专业文献综述题目: 生物传感器及其在农药残留中的应用**: **学院: 植物保护专业: 农药学班级: 5学号: **********指导教师: 杨红职称: 教授2012 年05月01日生物传感器及其在农药残留中的应用摘要：生物传感器是一种新型的分析工具，在农药残留的检测中具有极其重要的应用价值。

本文介绍了生物传感器的定义、原理、分类和特点，并对生物传感器分析农药残留物的应用、研究进展和发展趋势进行了探讨。

关键词：生物传感器；农药残留物；应用；研究进展The Application of Biosensor in the Determination of Pesticide Residues Abstract：Biosensor is a new analysis tool.It has very important applied value in the pesticide residues analyse.This article describes the definition,theory,classification and characteristics of biological sensors in detail,and discussed the applications,research development and development trends of biosensor analysis of pesticide residues.Key word：biosensor；pesticide residues；application；research development 前言自上世纪80年代以来，国际上农药残留分析新技术的研究非常活跃，不断有新方法、新技术涌现，以满足现场快速检测样品量的迅速增加，对分析的灵敏度、特异性和快捷性提出了更苛刻的要求。

生物传感器法就是其中日渐成熟的一种。

生物传感器具有体积小、成本低、灵敏度高、选择性及抗干扰能力强、响应快等优点。

近年来，随生物技术的日臻完善、微电子学技术的迅速发展以及实际应用领域的迫切要求，作为一种多学科交叉的高技术、作为一种强有力的分析工具，它已成功地应用于医学、国防、环境、食品工业及农业等领域。

该文主要对生物传感器在农药残留分析中的应用进行了概述。

1生物传感器生物传感器实际上是一种特殊的化学传感器，是用生物活性物质( 如酶、抗体、抗原、细胞等) 作识别元件，配以适当的物理或化学信号转换器所构成的分析工具。

1. 1 生物传感器的工作原理生物传感器以生物化学和传感技术为基础，其工作原理可用图1表示：待测物质经扩散作用进入分子识别元件，经分子识别，与分子识别元件特异性结合，发生生物化学反应，产生的生物学信息通过信号转换器转化为可以定量处理的光信号或电信号，再经仪表的放大和输出，即可达到分析检测的目的。

图11.2生物传感器的分类生物传感器主要有下面三种分类命名方式：根据生物传感器中分子识别元件即敏感元件可分为五类：酶传感器（enzymesensor），微生物传感器（microbialsensor），细胞传感器（organallsensor），组织传感器（tissuesensor）和免疫传感器（immunolsensor）显而易见，所应用的敏感材料依次为酶微生物个体、细胞器、动植物组织、抗原和抗体。

根据生物传感器的换能器即信号转换器分类有：生物电极传感器（bioelectrode），半导体生物传感器（semiconductbiosensor），光生物传感器（opticalbiosensor）、热生物传感器（calorimetricbiosensor）、压电晶体生物传感器（piezoelectricbiosensor）等，换能器依次为电化学电极、半导体、光电转换器、热敏电阻、压电晶体等。

以被测目标与分子识别元件的相互作用方式进行分类有生物亲合型生物传感器（affinitybiosensor）。

三种分类方法之间实际互相交叉使用。

1.3生物传感器的特点与其他分析方法相比，生物传感器的特点如下：①待测的样品不用经过预先处理，除缓冲液外无需其它试剂，可以同时对样品进行分离和检测。

②所用催化剂为固定化生物活性物质，可以重复多次使用，克服了过去酶法分析试剂费用高和化学分析繁琐复杂的缺点。

③专一性强，只对特定的底物起反应，而且不受颜色、浊度的影响，可以检测较混浊的样品，而不影响测定结果，不像pH试纸检测法等方法。

④分析速度快，准确度高，样品用量微。

⑤操作系统比较简单，可以实现连续监测，容易实现自动化测量。

⑥传感器连同测定仪的成本远低于大型分析仪器，便于推广普及。

⑦有的生物传感器能够可靠地指示微生物培养系统内的供氧状况和副产物的产生。

在生产控制中能得到许多复杂的物理化学传感器综合作用才能获得的信息。

同时它们还指明了增加产物得率的方向。

2生物传感器在农药残留检测中的应用目前生物传感器在农药残留检测中应用非常广泛，不同种类的生物传感器特点不同，用途也有明显差异。

根据生物敏感部件的不同，下面主要介绍酶传感器、微生物传感器、免疫传感器及压电传感器等。

2.1酶生物传感器酶生物传感器是指酶与特定的固相载体特异性的结合形成酶复合物，将其装在一个小柱子中制成一个固定化反应柱，或将酶固定在电极上以电化学的方式将酶促反应的产物信息传导出去。

酶生物传感器的基本原理是用电极、热敏电阻等来检测酶促反应中所参与的物质以及伴随反应的光热等，将之转变成电信号输出。

不同的农药残留物与酶作用的方式不同：有些残留物经过酶的催化转变成其他物质；有些残留物可特异性的抑制酶的活性；有些残留物可作为调节因子或辅助因子对酶起到修饰作用。

最早的生物传感器是以酶作为电极，葡萄糖作为底物被检测到的。

1967年Updike和Hicks[1]用葡萄糖氧化酶作为电极制成传感器来检测样品中葡萄糖含量。

自此，越来越多的学者对酶生物传感器产生兴趣，并极大的推动了它的发展。

在诸多酶生物传感器中，乙酰胆碱酯酶类生物传感器是研究最多的[2]。

它是根据农药对靶标酶即乙酰胆碱酯酶（AChE）有抑制作用的原理研制的。

乙酰胆碱是高等动物中神经信号的传递中介，乙酰胆碱的除去依赖于胆碱酯酶(AChE)，在胆碱酯酶的催化下，乙酰胆碱水解为乙酸和胆碱，反应式如下:这些反应生成产物必须迅速去除，否则连续的刺激会造成机体兴奋，最后导致传递阻断而引起机体死亡。

