基于熒光光譜分析的農(nóng)藥殘留檢測(cè)研究進(jìn)展

張亞莉，顏康婷，王林琳，陳鵬超，韓沂芳，蘭玉彬*

1. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，廣東 廣州 510642 2. 國(guó)家精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)航空施藥技術(shù)國(guó)際聯(lián)合研究中心，廣東 廣州 510642 3.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)電子工程學(xué)院、 人工智能學(xué)院，廣東 廣州 510642

引 言

農(nóng)藥是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中必不可少的投入品，在農(nóng)業(yè)增產(chǎn)、 農(nóng)民增收等多方面占據(jù)著重要地位。隨著生活水平的不斷提高，人們?cè)絹?lái)越關(guān)注食品的安全、 健康、 環(huán)保等問(wèn)題[1]。農(nóng)業(yè)上主要使用的農(nóng)藥有殺蟲(chóng)劑、 殺菌劑、 除草劑、 植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑等四種，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中對(duì)農(nóng)藥的過(guò)分依賴及不合理使用，導(dǎo)致了農(nóng)藥殘留直接或間接地危害人們的身體健康[2-4]。龐國(guó)芳等通過(guò)“高分辨質(zhì)譜+互聯(lián)網(wǎng)+數(shù)據(jù)科學(xué)/地理信息”技術(shù)，對(duì)我國(guó)水果和蔬菜中的農(nóng)藥化學(xué)污染物殘留水平進(jìn)行了調(diào)查及數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)，研究了我國(guó)各省檢出的農(nóng)藥殘留水平[5]。研究結(jié)果表明，全國(guó)范圍內(nèi)的農(nóng)作物都普遍存在農(nóng)藥殘留問(wèn)題，特別是東南地區(qū)的農(nóng)藥殘留問(wèn)題更為嚴(yán)重。為了滿足人們對(duì)食品安全健康的要求，在鼓勵(lì)農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)中使用非藥劑防治病蟲(chóng)害的同時(shí)，如何實(shí)現(xiàn)高效快速地對(duì)農(nóng)藥殘留進(jìn)行檢測(cè)分析，已成為當(dāng)前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中急需解決的重要問(wèn)題，也是有效控制農(nóng)藥殘留量，發(fā)展綠色農(nóng)業(yè)的重要途徑之一。

國(guó)內(nèi)外發(fā)展得比較成熟的農(nóng)藥殘留檢測(cè)技術(shù)主要包括氣相色譜法、 高效液相色譜法、 氣-質(zhì)聯(lián)用法、 液-質(zhì)聯(lián)用法等[6-8]。這些方法具有適應(yīng)范圍廣，分離效能高、 靈敏度高，重復(fù)性好等特點(diǎn)[9]。但是由于上述方法對(duì)樣品的前處理過(guò)程繁瑣、 具有破壞性，且檢測(cè)儀器笨重、 價(jià)格昂貴，無(wú)法實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)迫切需要的農(nóng)藥殘留的快速檢測(cè)。

隨著熒光光譜技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，其在農(nóng)藥殘留快速檢測(cè)中的應(yīng)用與研究得到越來(lái)越多的關(guān)注[10-12]。熒光光譜分析技術(shù)具有突出的高靈敏度以及有利的時(shí)間標(biāo)度，能夠通過(guò)熒光特性反映農(nóng)藥殘留量濃度隨時(shí)間的變化規(guī)律，使得熒光光譜檢測(cè)技術(shù)在復(fù)雜的農(nóng)藥殘留檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)有明顯的優(yōu)勢(shì)。除此之外，傳統(tǒng)的氣相色譜法等檢測(cè)技術(shù)的操作需要專業(yè)人員進(jìn)行，對(duì)檢測(cè)樣品具有破壞性，在實(shí)際的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)檢測(cè)中具有局限性。而基于熒光光譜技術(shù)能夠進(jìn)行無(wú)損的農(nóng)藥殘留檢測(cè)，且研發(fā)的便攜農(nóng)藥殘留檢測(cè)儀操作簡(jiǎn)單，專業(yè)性要求低，更具普適性[13-14]。本文主要介紹目前熒光光譜技術(shù)在農(nóng)藥殘留檢測(cè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀，并分析其優(yōu)勢(shì)及未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

