基于功能材料的電化學傳感器檢測新煙堿類殺蟲劑的研究進展

艾紀星，杜海軍，胡華麗，張 艷，李玉美，羅 樂，伍 丹

（貴州民族大學 化學工程學院，貴州 貴陽 550025）

新煙堿類殺蟲劑是一類神經毒性殺蟲劑，主要用于谷物、蔬果、煙草及其他作物上害蟲、牛羊寄生蟲以及衛生害蟲的防治［1-2］。新煙堿類殺蟲劑的作用類似激動劑，其殺蟲機理是通過與神經后突觸乙酰膽堿受體結合，使昆蟲過度興奮、麻痹而死亡。根據取代基不同可將新煙堿類殺蟲劑分為三代，第一代為氯代煙堿型，包括吡蟲啉（Imidacprid）、哌蟲啶（Piperidine）、啶蟲脒（Acetamiprid）、烯啶蟲胺（Nitenpyram）；第二代為硫代煙堿型，包括噻蟲胺（Clothianidin）、噻蟲嗪（Thiamethoxam）、噻蟲啉（Thiacloprid）；第三代為呋喃型，如呋蟲胺（Dinotefuran）［3］。主要藥效基團有硝基亞甲基（C==CHNO2）、硝基胍（C==NO2）和氰基脒（C==NCN）［4］。與傳統農藥有機磷和氨基甲酸酯類等相比，新煙堿類殺蟲劑對哺乳動物低毒，同時具有殺蟲譜廣、活性高、選擇性好等優勢，因此在全球范圍內被廣泛使用。近期研究發現，新煙堿類殺蟲劑對傳粉昆蟲和鳥類繁衍有不利影響［5］。隨著國內外新煙堿類殺蟲劑登記數量的不斷增加、使用范圍的不斷擴大，新煙堿類殺蟲劑對生態環境造成的影響引起普遍重視。

新煙堿類殺蟲劑的分析技術有質譜［6］、色譜［7］、表面等離子增強拉曼［8］和毛細管電泳［9］等，但這些儀器較為昂貴，樣品處理相對復雜，分析成本高，不能滿足現場分析的需求。近年來，在實際應用中較為成熟的免疫分析［10］、光學分析［11-12］和電化學分析等技術在農殘快速檢測領域均得到了廣泛關注。基于膠體金、彩色乳膠微球標記的免疫分析技術特異性強，但合成工藝高；熒光［11］、化學發光［12］等光學分析方法操作簡單，但對復雜基質的特異性弱，準確度欠佳。結合納米技術的電化學傳感器兼具上述分析方法的優點，展現出成本低、操作簡單、靈敏度高等優勢，是快速檢測新煙堿類殺蟲劑的理想方法。此外，電化學傳感器與其他儀器相結合，有助于提高對新煙堿類殺蟲劑的結構及作用機理的解析水平，為新煙堿類農藥的高效檢測和農產品安全的有效控制提供了可能。本綜述總結了近年來新型功能納米材料在新煙堿類殺蟲劑電化學分析和檢測技術上的應用，以及相應構建的生物傳感器、分子印跡傳感器、光電化學傳感器、納米傳感器的研究進展。同時，分析了限制新型功能材料構建的傳感器走向實際應用的復雜因素，并對其檢測新煙堿類殺蟲劑的前景進行了展望。

1 功能材料的分類

電化學傳感器的傳感系統決定了傳感器的選擇性和靈敏度，是發展電化學檢測技術的關鍵步驟，對構建選擇性高、分析范圍廣、抗干擾性能優異的新型傳感器至關重要。傳感系統的識別元件大體可分為兩類：生物類和非生物類。生物類識別元件有酶、抗體、適配體，非生物類識別元件即作為電極修飾劑和催化劑的新型納米材料。

