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農藥殘留檢測新技術研究進展

2012-08-15 00:54:49桂文君
食品科學技術學報 2012年3期
關鍵詞:分析檢測

桂文君

(浙江大學農藥與環境毒理研究所,浙江杭州 310029)

編者按:農藥殘留不僅是重大的農產品質量安全問題,更是涉及到現代農業發展、法律法規建設、監管機制、全社會消費觀念等方面的社會問題.為了較深入討論農藥殘留問題,上期的專家論壇欄目,我們已經邀請專家,從我國農藥殘留的控制和管理等方面進行了闡述.本期專家論壇,我們又特別邀請了2位專家,從國際上先進的農藥檢測技術,美國和歐盟等發達國家和地區對農藥的使用和控制方法等方面進行了探討,以期在技術、制度、措施等方面,為我國農藥殘留控制工作提供參考、建議和對策.

農藥殘留檢測新技術研究進展

桂文君

(浙江大學農藥與環境毒理研究所,浙江杭州 310029)

伴隨人們對食品和環境中農藥殘留污染問題的高度重視,農藥殘留的檢測技術也快速發展.綜述了樣品前處理方法及農藥殘留分析檢測技術,對近年來出現的一些新技術和新動態作了簡要介紹,總結了農藥殘留檢測技術的發展趨勢,以期為農藥殘留分析檢測技術的完善與發展提供一定的參考.

農藥殘留;樣品前處理;殘留檢測

食品安全是關系人類健康和國計民生的重大問題.由于農藥使用規模不斷擴大,農藥殘留造成的環境影響對人類健康的慢性和長期效應也日益受到人們關注,因而對農藥殘留的限制也越來越嚴格,如檢測對象、種類、數量、范圍、指標等諸方面都提出了更高的要求和標準.客觀地講,農藥殘留污染引起的食品安全問題除了作為重大公共衛生問題外,更是一個社會問題,涉及到法律法規建設、管理監督水平、食品生產經營者的素質、全社會消費觀念等.然而,長期存在的科技“瓶頸”也是影響農藥殘留污染控制的重要因素.由于我國農業生產和食品消費的特點,目前還無法真正實現從“農田到餐桌”的全過程管理,因此市場監督和監測成了控制農藥殘留污染食品的最后一道關,也是最重要的一道防線.農藥殘留檢測技術亦成為食品安全檢測技術研究的重要內容.

食品種類的多樣性、樣品基質的復雜性、污染源的未知性、被測成分多樣性和含量的痕量性,檢測手段的環保性,檢測成本的經濟性,以及檢測結果的時效性等原因和需求,不斷地考量著農藥殘留檢測技術手段.如何解決這些問題,滿足目前越來越苛刻的要求,成為科技工作者研究的方向.20世紀90年代以來,新的技術手段不斷被引入農藥殘留分析中,主要分為2類:一是樣品前處理技術,二是信號檢測技術.

1 樣品前處理技術

農藥殘留分析中,樣品前處理要求盡可能完全提取其中的待測組分,還要求盡可能除去與目標物同時存在的雜質,以減少對檢測結果的干擾,避免對檢測儀器的污染.樣品前處理是農藥殘留分析過程中重要步驟之一,它是保證測定結果的準確性、可靠性和重現性的重要因素[1].

1.1 樣品前處理技術種類

在農藥殘留檢測領域,傳統的樣品提取、凈化前處理技術包括震蕩浸提、勻漿、索氏提取、超聲波提取、液-液分配、柱層析、薄層層析和離心等方法[2].這些技術盡管不需要昂貴設備,但其程序繁瑣,費時費力,且容易造成誤差,大量使用有機溶劑很容易對環境造成污染.但由于樣品基質背景復雜,被測成分濃度低,傳統的前處理過程繁瑣、回收率不穩定.隨著色譜技術的發展,一些快速、高效、環保、自動化的樣品前處理技術如固相萃取(solid phase extraction,SPE)、固相微萃取(solid phase microextraction,SPME)、超臨界流體萃取(supercritical fluid extraction,SFE)、微波輔助萃取(microwave assisted extraction,MAE)、快速溶劑萃取(accelerated solvent extraction,ASE)、基質固相分散萃取技術(matrix solid phase dispersion,MSPD)、凝膠滲透色譜 (gel permeation chromatography,GPC)、免疫親和層析(immunoaffinity chromatography,IAC)、分子印跡聚合物萃取(molecularly imprinted solid phase extraction,MISPE)等[3]被引入農藥殘留分析,目前已取得廣泛應用.目前的農藥殘留分析前處理技術日臻成熟,近年來研究較多的是SPE、SPME、IAC、MISPE等技術.