1 熒光光譜分析的基本原理

物質(zhì)在吸收入射光的過(guò)程中，光子的能量傳遞給了物質(zhì)分子。分子被激發(fā)后，發(fā)生了電子從較低的能級(jí)到較高能級(jí)的躍遷。處于這種激發(fā)狀態(tài)的分子，稱為電子激發(fā)態(tài)分子。處于激發(fā)態(tài)的分子不穩(wěn)定，它可能通過(guò)輻射躍遷和非輻射躍遷的衰變過(guò)程而返回基態(tài)。輻射躍遷的衰變過(guò)程伴隨著光子的發(fā)射，即產(chǎn)生熒光。熒光是一種光致發(fā)光現(xiàn)象，由于分子對(duì)光的選擇性吸收，不同波長(zhǎng)的入射光便具有不同的激發(fā)效率，分子內(nèi)激發(fā)與衰變過(guò)程如圖1所示[15]。

圖1 分子內(nèi)的激發(fā)和衰變過(guò)程[15]A1，A2： 吸收； F： 熒光； P： 磷光；ic： 內(nèi)轉(zhuǎn)化； isc： 系間竄越； VR： 振動(dòng)松弛Fig.1 Intramolecular excitation and decay process[15]A1, A2： Absorption; F： Fluorescence; P： Phosphorescence; ic： Internal conversion; isc： Inter-faculty; VR: Vibration relaxation

在不同物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)不同以及相同物質(zhì)濃度不同的情況下，其最后產(chǎn)生的熒光特性也不盡相同。根據(jù)這些特性，可以對(duì)物質(zhì)進(jìn)行定性或定量的分析[16-17]。熒光光譜法就是利用某些物質(zhì)被紫外光或可見(jiàn)光照射后產(chǎn)生的能夠反映該物質(zhì)特性的熒光進(jìn)行分析的方法。

2 熒光光譜分析在農(nóng)藥殘留檢測(cè)的研究進(jìn)展

2.1 傳統(tǒng)的熒光光譜分析

傳統(tǒng)的熒光光譜分析在農(nóng)藥殘留檢測(cè)上的應(yīng)用一般是面向具有熒光效應(yīng)的物質(zhì)。被檢測(cè)物質(zhì)擁有較明顯的熒光特性，可以通過(guò)熒光光譜直接對(duì)其相關(guān)特性進(jìn)行分析。

孫俊等[18]采用熒光光譜技術(shù)對(duì)抗寒奶油生菜不同濃度的樂(lè)果農(nóng)藥殘留進(jìn)行了快速無(wú)損定性檢測(cè)。結(jié)果表明，應(yīng)用熒光光譜技術(shù)對(duì)生菜農(nóng)藥殘留鑒別是可行的。王曉燕等[19]利用熒光分光光度計(jì)對(duì)典型食品果汁(蘋(píng)果汁和桃汁)與百菌清混合體系進(jìn)行了熒光光譜檢測(cè)，其研究結(jié)果表明熒光光譜法能夠檢測(cè)果汁中百菌清殘留，還可直接選用熒光原始光譜進(jìn)行建模分析。

熒光光譜技術(shù)具有靈敏度高，選擇性好且不破壞樣品的優(yōu)點(diǎn)，是一種簡(jiǎn)便有效的對(duì)目標(biāo)物質(zhì)進(jìn)行定性定量分析的方法。傳統(tǒng)的基于熒光光譜分析的農(nóng)藥殘留檢測(cè)技術(shù)，可通過(guò)采集得到的樣本原始光譜圖對(duì)其熒光光譜特征進(jìn)行分析，并通過(guò)其光譜特征建立熒光光譜特征與物質(zhì)特性的關(guān)系，從而分析得到相應(yīng)的預(yù)測(cè)模型，以便后面的研究及應(yīng)用。

傳統(tǒng)的基于熒光光譜技術(shù)的農(nóng)藥殘留檢測(cè)技術(shù)對(duì)于組分較為復(fù)雜的檢測(cè)對(duì)象或者是本身不具備熒光效應(yīng)的檢測(cè)對(duì)象難以發(fā)揮作用。當(dāng)檢測(cè)對(duì)象的組分較為復(fù)雜的時(shí)候，所獲取的原始光譜圖錯(cuò)綜復(fù)雜，難以通過(guò)直接分析樣品原始光譜圖或者通過(guò)簡(jiǎn)單算法進(jìn)行預(yù)處理后獲得試驗(yàn)所需要的有用信息，從而進(jìn)行預(yù)測(cè)模型的建模。不具備熒光效應(yīng)的檢測(cè)對(duì)象更是缺乏最基本的傳統(tǒng)熒光光譜分析的條件，無(wú)法進(jìn)一步獲取檢測(cè)對(duì)象的熒光光譜圖。因而，為了進(jìn)一步擴(kuò)寬熒光光譜技術(shù)的應(yīng)用廣度，學(xué)者們進(jìn)行了熒光光譜檢測(cè)技術(shù)與其他技術(shù)結(jié)合的探索，以實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)藥殘留檢測(cè)的多樣化和普適性。