隨著先進功能材料的發展，零維的石墨烯量子點、一維的碳納米管、二維的石墨烯和分子印跡、三維的金屬/共價-有機框架等納米材料因其固有的光電特性而受到越來越多的關注。碳基納米材料包括石墨烯量子點（GQDs）、氧化石墨烯（GO）、碳納米管（CNT）、氮化碳納米片（g-C3N4）等，具有表面積大、電學性能優異、相容性好、易制備等特點，可提供大量的粒子活性位點，改善電極導電性；金屬基納米材料包括金屬納米顆粒、金屬氧化物半導體材料等，具有電催化活性好、生物相容性好、制備方法簡單等優良性能，可強化電極的導電性能和對目標分子的催化性能；分子印跡聚合物（MIPs）具有強特異性識別能力，被稱為“合成抗體”，可提高檢測靈敏度；超分子化合物如環糊精（CD）、杯芳烴（SC8）等具有特定的腔體結構，對目標分子有較好的選擇性；近年來較為流行的金屬-有機框架（MOFs）和共價-有機框架（COFs）也因其具有的特殊形貌和優異光電性能被引入電極的修飾，以增強傳感界面對目標物質的催化活性及電子傳輸性能。

2 基于功能材料的電化學傳感器分類及其應用

2.1 電化學生物傳感器

電化學生物傳感器是將適配體、抗體或酶修飾于工作電極，通過酶與底物、抗原與抗體、核酸與其互補片段進行特異性識別從而檢測物質。根據識別元件的不同，可分為電化學酶傳感器、電化學免疫傳感器、電化學適配體傳感器三類。其中，識別元件的穩定性是影響生物傳感器檢測靈敏度和選擇性的關鍵因素。

隨著適配體篩選技術及分子擴增技術的發展，電化學適配體傳感器在電化學生物傳感器中頗受研究者青睞。適配體是一小段人工合成的單鏈DNA或RNA，對目標分子具有很強的特異性識別，理論上可通過技術篩選得到與目標物相應的適配體，該類傳感器選擇性好、無需生物合成、高溫穩定。Zhen等［13］建立了一種無標記的電化學傳感分析啶蟲脒（ACE）的方法，并首次研究了啶蟲脒與啶蟲脒適配體特異性結合的模型（圖1）。啶蟲脒適配體在高氯酸中先形成松散的二級結構，再折疊成更穩定的發夾狀結構，為啶蟲脒分子提供了特定的結合位點。該傳感器對啶蟲脒的檢測范圍為5.0 × 10-9～2.0 ×10-7mol/L，檢出限為1.0×10-9mol/L。

圖1 AP-DNA與啶蟲脒特異性結合的模型原理Fig.1 Principle of structure switchable AP-DNA assay for the detection of acetamiprid

為了提高電極表面的電子傳輸速率，Madianos 等［14］將鉑納米粒子與啶蟲脒適配體通過共價作用固定在傳感器表面。鉑納米粒子和適配體的結合提高了啶蟲脒的檢測靈敏度，其線性范圍為1.0×10-11～1.0×10-7mol/L，檢出限為1.0×10-12mol/L。Rapini等［15］通過在絲網印刷電極上沉積聚苯胺和AuNPs，以Au - S 鍵結合適配體DNA，以鏈霉抗生物素蛋白-堿性磷酸酶綴合物追蹤親和力反應，檢測啶蟲脒，獲得其線性范圍為2.5×10-4～2.0×10-3mol/L，檢出限為8.0×10-5mol/L。

Xu 等［16］為了使適配體更容易固定在電極上，以提高傳感器的穩定性，加入了合成的三維銀/組氨酸功能化量子點/石墨烯復合材料，啶蟲脒的適配體通過Ag-S鍵與之相連。該修飾電極表現出超高的靈敏度、特異性和穩定性，檢測范圍為1.0×10-16～5.0×10-12mol/L，檢出限為4.0×10-17mol/L，均低于其他用于檢測啶蟲脒的傳感器。目前，經驗證適用于新煙堿類殺蟲劑的適配體種類有限，集中在啶蟲脒的檢測。隨著技術成熟，篩選出更多對應的適配體，實現不同待測物的檢測是未來的主要發展方向。

免疫分析是一種基于抗原-抗體相互作用的檢測方法，作為快速篩選技術在現實中獲得了廣泛應用。電化學免疫傳感器是免疫分析和電化學分析相結合的分析方法，具有特異性強、靈敏度高的特點，適用于精確度高的檢測。Xu 等［17］提出了一種電化學免疫法確定啶蟲脒含量的分析方法（圖2）。通過層層自組裝，將半抗原（HGPP）探針和亞甲基藍（MBP）探針固定在金電極上。樣品中存在啶蟲脒時，由于啶蟲脒與HGPP 在電極上的相互結合，MBP 在電極上的結合位點減少，導致峰電流減小。在最佳條件下，該傳感器的線性范圍為2.3×10-11～4.7×10-10mol/L，檢出限為1.4×10-11mol/L。該生物傳感器成功地測定了草莓和卷心菜中的啶蟲脒含量。