1.2 樣品前處理技術新進展

1.2.1 固相萃取技術

SPE是進行樣品凈化和濃縮的一項前處理技術,由液固萃取和液相色譜技術相結合發展而來的.該技術所需有機溶劑少、便捷、安全、高通量、凈化效果好、回收率高和重現性好等,已廣泛用于萃取、濃縮和凈化樣品中的半揮發和不揮發性化合物.該技術特別適合于高靈敏度檢測器的配套使用.最近,有研究者利用鐵礦物和磁性鐵氧化物如Fe3O4和磁赤鐵礦(γ-Fe2O3)[4]、超順磁性的氧化鐵納米粒子(super paramagnetic iron oxide nano particles,SPIONs)開發了磁性固相萃取(magnetic solid phase extraction,MSPE)技術,用于農藥、獸藥等多種有機和無機污染物的分析[5].

1.2.2 固相微萃取技術

SPME目前主要與氣相色譜(gas chromatography,GC)聯用,用于揮發性農藥殘留量檢測[6-7],對于難揮發性農藥,則對檢測儀器要求較高,需要具備進樣器(氣化室)瞬間快速升溫的功能.近年來,有學者開發了SPME與液相色譜(high performance liquid chromatography,HPLC)聯用技術,彌補了這方面的不足[8].但與HPLC聯用不如與GC聯用廣泛,主要原因是液相吸附劑和接口的選擇余地小,液相的平衡時間較長,自動化程度不夠等.

由于該方法取樣量極少,僅適用于均勻樣品的分析,對于非均勻樣品的檢測,準確性不夠.因此,目前應用較多的是SPME與GC/MS聯用,用于定性分析.另一方面,對于一些難獲得的、珍貴樣品的檢測,SPME又有很大的優勢,故該技術近年來也頗受重視.新的研究重點主要在以下幾個方面[9]:研究具有更高萃取效率、更好的選擇性和穩定性的新的涂載體;開發可能改善萃取過程的新設備;研究SPME相關的方法;研究新的校正方法;研究SPME應用領域的拓展.一些納米材料被用于SPME涂層的開發,如多壁碳納米管[10-12],納米 TiO2[13],納米SiO2[14],電紡納米纖維[15-16]等.總體上商品化的SPME涂層種類較少,而且選擇性有限,在復雜樣品分析中的應用受到了限制.

1.2.3 免疫親和色譜技術

IAC是一種將免疫反應與色譜層析原理相結合的分離方法,即基于免疫反應的基本原理,利用色譜的差速遷移理論,實現樣品的分離凈[17].使用時把抗體固定在適當的擔體上,樣品中待測組分利用與吸附劑上的抗體發生抗原-抗體結合反應而被保留在柱上,再用適當溶劑洗脫下來,達到凈化和富集目的.因此,它也被很多學者視為是SPE技術的發展.它的特點是具有高度的選擇性.該技術首先需要制備相應的高親和性、高特異性抗體,而這種抗體的制備不是件容易的事,免疫親和柱的運輸、保存一般也需要低溫條件,因而它的應用受到一定的限制.近年來已開始應用于部分生物農藥殘留分析的樣品前處理.

1.2.4 分子印跡固相萃取技術

MISPE是用于制備合成受體的一種新技術.其首先使擬被印跡的分子(模板分子)與功能單體鍵合,然后與交聯劑反應生成聚合物,再將印跡分子從聚合物中洗脫出來,聚合物分子內部就留下了被印跡分子的空穴,這種具有分子空穴的聚合物(molecularly imprinted polymer,MIP)一旦與被印跡的分子再次相遇,就會發生物理吸附.MIP具有構效預定性、特異識別性和廣泛實用性等特點[18],又被稱為“塑料抗體”.MIP與SPE相結合,被廣泛應用于固相萃取、固相微萃取、膜萃取等樣品前處理技術,已成為當前樣品前處理方法研究的一個熱點.