2.2 同步-導(dǎo)數(shù)熒光光譜分析

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中，為了提高對(duì)病蟲(chóng)害的防治效果，增加農(nóng)作物的產(chǎn)量，會(huì)采用農(nóng)藥混合搭配使用的方法。一般說(shuō)來(lái)，科學(xué)地將農(nóng)藥進(jìn)行配合使用可以使得農(nóng)藥最大限度的發(fā)揮其防治病蟲(chóng)害的效果，但是不合理的農(nóng)藥搭配則會(huì)對(duì)農(nóng)作物產(chǎn)生危害，導(dǎo)致農(nóng)作物病化甚至是死亡[20-21]。因而，在農(nóng)藥殘留的快速檢測(cè)當(dāng)中，面對(duì)的不僅是單一組分農(nóng)藥殘留檢測(cè)的問(wèn)題，更多時(shí)候是多組分農(nóng)藥殘留的檢測(cè)。

在對(duì)多組分農(nóng)藥殘留物進(jìn)行檢測(cè)的過(guò)程中，由于其組分間結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)的相似性，采用傳統(tǒng)的熒光光譜分析采集出來(lái)的熒光光譜圖像會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重重疊的情況，不利于后續(xù)的分析。為了解決上述問(wèn)題，使用拉曼光譜的方法對(duì)多組分混合物檢測(cè)是一大趨勢(shì)。但是拉曼光譜分析過(guò)程涉及較復(fù)雜的算法計(jì)算過(guò)程，不利于實(shí)現(xiàn)快速的農(nóng)藥殘留檢測(cè)。而同步-導(dǎo)數(shù)熒光光譜法具有簡(jiǎn)化熒光譜圖、 窄化譜帶、 提高選擇性、 減少光散射干擾等特點(diǎn)。利用熒光同步掃描即可獲得多組分農(nóng)藥殘留基本分離的熒光光譜圖，再使用導(dǎo)數(shù)方法進(jìn)行處理，可對(duì)多組分農(nóng)藥的光譜圖進(jìn)行完全分離，從而進(jìn)行定性、 定量分析，提高檢測(cè)的靈敏度。同時(shí)，同步-導(dǎo)數(shù)熒光光譜法對(duì)多組分農(nóng)藥殘留中的低濃度成分的鑒定效果也較好[22]。因而，同步-導(dǎo)數(shù)熒光光譜法成為分析多組分農(nóng)殘的重要方法。

王玉田等[23]應(yīng)用同步-導(dǎo)數(shù)熒光光譜分析對(duì)西維因和克百威兩種常用農(nóng)藥的熒光光譜進(jìn)行研究。試驗(yàn)對(duì)兩者混合溶液進(jìn)行了同步熒光光譜掃描，并做了一階導(dǎo)數(shù)處理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，常規(guī)熒光光譜掃描得到的光譜圖，兩者熒光光譜都具有寬帶的結(jié)構(gòu)，譜圖嚴(yán)重重疊。而采用同步-導(dǎo)數(shù)熒光光譜法得到的光譜，兩者完全得到了分離，消除彼此的干擾，能夠?qū)烧叩幕旌先芤哼M(jìn)行同時(shí)測(cè)定。El-ghobashy等[24]利用同步-導(dǎo)數(shù)熒光光譜分析的方法克服了格列喹酮及其堿性降解產(chǎn)物正常熒光光譜的重疊現(xiàn)象，得到了快速測(cè)定藥品中的格列喹酮含量的檢測(cè)方法。

