乙酰膽堿酯酶法在農藥殘留檢測中的應用及質量控制

李衛霞

（重慶三峽學院生物系，重慶 萬州 404000）

隨著工農業生產的迅速發展，環境污染問題日益顯著，人們對于食品安全問題也日益關注。我國是農藥使用的大國，農藥殘留的現象普遍存在，然而現有的一些檢測方法已無法滿足高靈敏度的要求，因此建立一種快速靈敏的農藥殘留檢測方法具有十分重要的意義。酶法操作簡單，速度快，不需要昂貴儀器，適應于現場監測和對大規模食品的篩選檢測，被廣泛用于野外農藥殘留快速檢驗?？捎糜谵r藥殘留檢測的酶有羧酸酯酶、丁酰膽堿酯酶及乙酰膽堿酯酶，前兩種酶受干擾因素多，假陽性率高，專一性低[1-2]。乙酰膽堿酯酶（acetylcholinesterase，AChE）由于具有較好敏感性及較高的活性，在有機磷和氨基甲酸酯類農藥檢測中應用廣泛。

1 乙酰膽堿酯酶法原理

乙酰膽堿酯酶是生物神經傳導中的一種關鍵性酶，能夠高效水解神經遞質乙酰膽堿，保證神經沖動在突觸間的正常傳導，它的活性受到有機磷或氨基甲酸酯類農藥的特異性抑制，故而成為監控有機磷農藥的靶酶[3]。乙酰膽堿酯酶催化的反應如下：

HO（CH3）3NCH2CH2OOCCH3（乙酰膽堿）+H2O→HO（CH3）3NCH2CH2OH（膽堿）+CH3COOH

利用這一特性，用濾紙片或電極作為載體，將乙酰膽堿酯酶吸附在上面，加入顯色劑，如果酶的活性沒有被抑制，則生成的產物可以使顯色劑顯色，如果被測樣品中含有農藥殘留則酶活性被抑制不能生成水解產物，顯色劑不顯色。根據顏色的變化或測定酶與某種特定化合物反應的物理化學信號的變化，可判斷是否存在有機磷及氨基甲酸酯類農藥[4]。

2 乙酰膽堿酯酶法分類

酶抑制法依據其特異性抑制昆蟲中樞和周圍神經系統中乙酰膽堿酯酶的活性，破壞神經的正常傳導，使昆蟲中毒致死的毒理學原理，將乙酰膽堿酯酶與樣品反應，根據乙酰膽堿酯酶活性受抑制程度，檢測樣品中有機磷和氨基甲酸酯類農藥含量。乙酰膽堿酯酶對有機磷農藥較敏感，測定的靈敏度高，選擇性強。在實際應用中主要包括速測卡、速測儀、生物傳感器三種類型。

2.1 速測卡

速測卡即酶抑制試紙法，將從敏感生物體內提取的乙酰膽堿酯酶和乙酞膽堿類似物2，6-二氧靛酚乙酸醋分別固定到濾紙上。如果樣品中不含有有機磷或氨基甲酸醋類農藥，則靛酚乙酸醋在酶的催化下生成藍色靛酚。當樣品中含有有機磷或氨基甲酸醋類農藥，乙酞膽堿醋酶則與其結合，失去了催化靛酚乙酸醋的能力。該方法簡單實用，即通過肉眼觀察卡片的顏色確定農殘是否超標。這種方法的檢出限為 0.3～10.0 mg/kg[5]。

2.2 速測儀

速測儀即酶抑制分光光度法，是將分光光度計進行改裝和簡化，配上檢測試劑（多是將底物、酶、顯色劑制成三種不同顏色的藥片），測定方法與常規酶活力測定方法相同，以酶活性抑制率為指標判定是否農殘超標。該方法具有較高的可靠性和靈敏性，且操作簡單，測定速度快，是目前常用的方法，很適合于水中和市售新鮮蔬菜的農殘快速檢測，檢測限在 0.029～10.0 mg/L[6]。

2.3 生物傳感器

生物傳感器是根據生物敏感部件與特定分析物之間的反應產生的一些物理化學信號的變化，將其轉化后記錄下來。檢測靈敏度和準確度有了很大的改善，自動化程度和現場檢測能力等方面有了較高的提高，檢測限可達20 ppb[6]。包括電流型生物傳感器和電位型生物傳感器，前者的工作原理：底物氯化乙酞硫代膽堿在膽堿醋酶的催化作用下可以水解為乙酸和琉基膽堿，當膽堿醋酶被農藥抑制時，氧化電流的大小能準確地反應酶被抑制的程度，從而檢測出農藥殘留的濃度[7]。而電位型傳感器則中電位性傳感器是將酶反應產生的pH值變化由傳感器測出，從而間接測定有機磷農藥殘留量[6]。