Chimuka等[19]將膜輔助溶劑萃?。肿佑≯E吸附技術聯用(membrane assisted solvent extraction and molecularly imprinted solid phase extraction,MASPEMISPE),用于測定食品中三嗪類農藥多殘留;Turiel等[20]利用特丁津印跡聚合物對環境水和底泥樣品中的微量氯代三嗪類農藥進行選擇性富集,除撲滅津外(回收率為53%),所有的三嗪類化合物回收率都高于80%.

MI-SPE存在一定的局限性:吸附容量低、抗大分子干擾能力差、水相中選擇性差以及模板分子滲漏.為解決這些問題,近年來出現了納米分子印跡聚合物、限進介質-分子印跡聚合物、水相識別分子印跡聚合物等新型固相萃取MIP材料.目前主要處于實驗室研究性階段,真正能用于小分子污染物檢測的產品很少.

2 檢測技術

2.1 理化分析技術

2.1.1 理化分析技術種類

理化分析技術又稱為儀器檢測技術,食品中農藥殘留儀器檢測技術多種多樣,大體可分為1)光譜技術,包括紫外-可見光譜法、紅外光譜法、熒光光譜法、拉曼光譜法、化學發光光譜法、共振光散射光譜法、原子發射光譜法、原子吸收光譜法等;2)色譜及色譜-光譜聯用技術,包括薄層色譜法、氣相色譜法、高效液相色譜法、毛細管電泳法和毛細管區帶電泳法、超臨界流體色譜等;3)質譜及色譜-質譜聯用技術,包括氣-質聯用法和液-質聯用法等.事實上,目前的儀器檢測方法一般均結合了多種技術手段,類別界限趨向于模糊.

2.1.2 儀器檢測新技術研究進展

在眾多的檢測技術中,應用最為廣泛的當屬色譜技術.由于色譜檢測技術具有良好的檢測靈敏度、準確性、精密性以及相對較低的價格,仍然是我國農藥殘留分析的支柱技術,但在世界范圍內,色譜-質譜聯用技術已成為主導檢測技術.最近10年來,隨著國民經濟的發展,色譜-質譜聯用技術在我國農業、化工、醫藥等多個領域得到了迅速的應用發展.近年來農藥殘留分析領域的儀器檢測技術研究進展主要有以下5個方面.1)近紅外光譜技術,這是近年來快速發展的新型、便攜式近紅外光譜檢測技術,它的研究和應用為農藥殘留的檢測提供了廣闊的途徑;2)三維熒光技術、化學計量-熒光光譜法等也被應用于農藥殘留的測定;3)最近有研究者將一種新的遠紅外光譜測試技術——基于飛秒激光器的太赫茲時域光譜技術應用于滅多威和乙氧氟草醚兩種農藥的殘留檢測并獲得了成功[19];4)上世紀90年代出現了全二緯氣相色譜法,以其高效性、高分辨性、定性更可靠性等優點逐漸受到人們的關注;5)近年來一些儀器公司推出了超高效液相色譜,它比一般的HPLC具有更高的分離效果和更快的分析速度.因而該技術倍受推崇,但因價格高,國內普及尚待時日.

總而言之,近20年來,儀器檢測技術研究進展不是很明顯,主要方向是檢測儀器的小型化、便攜式,以及多技術的聯用.

2.2 其他快速測定技術

由于儀器分析方法費用相對昂貴,前處理步驟繁瑣、溶劑消耗量大,耗時長、需要專門的儀器設備和操作人員,當需要對大量樣品進行低成本快速篩選時就顯得力不從心.因此人們迫切希望有一種簡單、快速、靈敏及價廉的檢測技術能在野外和實驗室內進行大批量的篩選試驗.因此,近年來,一大批農藥殘留快速分析方法涌現出來,如酶抑制法、免疫化學法、生物傳感器技術、分子印跡技術,生物受體技術等.