圖2 HGPP的制備（A）和用于檢測啶蟲脒的競爭性免疫傳感器（B）Fig.2 Preparation of HGPP（A）and competitive immunosensor assay for the detection of acetamiprid（B）

以抗體、酶為新煙堿類殺蟲劑識別元件的研究較少，酶和抗體需要生物合成，成本較高，此外，抗體和酶屬蛋白類物質，易受環境和樣品條件干擾，定量分析有一定難度。已有研究嘗試以無機材料、天然高分子等作為載體，通過高效地將酶和抗體固定于載體上，同時保持二者的催化活性，解決了電化學免疫傳感器、電化學酶傳感器開發的難點［17-19］。

2.2 分子印跡傳感器

分子印跡聚合物是具有固定孔穴和功能基團的合成高分子材料［20］，具有化學穩定性和熱穩定性高、合成速度快、抗干擾能力強等優點，用作傳感器中的識別元件或選擇性吸附劑［21-23］，可實現對目標分子的特異性識別。Abdel-Ghang 等［21］首次以聚丙烯酰胺（PAM）和甲基丙烯酸（PMAA）修飾電極，構建了黃瓜和土壤樣品中呋蟲胺殘留的電化學檢測方法，檢出限均為1.7×10-9mol/L。Zhang等［22］以聚乙烯基苯甲酸（PVBA）為識別元件，開發了用于檢測吡蟲啉殘留的電位膜傳感器，并成功應用于糙米樣品中吡蟲啉的檢測，檢出限為1.0×10-7mol/L。

MIPs存在電催化活性和電導率較差等不足［23］。為此，Kong等［24］在玻碳電極上修飾還原氧化石墨烯（rGO），再裝載印跡聚鄰苯二胺膜（PoPD），rGO 增強了電極的電導率，該傳感器對吡蟲啉的響應濃度為7.5×10-7～7.0×10-5mol/L。Ghodsi 等［25］在TiO2納米顆粒修飾的玻碳電極上電聚合印跡聚左旋多巴（PLD），開發了一種用于測定吡蟲啉的傳感器。印跡聚左旋多巴使電極具有很強的選擇性，電極表面電沉積的TiO2納米顆粒則增強了吡蟲啉的電催化還原，提高了修飾電極的靈敏度，該傳感器的線性范圍為2.0×10-6～4.0×10-4mol/L，檢出限為3.0×10-7mol/L。可以看出，內嵌各向異性的金屬基材料和碳基納米材料有利于檢測物與電極表面的接觸，增強分子識別能力。

為進一步提高MIPs 傳感器的靈敏度，Li 等［26］以適配體和MIPs 雙識別元件構建傳感界面，建立了一種基于鉑-銦催化納米復合膜的超分子印跡電化學傳感器檢測吡蟲啉的方法。通過將鉑-銦納米復合膜沉積在改性玻碳電極的表面，再以摻有溴酚藍的鄰氨基苯酚為功能單體，杯芳烴為模板分子，制備復合分子印跡聚合物，其中鉑-銦膜和溴酚藍可起到催化和放大電流的作用，對吡蟲啉的檢出限可達1.2×10-13mol/L。

MIPs可批量處理、表面改性要求低，但制備MIPs時模板難以洗脫，重現性差。為了實現商業價值的最大化，可制備核殼結構的MIPs 以及合成納米尺寸的復合MIPs 改善其性能，以進一步提高分子印跡納米復合材料的性能。

2.3 光電化學傳感器

光電化學傳感器（Photoelectrochemical sensor，PCES）以電極/溶液界面的光電轉化過程為分析基礎。光誘導過程產生時，電極表面的光電材料處于激發態，與待測物發生電子轉移，引起電流變化。光電化學傳感器多采用光電材料修飾，如金屬氧化物［27］、量子點［28］等。