3 乙酰膽堿酯酶法在農殘檢測中的應用

由于有機磷、氨基甲酸酯類農藥使用不當或誤食這兩類農藥殘留量超標的蔬菜而引起的中毒現象一直十分嚴重。使用酶抑制法檢測農藥殘留量從20世紀50年代開始陸續有報道。酶抑制分析法與其它分析方法相比，最大的特點就是它的特異性，分析速度也比較快。

利用酶抑制法比色原理生產的各種速測卡、速測儀正逐步進入果蔬生產基地、農貿市場、超市及監督部門，成為我國農藥殘留快速測定的主流技術。趙建莊[8]用自行研制的便攜式農藥殘留速測儀，對果蔬中農藥殘留毒性進行快速檢測，可以直接顯示有機磷和氨基甲酸酯類農藥對乙酰膽堿酯酶的抑制率，確定農藥殘留毒性水平。2007年李昕等應用家蠅頭部提出的乙酰膽堿酯酶檢測果蔬上10種有機磷和氨基甲酸酯農藥，檢測靈敏度0.001～0.1 mg/kg范圍。與目前國內外使用的同類檢測方法相比，如各種速測儀、酶紙片法檢測靈敏度一般在0.1～10.0 mg/kg范圍，檢測靈敏度有顯著提高[9]。

乙酰膽堿酯酶法除用于食品及果蔬中農藥殘留的檢測，還可用于檢測水體污染狀況。宋燕華等[10]用乙酰膽堿酯酶為生物標志物進行錢塘江水環境野生鯽魚有機磷農藥暴露的研究發現，部分地區野生鯽魚血乙酰膽堿酯酶活性受到抑制，說明水環境中水環境中存在機磷農藥的污染。此外，中藥材中有機磷和氨基甲酸酯農藥殘留的測定方法主要有氣相色譜法，氣相色譜-質譜法等，這些檢測方法需對樣品進行分離、提取、衍生化等預處理，耗時，且不適用于現場快速檢測。2009年陳安珍等[11]用膽堿酯酶法對中藥材中的有機磷和氨基甲酸酯進行檢測，最低檢出濃度為0.1 μg/mL。

生物傳感器是目前農藥殘留分析技術的研究熱點。2003年魏福祥[12]將活化好的硝酸纖維素膜浸入到乙酰膽堿酯酶、戊二醛、牛血清白蛋白的混合液中，采用共價交聯法制備出酶片，制備出安培型生物傳感器。2008年柳娜等[13]研究發現硫代黃素T與乙酰膽堿酯酶形成超分子復合物，產生了特征熒光峰。而有機磷農藥可破壞此復合物使硫代黃素T的特征熒光峰被猝滅，猝滅強度與對氧磷濃度存在線性關系。若利用此原理制備出檢測AChE抑制劑的熒光光纖生物傳感器，擁有檢測迅速、靈敏度高、線性范圍較寬、不需要消耗酶底物和抗干擾能力強等特點，具有較好的應用前景。

4 質量控制因素

影響酶抑制法檢測效果的因素很多，與酶源、有機磷農藥類型檢測系統等均有關系，從而造成檢出限相差較大。源自不同物種或取自一個生物體的不同組織的一種酶，其活性測定的最適條件經常會變化，影響條件通常包括最適 pH值、酶促反應時間及溫度及抑制劑等方面[14]。

4.1 酶源

酶抑制法常用的酶源有：植物酶、牛、豬等家畜的肝臟酯酶、人血漿或血清、馬血清、蠅或蜜蜂頭部的腦酯酶、兔或鼠的羧酸酯酶等[15]。但不同種類、不同來源的酶源對檢測靈敏度具有較大的影響。1996年余孝穎等[16]研究發現，家蠅頭部乙酰膽堿酯酶對有機磷和氨基甲酸酯類農藥的敏感度要優于其他來源的膽堿酯酶。從昆蟲組織中提取的乙酰膽堿酯酶粗酶液中除了含乙酰膽堿酯酶外，還有其他多種酶類的存在，會顯著影響到酶的特性，其中一些酶是解毒酶，能夠催化水解農藥，也有些酯酶能夠作為乙酰膽堿酯酶的替代靶標，起到保護乙酰膽堿酯酶的作用。實驗中如果用分離純化后的酶液作為乙酰膽堿酯酶源來測定酶的動力學特性和抗抑制性，則能避免這些問題[17]。

此外在淡水魚及海洋魚類中也可以提取膽堿酯酶，淡水魚中首魚科中的大黃魚、小黃魚、黃姑魚、白姑魚肌肉中的膽堿酯酶對有機磷化合物相當靈敏，除小黃魚酶液比活較低外，其余3種魚的酶溶液比活基本相同[9]。2008年邱朝坤等[18]研究發現鯽魚不同組織中乙酰膽堿酯酶活性存在很大差異，魚腦酶活為35.242 μmol/min·g，肝臟酶活為4.826 μmol/min·g，肌肉酶活為 26.018 μmol/min·g。