2.2.1 生物活體測定技術

目前利用生物活體開展農藥殘留檢測的主要是發光細菌.曹丙花等[21]利用發光菌進行農藥殘留檢測,最小檢出濃度為3 mg/L,已能用于檢測甲胺磷、敵敵畏等常用有機磷農藥.該方法存在定量不夠準確,不能區分農藥品種等缺點,但它具有快速、簡便、靈敏、價廉的特點,在定性、半定量的現場快速檢測中逐漸顯現出了其優勢.隨著食品工業的發展,采用發光細菌法檢測食品安全性作為一種快速的初篩方法,已逐漸受到人們的廣泛關注[22-23].

2.2.2 酶抑制法

酶抑制法主要有3類,膽堿酯酶抑制法、植物酯酶(phytoesterase)抑制法和有機磷水解酶(organophosphorus hydrolase,OPH)法,其中膽堿酯酶抑制法應用最為普遍,能夠檢測有機磷和氨基甲酸酯兩類農藥,與傳統的儀器分析方法相比,酶抑制法農藥殘留快速檢測技術在成本、時間、檢測速度等方面都具有明顯的優勢.近幾年,特別是比色法的應用,在歐美等國家已被推廣使用.我國上世紀90年代初期曾大力推廣,但在使用過程中發現了一些問題,如酶獲得不易、不易保存、靈敏度不高等,因此其應用受到很大限制,目前主要用于農殘普查和防止農藥殘留的急性中毒等方面.

2.2.3 免疫分析法

農藥殘留免疫分析方法(immunoassay,IA)是以抗原與抗體的特異性、可逆性結合反應為基礎,把抗體作為生物化學檢測器對化合物、酶或蛋白質等物質進行定性和定量分析的一門技術,具有常規理化分析技術無可比擬的選擇性和高靈敏度,常適宜于復雜基質中痕量組分的分析.自20世紀80年代初,Hammock等首先將免疫分析應用于農藥殘留分析以來,該法得到不斷改進和發展,并涌現出諸多各具特色的免疫分析方法,如放射免疫分析法(radio immunoassay,RIA)、酶免疫分析法(enzyme immunoassay,EIA)、熒光免疫分析法(fluorescence immunoassay,FIA)、化學發光免疫分析法(chemiluminescent immunoassay,CLIA)、等.由于免疫化學分析技術具有簡單、快速、靈敏及價廉的檢測技術能在野外和實驗室內進行大批量的篩選試驗等優點,已經成為農藥殘留分析領域中最有發展和應用潛力的痕量分析技術之一[24-26].

到目前為止,國外已開發了100余種農藥的免疫化學分析方法.AOAC推薦了四十余種農藥的商品化試劑盒,其中除草劑最多,殺蟲劑次之,殺菌劑和植物生長調節劑較少;應用對象主要是水樣和土樣,在植物樣品和食物樣品中應用較少;試劑盒的方法以酶免疫分析法為主,尤其是酶聯免疫分析法(enzyme-linked immunosorbent assay,ELISA)應用的最為廣泛.從近年來的文獻報道看,FIA和CLIA技術發展較快.國內研究從上世紀90年代中后期開始起步,迄今已有近百種農藥的人工抗原和高親和力的特異性抗體制備及相關測定方法進行食品和環境樣品中痕量農藥分析的報道.

免疫化學分析技術盡管有其很大的優點,但同樣存在一定的不足:1)并非所有農藥都適合開發免疫化學分析技術;2)抗體制備難度較大,開發費用高,開發時間較長;3)抗體一般具有很高的特異性,只適用于單一農藥殘留量的檢測分析,不適合應用于多殘留分析.這也是免疫化學分析所面臨的技術性“瓶頸”.盡管目前有很多報道該技術用于農藥多殘留分析,但檢測對象一般不超過5種農藥.此外,我國農藥殘留免疫化學分析技術的發展還面臨著一個政策性“瓶頸”:我國尚未制定農藥殘留免疫快速檢測方法標準,亦未有相應的監管機構或體系.因此,迄今未有農藥殘留免疫快速測定試劑盒等國產化商品.

2.2.4 生物傳感器法

生物傳感器(biosensor,BS)也是農藥殘留快速檢測技術研究的熱點.是利用生物活性物質,如酶、抗原、抗體、細胞、組織等作為傳感器的識別元件,與樣品中的待測物質發生特異性反應,通過適當的換能器將這些反應(形成復合物、發色、發光等)轉換成可以輸出檢測的信號(電壓、頻率等),通過分析信號對待測物進行定性和定量檢測.