有机磷和氨基甲酸酯类农药与乙酰胆碱类似，能与酶酯基的活性部位发生不可逆的键合从而抑制酶活性，酶反应产生的pH值变化可由电位型生物传感器测出。

自1951年Giang与Hall发现有机磷农药在体外也能抑制AChE后，许多研究报告都是基于这一原理。

这类传感器的基本类型是与pH电极相连，通过检测有无抑制剂情况下pH的变化值测得农药的浓度。

依据信号转换器的类型，酶传感器大致可分为酶电极（主要包括离子选择电极、气敏电极、氧化还原电极等电化学电极）、酶场效应晶体管传感器（FET—酶）和酶热敏电阻传感器等。

由于单酶传感器只能测定数目有限的环境污染物，所以可以在一个生物传感器上偶联几种酶促反应来增加可测分析物的数目。

BernabeilM用AChE和胆碱氧化酶（ChOD）双酶系统，制备了测对氧磷和涕灭威的电流型H2O2传感器，其检测范围为10~ 100ppb。

Mary T.L. 等也根据AChE和胆碱氧化酶的联合固定及顺序反应原理制成了生物传感器，Ache的抑制作用通过H2O2传感器测得H2O2形成的降低而获得,该传感器可检测10nmol对氧磷, 并可稳定2个月, 在4℃磷酸盐缓冲液中可贮存一年。

还有将ChOD和BChE共同固定在膜上对马拉硫磷、对硫磷进行监测, 检测限分别可达到2ppb、6ppb，这种方法已成功地用于地表水和土壤样品中几种农药的检测研究。

但高含量的重金属离子、无机阴离子及一些有机物对传感器的响应有负干扰。

Starodub[3]等分别用乙酰胆碱酯酶(AChE)和丁酰胆碱酯酶(BchE)为敏感材料，制作了离子敏场效应晶体管型传感器，两种生物传感器均可用于蔬菜等样品中有机磷农药毒死稗、DDVP和伏杀磷的测定，检测限为10-5~ 10-7mol/L。

LeaPogacnik[4]等用其作为敏感材料，做成了光热生物传感器，对蔬菜中的有机磷和氨基甲酸酯类农药进行测定，其结果与GC-MS 检测结果一致。

李元光[5]用乙酰胆碱酯酶电极和单片机结合研制的掌上型有机磷农药现场检测仪可测定0.5~43.1μg/ml的敌敌畏和0.1~ 15μg/ml的对硫磷，且仪器的响应时间短，仅需3min。

传统检测有机磷农药的酶传感器，几乎都是建立在胆碱酯酶的基础上，由于检测步骤多，测量时间相对长，抑制物多，且抑制过程多为不可逆抑制，造成再生困难等，难于满足现场快速检测的要求。

有机磷水解酶(OPH) 是一类水解有机磷化合物的酶，其优点是将有机磷农药作为酶的底物,而不是抑制剂，能专一性地切断它的磷氰、磷硫、磷氟和磷氧键，产生两分子质子、一分子乙醇及其它产物，这些产物在许多情况下带有发色基团或具有电活性，向周围装置提供了一系列可测信号，后续的信号转换器将这些信号转换成光或电信号，从而可以进行有机磷农药的定量分析[6]。

利用此原理开发新形式的传感器，如双重的安培-电位型传感器，双酶(AChE和OPH)传感器等用于检测多组分农药样品，再加上基因工程的进步,使得OPH传感器有着更为广阔的发展空间。

AshokMulchandani[7]等采用有机磷水解酶结合电化学、光学转换器检测有机磷农药,可达到快速、简单、灵敏、高效。

Nogue用一种固化了醛脱氢酶的酶传感器检测有机磷和氨基甲酸酯农药，其最小检出量为9ng/kg，而传统方法的最小检出量为400ng/kg[8]。

Turdean开发出一种以固化酶抑制为基础的生物电极电流计, 可选择性的检测低浓度的有机磷农药[9]。

2.2微生物传感器微生物传感器是利用细菌、放线菌和真菌等微生物活细胞制成的传感器。

常见的微生物传感器种类很多，它们之间的差异主要是信号转化器类型的不同。

微生物传感器的测定原理有两类：一类是利用微生物在消化底物时需要氧的参与，即呼吸作用；另一类是利用微生物所含酶种类的不同。

酶可与底物进行特异性的结合，但是用于农药残留检测不仅成本高，而且稳定性差。

微生物生长快、繁殖旺，它可源源不断地吸收外界营养物质通过自身代谢一部分转变成自身结构物质；另一部分转变成代谢产物和废物迅速排出体外，因此为生物被认为是天然的复合酶系统。

将微生物固定在特定的膜上制成的生物传感器稳定性强、适用范围广、寿命长成本低。

例如，Pandard等[10]将小球藻固定在聚乙烯包被的碳电极表面与三氧化铝之间，借助二极管照明可以在短时间内测出除草剂中的多种成分的含量。