同步-導(dǎo)數(shù)熒光光譜法在多組分農(nóng)藥殘留檢測(cè)中能夠利用其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)多組分的同時(shí)檢測(cè)，大大提高對(duì)多組分農(nóng)藥殘留物的分辨能力，提高靈敏度，獲得理想的光譜圖[22，25]。一般情況下，同步-導(dǎo)數(shù)熒光光譜法可以將互相重合的熒光光譜圖進(jìn)行進(jìn)一步簡(jiǎn)化，從而提高檢測(cè)的科學(xué)性，準(zhǔn)確性以及加快檢測(cè)效率。

但同步-導(dǎo)數(shù)熒光光譜法的缺點(diǎn)在于，不能對(duì)所有的多組分農(nóng)藥殘留檢測(cè)都發(fā)揮其獨(dú)特的優(yōu)越性。對(duì)于部分多組分農(nóng)藥殘留物的檢測(cè)，常規(guī)的熒光光譜法可能更適用。王曉燕等[19]的研究結(jié)果表明，對(duì)于某些混合農(nóng)藥液體來(lái)說(shuō)，導(dǎo)數(shù)光譜模式下的熒光光譜圖與原始光譜下的熒光光譜并沒(méi)有太大的區(qū)別。因而，如果直接對(duì)多組分農(nóng)藥殘留進(jìn)行同步熒光光譜掃描，可能會(huì)造成部分試驗(yàn)的復(fù)雜化。為了能夠準(zhǔn)確地使用同步-導(dǎo)數(shù)熒光光譜法，保證能夠真正發(fā)揮其特有的優(yōu)勢(shì)，在后續(xù)的研究中應(yīng)當(dāng)多進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)積累，建立適合采用同步-導(dǎo)數(shù)熒光光譜法進(jìn)行檢測(cè)的多組分農(nóng)藥殘留的數(shù)據(jù)庫(kù)。

2.3 三維熒光光譜分析

傳統(tǒng)的熒光光譜分析在農(nóng)藥殘留檢測(cè)上的應(yīng)用都是分析物質(zhì)的二維熒光光譜圖，其中包含激發(fā)光譜圖、 發(fā)射光譜圖。二維熒光光譜圖只能分析其中兩個(gè)因素之間的關(guān)系，即激發(fā)波長(zhǎng)與熒光強(qiáng)度、 發(fā)射波長(zhǎng)與熒光強(qiáng)度之間的關(guān)系。而三維熒光光譜是指將熒光強(qiáng)度以等高線方式投影在分別以激發(fā)光波長(zhǎng)(EX)和發(fā)射光波長(zhǎng)(Em)為縱、 橫坐標(biāo)的平面上獲得的譜圖，圖像直觀，所含信息豐富。三維光譜圖主要有兩種表現(xiàn)形式: 三維熒光立體圖(以發(fā)射光波長(zhǎng)為X軸，激發(fā)光波長(zhǎng)為Y軸，熒光強(qiáng)度為Z軸)、 熒光強(qiáng)度等高線圖(發(fā)射光波長(zhǎng)為X軸，激發(fā)光波長(zhǎng)為Y軸，熒光強(qiáng)度為平面上的點(diǎn))，如圖2所示。因此，三維熒光光譜圖能夠直觀描述物質(zhì)熒光強(qiáng)度隨發(fā)射波長(zhǎng)和激發(fā)波長(zhǎng)變化的三維變化關(guān)系，使得能夠更為直觀地觀察到物質(zhì)的三維熒光特性，一定程度上簡(jiǎn)化了試驗(yàn)過(guò)程。三維熒光光譜圖具有指紋性，能夠在多組分混合物中對(duì)特定物質(zhì)進(jìn)行定性、 定量分析，也因此被廣泛應(yīng)用于農(nóng)藥殘留檢測(cè)，環(huán)境污染檢測(cè)等各個(gè)領(lǐng)域[26]。

王書(shū)濤等[27]基于三維熒光光譜分析對(duì)多環(huán)芳烴的熒光信息進(jìn)行處理，結(jié)果證明基于三維熒光光譜分析和PARAFAC算法對(duì)苊與萘的混合溶液進(jìn)行分析，能夠有效判別混合樣品的類別及濃度。

三維熒光光譜具有選擇性好，靈敏度高，重現(xiàn)性好的優(yōu)點(diǎn)。其直觀的三維熒光光譜圖又稱為三維熒光指紋，能夠通過(guò)其對(duì)農(nóng)藥殘留的種類進(jìn)行快速的簡(jiǎn)單判別，同時(shí)光譜相關(guān)數(shù)據(jù)也更簡(jiǎn)單明了。