農藥殘留分析應用的有酶生物傳感器和免疫傳感器等.酶生物傳感器研究得較多的是基于膽堿酯酶分子識別元件的電化學生物傳感器.如魏福祥等[27]、Vakurova A 等[28]先后用乙酰膽堿酯酶生物傳感器法測定蔬菜水果中機磷農藥殘留,效果理想.Brecht等[29]采用光學轉換器已成功地作為直接、無標記物免疫探針應用于農藥殘留檢測.Alexandra等[30]將免疫傳感器與流動注射分析技術結合,建立了流動注射免疫分析(flow injection immunoassay,FIIA)用于DDT的檢測.

目前生物傳感器已經在美國等國家被廣泛應用于農藥殘留檢測上.我國近幾年也加快了步伐.加大了對生物傳感器研究和應用的力度,可以預見,隨著性能的日趨成熟和品種的不斷增加,生物傳感器在農藥殘留分析中具有廣闊的應用前景.但由于生物傳感器是一門跨學科的高新技術,起步較晚,其研制過程有諸多難點,在實際推廣應用前還有許多待探索和改進的地方.現階段,生物傳感器的發展還存在很多問題:影響生物傳感器的因素復雜而多樣,這使得它的有效使用時間很短、穩定性差、精確度和靈敏度不容易把握,因此,很難批量生產并應用到工業中.

2.2.5 分子印跡技術

MIP具有親和性和選擇性高、抗惡劣環境能力強、穩定性好、使用壽命長、應用范圍廣等特點,除了可用于樣品前處理還,還可用于檢測.例如,Xie等[30]通過表面印跡的方法制備毒死蜱的MIP,結合到化學發光反應中,用于檢測蔬菜樣品中的毒死蜱.結果顯示,其對毒死蜱的LOD值達到0.92 nM,是常規發光反應的2倍,且重復使用200次以上性質沒有發生改變.Zhao等[32]通過沉淀聚合法制備草甘膦的印跡聚合物,然后將其固定于微板表面,制成化學發光分子印跡傳感器,這種傳感器可以在10分鐘內同時進行96次獨立測量,其對草甘膦的LOD值可以達到0.046 μg/mL.此外,還有對對硫磷、三唑磷、敵敵畏等的 MIP 研制報道[33-35].

總體而言,MIP用于農藥殘留檢測領域,雖取得過較好結果,尚不太成熟,有待進一步的提高.

2.2.6 受體-配體技術

在環境內分泌干擾物快速篩選研究中,利用雌激素受體的體外結合分析是首選第一級篩選試驗.而目前已知的環境內分泌干擾物大部分屬于農藥.因此,此技術也可用于農藥殘留檢測,而且具有很大的優勢,即可同時檢測生物作用機制相同一類農藥.目前基于人雌激素受體的篩選試劑盒已經商品化,也有學者開展基于乙酰膽堿受體技術的煙堿類農藥殘留快速檢測方法研究,但尚未見有成功的報道.

3 總結與展望

伴隨其他學科的發展,越來越多的新技術被應用到農藥殘留檢測分析中.農藥殘留檢測方法日趨完善,采用多殘留檢測技術和快速篩選檢測技術,結合各種先進的、各具特色的前處理技術檢測農產品中農藥殘留量已成為當今的發展主流,并向簡單、快速、靈敏、低成本、易推廣的方向發展.

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(責任編輯:李 寧)

Recent Advances in Residue Detection of Pesticide

GUI Wen-jun
(Institute of Pesticide and Environmental Toxicology,Zhejiang Universty,Hangzhou 310029,China)

Along with the pollution of pesticide residue in environmental and food stuff being highly valued,its detection method is being rapidly developed.The sample pretreatment methods and residue detection technology were reviewed in this paper,some new technologies and developments in recent years were also briefly introduced,and the development trend of residue detection technology for pesticide were summarized.The reviewe was expected to provide certain reference to the development and improvement of pesticide residues detection.

pesticide residue;sample pretreatment;residue detection

TS201.3

A

1671-1513(2012)03-0013-06

2012-03-10

浙江省自然科學基金資助項目(Y5110109).

桂文君,男,副教授,博士,主要從事農藥殘留、農藥免疫化學和農藥環境毒理學方面的研究.

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