4.2 酶的固定化

乙酰膽堿酯酶的固定化技術在酶抑制顯色法、檢測農藥殘留及生物傳感技術的開發中受到廣泛的關注[19]。目前應用較為廣泛的固定化技術主要有吸附法、交聯法、電聚合法等[20-21]。2007年王燁等[22]研究發現，以殼聚糖為載體，吸附-交聯法制備乙酰膽堿酯酶膜，經檢測固定化酶Km較游離酶的Km降低，最適pH值升高。乙酰膽堿酯酶在固定化后穩定性得到了較大的提高，這是由于固定化增加了酶構象的牢固程度、擋住了不利因素對酶的侵襲或限制了酶分子間的相互作用，使得酶的穩定性有了顯著的提高，酶膜的實際應用性能較游離酶有了較大的改善。

4.3 酶促反應溫度、時間、pH值

酶促反應過程中保溫時間、溫度、pH對酶活都有極其顯著影響，邱朝坤等[18]通過對鯽魚乙酰膽堿酯酶研究發現保溫溫度、保溫時間和pH值三個因素對酶活影響都達到了極其顯著的水平，三個因素對酶活的影響次序依次為：時間＞pH值＞溫度。魚腦酶活測定的最佳條件為保溫時間35 min，保溫溫度32℃，pH 7.6。肝臟酶活測定的最佳條件為保溫時間28 min，保溫溫度 30℃，pH 7.6。肌肉酶活測定的最佳條件為保溫時間 31 min，保溫溫度31℃，pH 7.6。2008年彭霞等[17]研究發現，家蠶頭部乙酰膽堿酯酶在pH 7.2～8.0范圍內保持較高的酶活力，最適pH為7.5，最適反應溫度為37℃。酶的活性直接影響到用酶抑制法檢測有機磷農藥的可靠性和靈敏度。因而研究酶活測定時的影響因素（包括最適pH值、酶促反應時間及溫度）從而保證酶活穩定性及靈敏度就尤為重要。

4.4 抑制劑

生態毒理學的研究表明，有機磷農藥的濃度與乙酰膽堿酯酶活性的受抑制程度之間存在著良好的線性關系[23]，因而酶的活性直接影響到用酶抑制法檢測有機磷農藥的可靠性和靈敏度。

有機磷、氨基甲酸酯類農藥對乙酰膽堿酯酶有強烈的抑制作用，主要是它們能夠與乙酰膽堿酯酶的活性部位快速不可逆地結合，使酶失活，從而引起中毒，起到殺蟲的作用[17]。

大多數有機磷農藥的純品對乙酰膽堿酯酶的抑制能力很弱，它們必須在生理條件下激活才具有強的抑制能力。有機磷農藥對乙酰膽堿酯酶的抑制具有選擇性，主要是酶分子和抑制劑分子結構的影響。大多數乙酰膽堿酯酶抑制劑6～10 mol/L抑制5～50 min，就能抑制酶的大部分活性[22]。影響抑制效果的化學因素包括有機磷農藥上取代基的親電性質、大基團效應、膽堿式結構、不對稱效應。取代基不同而導致的抑制能力的改變，其比較只能在同系物間進行[22]。

5 發展前景

利用有機磷和氨基甲酸酯類農藥特異性抑制乙酰膽堿酯酶活性的毒理學原理，研制農產品、食品農藥殘留速測卡，檢測目標強，靈敏度較高，儀器簡單，時間短，前處理容易，尤其適于農產品生產基地、配送中心和蔬菜批發等部門現場速測，是目前實現快速檢測最為穩定可行的技術選擇[24-25]，目前根據此方法原理所生產的多種規格果蔬農藥殘留速測儀已取得一定的應用效果。

此方法可對含農藥殘毒的蔬菜進行粗篩，將一部分含農藥殘毒的蔬菜控制在市場外，避免農藥中毒事故發生，讓人們吃上相對放心的蔬菜，是一種野外條件下食品檢驗的理想方法。但是此方法只能檢測有機磷和氨基甲酸酯類農藥，不適用于其他農藥殘毒的檢測。生物傳感器在測定方法多樣化、提高測量靈敏度、縮短反應時間、提高儀器自動化程度和適應現場檢測能力等方面都有很大進步。但也存在一些問題：分析結果的穩定性、重現性和使用壽命等方面。隨著新技術、新材料的不斷涌現，生物傳感器將向更加小型化、適用化方向發展。

[1] 董 超，史延茂，張麗萍，等.采用植物酯酶測定農藥殘留的研究[J].農藥，2001，40（9）:19-20.