但是三維熒光光譜仍然具有其局限性，首先是要求試驗(yàn)樣品須具有熒光特性才能捕捉到熒光信息，而對(duì)于本身不具備熒光特性的樣品，需考慮通過(guò)增加熒光物質(zhì)間接反映熒光特性。其次是三維熒光譜圖的特征受外界溫度、 pH值、 金屬離子及其他離子等因素以及地球生物化學(xué)作用的影響較大，對(duì)于多組分系統(tǒng)，復(fù)雜混合物質(zhì)的分析能力有限[28]。因而，需要進(jìn)一步對(duì)各種農(nóng)藥的三維熒光指紋光譜的特征進(jìn)行研究，盡可能完善農(nóng)藥的熒光指紋光譜圖譜庫(kù)，為后續(xù)的三維熒光分析提供便利。最后是三維熒光光譜分析所需用來(lái)分析的樣品用量少，還需考慮試驗(yàn)結(jié)果的代表性問(wèn)題。因此，可以考慮采取大范圍取樣，多次掃描，綜合評(píng)價(jià)的方法來(lái)提高結(jié)果的代表性。

圖2 三維熒光光譜圖(a)： 三維熒光立體圖； (b)： 三維熒光等高線圖Fig.2 Three-dimensional fluorescence spectrum(a)： Three-dimensional fluorescence stereogram；(b)： Three-dimensional fluorescence contour map

2.4 與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合熒光光譜分析

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有強(qiáng)大的自學(xué)習(xí)、 自組織、 自適應(yīng)以及容錯(cuò)能力，克服了傳統(tǒng)人工智能方法在直覺(jué)識(shí)別、 語(yǔ)音識(shí)別，非結(jié)構(gòu)化的信息處理能力等方面的不足，因此在光譜領(lǐng)域也被廣泛應(yīng)用于非線性校準(zhǔn)、 模式識(shí)別、 數(shù)據(jù)分析、 圖像信息處理等[29]。將熒光光譜技術(shù)與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合起來(lái)能夠更為有效快速、 全面地對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，達(dá)到充分利用熒光數(shù)據(jù)、 優(yōu)化參數(shù)、 對(duì)熒光光譜相差不大的組分進(jìn)行有效區(qū)分、 鑒別的效果[30]。實(shí)驗(yàn)表明，基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)得到的預(yù)測(cè)模型能夠得到更為準(zhǔn)確有效的數(shù)據(jù)結(jié)果。

Itakura等[31]通過(guò)熒光光譜技術(shù)對(duì)不同成熟度的柑橘皮進(jìn)行熒光掃描，獲得對(duì)應(yīng)的熒光光譜圖。然后使用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析熒光光譜，從而建立起熒光強(qiáng)度和柑橘甜酸度的關(guān)系，用于判斷農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中柑橘的成熟度。研究表明，利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析熒光光譜，最后得到的柑橘甜酸度絕對(duì)誤差值比以前研究中用其他方法得到的值好得多。

除此之外，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也應(yīng)用在基于熒光光譜的農(nóng)藥殘留檢測(cè)研究。王雷等[32]應(yīng)用基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的熒光光譜法對(duì)啶蟲(chóng)脒農(nóng)藥殘留量中的熒光混合光譜進(jìn)行分離，設(shè)計(jì)了能夠快速檢測(cè)固體表面啶蟲(chóng)脒農(nóng)藥殘留量的熒光光譜測(cè)量系統(tǒng)。王書(shū)濤等[33]采用FS920穩(wěn)態(tài)熒光光譜儀和遺傳算法優(yōu)化的徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的分析方法，對(duì)綠茶和鐵觀音這兩種茶葉中的氯菊酯農(nóng)藥殘留量的含量進(jìn)行了檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，三維熒光分析技術(shù)與遺傳算法優(yōu)化的徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的方法，檢測(cè)的靈敏度及檢出限都大大提高。

