 疫传感器，利用荧光标记抗体产生的反应，分析测定对硫磷在溶液中含量 13。生物传感器 能广泛应用于基础研究、生物、临床化学和诊断、农业和畜牧兽医、化学分析、军事、过 程控制与监测、环境监控与保护等领域。随着生物、化学、物理学、医学、电子技术等相 关学科的迅速发展，生物传感器的发展也被带动，各种类型的生物传感器相继出现。 生物传感器相对于酶免疫吸附测定法的优点是简单、快速且减少了样品的前处理。适于 野外快速监测，减少有机溶剂使用量。虽然生物传感器在实验室条件下使用状态良好，但 在实际中还没有广泛应用，其最大优点是稳定性、精确度和可信度。它的缺点是一种传感 器只能对应一种或一类农药，应用范围窄，研究过程长，不易制备 10。 生物传感器是一门跨学科的高新技术，起步较晚，研制过程有诸多难点，在实际推广应 用前还有许多待探索和改进的地方。(1)生物传感器寿命、稳定性及制备的复杂性制约着研 究成果商品化与批量生产； (2) 稳定性：由于生物单元的引入，生物结构固有的不稳定、 易变性给生物传感器的应用带来不少困难。 5 仪器分析法 5.1 原理 仪器分析法是指利用气相色谱仪、液相色谱仪、质谱仪或各种光谱仪等大型精密仪器来 进行农药残留分析的方法。基于色谱和质谱的分析方法检测精度高、重复性好，是农药残 留定量检测分析的主要方式。但这些方法不仅需要大型的仪器设备，而且需要比较复杂的 前处理过程，检测时间较长，无法适应大批量快速检测的需要；而直接基于光谱分析的近 红外光谱分析法和激光诱导荧光光谱分析法无需复杂的前处理过程，可实现非破坏性的实 时检测，具有广阔的应用前景。 5.2 方法 5.2.1 近红外光谱分析技术 5.2.1.1 原理：近红外衰减全反射光谱技术(NIR-ATR)是根据不同种类的农药对近红外光具 有不同吸收频段的特性，通过近红外衰减全反射光谱分析进行农药残留量的检测。在中红 外波段,蔬菜体内的色素对农药的吸收基本没有影响;农药在蔬菜汁中与在蒸馏水中的吸收 基本相同。通过农药在水中的吸收建立模型来模拟其在蔬菜体内的吸收。 5.2.1.2 研究进展：近红外光谱分析技术在农产品外观和内部品质检测、食品生产过程控 制等方面早已取得了成功应用，其在农药残留检测方面的应用虽然还未成熟，但已有很多 学者进行了大量的探索工作。应用红外光谱技术可以直接对蔬菜上的农药残留进行检测， 而且该方法精确度高、实时性好，且只需极少量的样品，具有很大的发展潜力。 14 5.2.2 激光诱导荧光光谱分析技术 5.2.2.1 原理：农药残留物在激光照射下会产生荧光，由于不同农药荧光的频谱分布、时 间延迟及产生效率等特性往往具有明显差异，因此通过对其激光诱导荧光特性的研究可以 探测出农药残留的种类及浓度。该法灵敏度较高，并可进行实时检测，而且荧光分析方法 已被实践证明具有灵敏度高（可达到 10-9 量级） 、快速、重现性好等优点，在对痕量物质 的检测方面具有强大的生命力。 5.2.2.2 研究进展：目前，国内外基于激光诱导荧光光谱分析的农药残留快速检测技术大 都还处于原理和实验研究阶段。可以利用荧光光谱的不同实时、实地和快速地识别粮食、 蔬菜和水果表面上的农药残留。 15 6 其他快速检测法 6.1“小分子有害物质的微流控芯片免疫传感检测技术 根据表面等离子体谐振分析原理，在微流控芯片上成功实现了免疫传感技术检测。检测方 法不需标记物，试剂消耗少，检测周期短，具有特异性强、稳定性好和灵敏度高等优点。 16 6.2 实验室机器人 实验室机器人现已商品化，但在农药残留量分析和环境监测方面的应用还处于起步阶段， 主要是因为机器人工作程序的变更缺乏灵活性和实验室检测方法缺乏标准化所造成，另外 机器人系统动作缓慢，一般要求宽阔的空间。当实验室机器人变得更方便、灵活，实验方 法也更加标准化时，它的使用将会增加。 17 参考文献： 1王小红。酶抑制法检测蔬菜中的有机磷农药残留的方法研究D。华中农业大学。 2006.6.1 2钱立立。农药残留的快速检测和前处理技术的研究D。