[2] 紀淑娟，趙麗麗，馮 輝.一種快速檢測農產品有機磷農藥殘留的方法[J].農藥，2000，39（10）:17-18.

[3] LI F，ZHAO J H.Purification and characterization of acetylcholi nesterase from cotton aphid aphis·（Gossypii Glove）[J].Archives of Insect Biochemistry and Physiology，2002，51（1）:37-45.

[4] 劉永杰，張金振.酶抑制法快速檢測農產品農藥殘留的研究與應用[J].現代農藥，2004，（4）:25-27.

[5] 李元光，吳太虎.有機磷農藥現場快速檢測儀的研制[J].醫療衛生裝備，2001，（2）:19-20.

[6] 溫艷霞，李建科.酶抑制法在農殘檢測中的應用及乙酸膽堿醋酶的研究進展[J].食品研究與開發，2005，26（1）:130-133.

[7] 張淑平，趙月峰，單聯剛，等.用于農藥殘留檢測的電流型酶傳感器[J].環境化學.2007，27（2）:259-262.

[8] 趙建莊，范志金，安 健.薄層層析-酶抑制法檢測有機磷和氨基甲酸酯類殺蟲劑 [J].四川師范大學學報（自然科學版），2001，24（5）:496-498.

[9] 董之海，屈部華.石首魚科魚肌肉膽堿酯酶對有機磷化合物反應靈敏度的研究[J].動物學研究，1999，15（1）:65-69.

[10] 宋燕華，吳惠杰，蔡德雷，等.用乙酰膽堿酯酶為生物標志物反映錢塘江水環境野生鯽魚有機磷農藥暴露的研究 [J].中國衛生檢驗雜志，2009，19（11）:7562-7565.

[11] 陳安珍，田金改，杜慶鵬.中藥材中有機磷和氨基甲酸酯農藥殘留的快速檢測方法[J].中國藥事，2009，23（11）:1063-1066.

[12] 魏福祥，韓 菊，劉慶洲，等.膽堿酯酶生物傳感器測定有機磷農藥敵敵畏[J].河北科技大學學報，2003，24（4）:92-95.

[13] 柳 娜，劉 偉，黃可龍.用乙酰膽堿酯酶和硫代黃素T體系的熒光猝滅測定有機磷農藥[J].化學通報，2008，（4）:308-313.

[14] THOMPSON H M.Esterasesasmarkersofexposureto organophosphates and carbamates[J].Ecotoxicology，2005，（8）:369-384.

[15] 蔡曉霞，張再隆，梁式強，等.果蔬農藥殘留快速檢測技術研究進展[J].產品工程技術，2009，（11）:105-109.

[16] 余孝穎.有機磷農藥對不同生物來源的膽堿酯酶選擇性的研究[J].環境科學，1996，17（4）:41-43.

[17] 彭 霞，陶 科，滕 云，等.農藥靶標乙酰膽堿酯酶的分離純化及性質研究[J].四川大學學報（自然科學版）.2008，45（1）:189-194.

[18] 邱朝坤，劉曉宇，林曉娜，等.鯽魚乙酰膽堿酯酶酶活測定條件的優化研究[J].食品科學，2008，29（8）:425-430.

[19] 許學勤，徐 斐，華澤釗.用于有機磷農藥殘留快速檢測的固定化小麥酯酶研究 [J].食品科學，2003，24（5）:122-126.

[20] Curulli A，Dragulescu S，Cremisini C ，et al.Bienzyme Amper ometric Probes for Cholin e and Choline EstersAssembled with Nonconducting Electrosynthesized Polymers[J].Electroanalysis，2001，（13）:236-242.

[21] Grennan K，Killard A J，SmythM.Physical Characterizations of a Screen-Printed Electr ode forUse in an Amperometric Biosens or System[J].Electroanalysis，2001，(13):745-750.

[22] 王 曄，彭 元，趙肅清,等.乙酰膽堿酯酶膜的酶學性質及其對有機磷農藥的檢測效果 [J].廣西科學院學報,2007，23（3）:160-162.

[23] MORGAN M J，FANCEY L L，KICENIUK J W.Response and recovery of brain acetylcholinesterase activity in atlantic aalmon（Salnosalar）exposed to fenitronthion[J].Can J Fish Aquat Sci，2006，(47):1652-1654.

[24] 趙人琤，陳景衡，楊 俊.生物酶技術與酶免技術在農殘快速分析方面的應用與研究進展 [J].中國衛生檢驗雜志，2002，12（5）:640-641.

[25] Lee H S,Kim Y A,Cho Y A,et al.Oxidation of organophosphorus pesticides for the sensitive detection by cholinesterase-based biosensor[J].Chemosphere,2002，46（4）:571-576.