在基于熒光光譜分析的農(nóng)藥殘留檢測(cè)中結(jié)合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)熒光光譜進(jìn)行信息處理及分析，能夠更為科學(xué)、 高效地提取光譜圖像信息，獲得更優(yōu)的檢出限及更精確的預(yù)測(cè)結(jié)果。得到的預(yù)測(cè)模型及預(yù)測(cè)系統(tǒng)為現(xiàn)場(chǎng)的農(nóng)殘快速檢測(cè)提供了更多的可能性。但現(xiàn)階段人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)仍然存在不足的地方，如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的非線性校正功能, 但在校正時(shí), 需要大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，其模型的應(yīng)用會(huì)受到限制。同時(shí)，如何高效地確定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)及結(jié)構(gòu)，特別是確定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中隱層的神經(jīng)元的數(shù)目，一直是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研究的重難點(diǎn)。此外，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)全局搜索能力比較差，目前其與遺傳算法的結(jié)合運(yùn)用是解決這個(gè)不足的重要研究方向。因而，如何克服人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)存在的不足，將熒光光譜信息通過(guò)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)得到最大的利用，還需要不斷地深入研究，進(jìn)行相關(guān)的技術(shù)融合。

2.5 熒光生物傳感器

生物傳感器一般由生物物質(zhì)和換能器組成，通過(guò)酶、 抗體、 核酸、 細(xì)胞等生物分子感受到被測(cè)目標(biāo)物的信息，通過(guò)換能器將該信息轉(zhuǎn)化為可以識(shí)別的電信號(hào)、 光信號(hào)或者其他可以接受信號(hào)的一種裝置。生物傳感器具有測(cè)試精確度高，特異性強(qiáng)且操作簡(jiǎn)單，方便攜帶等特點(diǎn)，因而亦被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)中的農(nóng)藥殘留量的快速檢測(cè)當(dāng)中[34-36]。在生物傳感器中融入具有熒光效應(yīng)的物質(zhì)形成熒光探針或者利用被測(cè)物質(zhì)的熒光特性進(jìn)行檢測(cè)，能夠使得檢測(cè)效果更為直觀明顯。在農(nóng)藥殘留的快速檢測(cè)當(dāng)中，生物傳感器以其高敏感度，高專一性等優(yōu)勢(shì)得到了較多的應(yīng)用。其中，對(duì)于有機(jī)磷農(nóng)藥殘留檢測(cè)的應(yīng)用最為廣泛，其主要傳感原理是有機(jī)磷農(nóng)藥的不同濃度會(huì)對(duì)乙酰膽堿酶的活性造成不同程度的影響，從而檢測(cè)指標(biāo)得到不同的熒光效應(yīng)[37-40]。

Sun等[41]研制了一種有機(jī)磷農(nóng)藥熒光生物傳感器。用pH指示劑CdTe量子點(diǎn)作為光傳感器，研究了被分析物對(duì)酶的抑制作用。通過(guò)殼聚糖的介導(dǎo)作用，靜電吸附將識(shí)別元件乙酰膽堿酯酶和CdTe固定在石英表面，形成自組裝多層膜，如圖3所示。該傳感器的熒光效應(yīng)會(huì)隨著農(nóng)藥存在與否，農(nóng)藥的濃度大小而發(fā)生變化。同時(shí)，其易于再生，對(duì)有機(jī)磷農(nóng)藥具有良好的穩(wěn)定性和選擇性。除了在有機(jī)磷農(nóng)藥殘留上的應(yīng)用外，生物傳感器在其他農(nóng)藥殘留檢測(cè)上也有所發(fā)展及應(yīng)用。Chang等[42]研制了一種簡(jiǎn)單、 經(jīng)濟(jì)的用于蔬菜樣品中對(duì)氧乙基農(nóng)藥檢測(cè)的單發(fā)光學(xué)探針。

使用具有熒光探針的生物傳感器，不僅可以擁有生物傳感器高專一性、 高選擇性、 易于攜帶以及便于實(shí)時(shí)分析的性能，還能充分運(yùn)用熒光探針突出的光學(xué)特性，使得在檢測(cè)過(guò)程中的觀察分析更為具體直觀。但目前生物傳感器的應(yīng)用仍然存在的局限主要是酶生物傳感器中酶的固定問(wèn)題。如何找到普遍適用的理想的酶固定方法，從而保證酶的活性以及使其與目標(biāo)分子更好的結(jié)合，需要進(jìn)一步完善和改進(jìn)。

針對(duì)熒光生物傳感器存在的問(wèn)題，許多研究者采用了納米材料構(gòu)建生物傳感器的方法來(lái)進(jìn)行改善。納米材料分為許多種類，如金屬納米材料，金屬氧化物納米材料等。但大部分納米材料都具備比表面積大、 導(dǎo)電性能強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，把納米材料用于構(gòu)件生物傳感器能夠使其充分發(fā)揮優(yōu)勢(shì)，通過(guò)靜電吸附或者共價(jià)鍵結(jié)合的形式將更多的酶吸附到電極表面，從而大大提高了生物傳感器的靈敏性、 穩(wěn)定性和重復(fù)性[43]。納米材料能夠很好的改善傳統(tǒng)的生物傳感器所存在的問(wèn)題，特別是酶活性失活的問(wèn)題。

圖3 生物傳感器中自組裝多層膜示意圖[49]Fig.3 Schematic diagram of self-assembledmultilayer film in biosensor[49]

2.6 與金屬納米材料相結(jié)合的熒光光譜分析

金屬納米材料除了用于生物傳感器的構(gòu)建之外，還可以直接作為熒光探針用于農(nóng)作物農(nóng)藥殘留量的檢測(cè)。其主要利用金屬納米材料獨(dú)特的光學(xué)性質(zhì)和表面識(shí)別能力。部分金屬納米材料具有優(yōu)異的熒光猝滅能力，因此可以根據(jù)這一特性，觀察含有金屬納米材料的溶液在加入某樣物質(zhì)前后不同的熒光效應(yīng)來(lái)對(duì)該物質(zhì)進(jìn)行定性與定量分析。除此之外，部分金屬納米材料在實(shí)驗(yàn)中可以成為間接影響熒光效應(yīng)的因素。金屬納米材料與熒光光譜的結(jié)合運(yùn)用在農(nóng)藥殘留檢測(cè)當(dāng)中具體很大的研究意義與發(fā)展前景[44]。

Luo等[45]研究了基于RB-Ag/Au雙金屬納米粒子的超靈敏熒光傳感器在有機(jī)磷農(nóng)藥檢測(cè)中的應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)主要是通過(guò)RB-Ag/Au-NPS在遇到有機(jī)磷農(nóng)藥前后不同的熒光效應(yīng)而對(duì)有機(jī)磷農(nóng)藥進(jìn)行定性定量的分析。RB-Ag/AuNPs對(duì)有機(jī)磷農(nóng)藥的檢測(cè)機(jī)理如圖4所示。

圖4 RB-Ag/AuNPs對(duì)有機(jī)磷農(nóng)藥的檢測(cè)機(jī)理[53]Fig.4 Detection mechanism of RB-Ag/AuNPsfor organophosphorus pesticides[53]

這種合金結(jié)構(gòu)與光學(xué)的綜合運(yùn)用，更多地被應(yīng)用到生物傳感器的研究上。Hsu等[46]研究設(shè)計(jì)了一種納米銀修飾的氧化多壁碳納米管用于對(duì)樂(lè)果的檢測(cè)； Li等[47]研究開(kāi)發(fā)了一種基于檸檬酸封端銀納米粒子和乙酰膽堿的生物傳感器，用于對(duì)不同水樣中有機(jī)磷農(nóng)藥敵百蟲(chóng)的快速檢測(cè)； Lang等[48]研究開(kāi)發(fā)了一種基于金納米棒(AuNRs)的靈敏乙酰膽堿酯酶(AChE)生物傳感器，用于有機(jī)磷農(nóng)藥的檢測(cè)。金屬納米與光學(xué)結(jié)合運(yùn)用的生物傳感器，使得農(nóng)藥殘留的檢測(cè)變得更為快速及準(zhǔn)確。

然而，現(xiàn)階段納米材料的制備技術(shù)尚不完善，納米材料的形態(tài)、 尺寸控制以及其純化的技術(shù)還需要不斷地提高改善。這也是基于金屬納米材料與熒光光譜結(jié)合的農(nóng)藥殘留檢測(cè)技術(shù)中所需要克服的問(wèn)題。

熒光光譜分析技術(shù)已在農(nóng)藥殘留檢測(cè)方面展現(xiàn)了其獨(dú)特的優(yōu)異性。為了更直觀地反映上述六種熒光光譜分析方法的特點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行了表格匯總，如表1所示。

表1 基于熒光光譜分析的農(nóng)藥殘留檢測(cè)方法Table 1 Pesticide residue detection methods based on fluorescence spectrum analysis

3 結(jié) 論

熒光光譜檢測(cè)具備高靈敏度，高效率，以及高重現(xiàn)性，能夠幫助實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中農(nóng)藥殘留的快速檢測(cè)。但目前熒光光譜分析方法用于農(nóng)藥殘留檢測(cè)存在以下挑戰(zhàn)：

(1)熒光光譜檢測(cè)對(duì)檢測(cè)對(duì)象要求高

熒光是光致發(fā)光的效果，事實(shí)上并不是所有的農(nóng)藥或者被檢測(cè)的物質(zhì)都具有天然的熒光特性。因而，對(duì)于無(wú)熒光效應(yīng)的農(nóng)藥殘留檢測(cè)，需通過(guò)間接的方法獲取其相關(guān)熒光光譜圖，如熒光探針以及光化學(xué)誘導(dǎo)熒光(PIF)檢測(cè)的應(yīng)用。目前，PIF檢測(cè)技術(shù)在解決不具備自然熒光的農(nóng)藥殘留檢測(cè)的問(wèn)題具有很好的效應(yīng)，能夠通過(guò)用紫外光照射分析物，將其轉(zhuǎn)化為高熒光的光產(chǎn)物，從而增強(qiáng)熒光，以便進(jìn)行熒光分析[49-50]。

(2)熒光光譜檢測(cè)受環(huán)境因素影響大

熒光光譜檢測(cè)的結(jié)果受外界環(huán)境因素的影響較大，如試驗(yàn)使用的溶劑，溫度，pH值等因素。以上因素都可能會(huì)影響到熒光光譜檢測(cè)的結(jié)果，對(duì)于檢測(cè)結(jié)果分析造成干擾，影響分析結(jié)果的可靠性以及科學(xué)性。因而，在未來(lái)的研究中，需進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)更合適的方法去提高檢測(cè)環(huán)境的穩(wěn)定性，進(jìn)一步保證檢測(cè)結(jié)果的科學(xué)性。同時(shí)，要繼續(xù)更新及完善有關(guān)農(nóng)藥的熒光光譜圖庫(kù)，對(duì)不同種類農(nóng)藥建立對(duì)應(yīng)的指紋圖譜，從而更好地排除外界因素對(duì)熒光光譜圖的干擾。

(3)熒光光譜檢測(cè)預(yù)測(cè)模型應(yīng)用廣譜性低

熒光光譜檢測(cè)存在適應(yīng)性差、 應(yīng)用范圍不夠廣泛的問(wèn)題。這是因?yàn)槟壳斑M(jìn)行熒光光譜分析所得出的預(yù)測(cè)模型基本都是針對(duì)某一種或者是某幾種農(nóng)藥進(jìn)行試驗(yàn)得出，只能應(yīng)用于相應(yīng)的農(nóng)藥殘留檢測(cè)。如果能夠把試驗(yàn)所得的各種農(nóng)藥殘留的預(yù)測(cè)模型結(jié)合起來(lái)，使得檢測(cè)儀器可以對(duì)多種類的農(nóng)藥進(jìn)行農(nóng)藥殘留檢測(cè)，將能大大提高熒光光譜檢測(cè)的適用性。

因此，檢測(cè)儀器的便攜性、 集成度、 穩(wěn)定性必將是未來(lái)研究發(fā)展的趨勢(shì)。

(4)熒光光譜檢測(cè)的成本高

現(xiàn)階段基于熒光光譜的農(nóng)藥殘留檢測(cè)大部分還是在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，很難真正應(yīng)用到農(nóng)作物市場(chǎng)或者是農(nóng)場(chǎng)上。其中除了一部分是受試驗(yàn)環(huán)境要求較高的影響之外，還有一部分是因?yàn)闄z測(cè)成本的問(wèn)題。檢測(cè)的相關(guān)設(shè)備，試驗(yàn)使用的試劑以及試驗(yàn)儀器價(jià)格昂貴，也是熒光光譜技術(shù)難以在農(nóng)藥殘留檢測(cè)上大展身手的原因之一。因而，未來(lái)基于熒光光譜的農(nóng)藥殘留檢測(cè)儀器應(yīng)當(dāng)逐漸集成化，模塊化，通過(guò)與其他新興技術(shù)與新型材料進(jìn)行結(jié)合，朝更為輕便，大眾的方向發(fā)展。

隨著科技的發(fā)展及各學(xué)科的融合，基于熒光光譜技術(shù)的農(nóng)藥殘留檢測(cè)方法將進(jìn)一步完善和推廣，對(duì)保障食品安全和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展發(fā)揮重要作用。