金黨琴［27］率先研究了基于二氧化鈦光催化劑耦合碳糊電極的間接測定啶蟲脒的電化學方法。啶蟲脒的光催化降解化合物在中性溶液中具有電活性，從而實現啶蟲脒含量的間接測定。該方法的線性范圍為1.0×10-8～2.0×10-6mol/L，檢出限為2.0×10-10mol/L。Kamyabi 等［28］報道了一種基于氧化鋅納米晶（ZnO）/泡沫鎳電極用于吡蟲啉的電發光檢測方法。該方法對吡蟲啉的線性范圍為3.0×10-14～8.0×10-10mol/L，檢出限低至4.4×10-15mol/L。為了提高光電轉換效率，Jiang等［29］使用氮摻雜超薄MoS2納米片耦合石墨烯量子點（GQDs）修飾電極，其中GQDs和MoS2納米片起到催化和放大電流的作用，當啶蟲脒氧化后電流強度明顯增大，從而實現了對啶蟲脒的超靈敏檢測，其檢出限為3.3×10-11mol/L。

光電材料具有優良的光電性能及很高的應用潛力。然而，現有的光電材料在實際應用過程中存在轉換效率不高、均勻性不佳、與光源耦合困難等不足，極大限制了光電化學傳感器的應用。因此，發展高轉換效率、高分散、高穩定的光電材料，將是未來光電化學傳感領域的重點研究方向。

2.4 納米傳感器

納米材料也稱超微粒材料，是在三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍（1～100 nm）或由該尺度范圍的物質為基本結構單元所構成的材料總稱［30］，因具有的特殊形貌和優異性能，納米材料在電極修飾領域應用最為廣泛。納米材料修飾電極的研究，突破了傳統意義上電化學裸電極/電解液界面的范疇，開創了人為控制電極界面微結構的新領域。這意味著不僅可利用有機物、無機物和生物物質等材料的功能基團，還可利用功能材料本身多孔、微孔、介孔的特殊形貌進行電極界面設計。以下主要概括了碳基納米材料、金屬基納米材料、超分子化合物、有機框架材料等修飾電極構建的各類傳感器。

2.4.1 碳基納米材料碳基納米材料的比表面積大、電學性能優異，可顯著提高電極的電導率和附著性［31］，是電化學分析的理想材料，在該領域有著廣闊的應用前景。目前得到廣泛應用的有石墨烯量子點、碳納米管、石墨烯、氮化碳納米片等［32］。Urbanová 等［33］以rGO 和聚吡咯（ppy）修飾電極同時檢測噻蟲嗪和吡蟲啉，其線性范圍為1.0×10-5～2.0×10-4mol/L，對噻蟲嗪和吡蟲啉的檢出限分別為8.3×10-6mol/L 和7.9× 10-6mol/L。Wang 等［34］利用羧化多壁碳納米管（MWCNTs）和單壁碳納米角（CNH）修飾電極檢測烯啶蟲胺，線性范圍為2.0×10-8～2.0×10-7mol/L，檢出限為4.0×10-9mol/L。

石墨烯量子點表面具有豐富的活性位點，摻雜后形成異質結能提高光電催化性能［35］，Nasr -Esfahani 等［36］在GQD/MWCNT/離子液體（Ionic liquid，IL）復合材料的表面電聚合聚苯胺（PANI），該改性電極對吡蟲啉的檢測范圍為3.0×10-8～1.2×10-5mol/L，檢出限為9.0×10-9mol/L，且改性后的電極在30 天內表現出良好的重現性。石墨相氮化碳也是近年的研究熱點，Ganesamurthi 等［37］提出了一種在絲網印刷碳電極上修飾Co3O4@g-C3N4復合材料用于檢測噻蟲嗪的方法。通過差分脈沖伏安法對噻蟲嗪進行測定，其線性范圍為1.0×10-8～4.2×10-4mol/L，檢出限為4.9×10-9mol/L。該方法成功用于馬鈴薯和糙米等實際樣品中噻蟲嗪的電化學檢測。

碳基材料片層間存在很強的分子間作用力，在水中容易團聚，可通過摻雜或改性，改善碳基材料在水中的團聚行為，制備出均勻分散的復合材料，確保電極修飾材料的批量一致性。

2.4.2 金屬基納米材料金屬基納米材料因具有比表面積大、電催化活性好、生物相容等優良性能被廣泛地應用在諸多領域，尤其是制備方法簡單、大小尺寸可控的金屬納米粒子和金屬納米晶［38］。但金屬基納米材料的附著性較差，需與其它納米材料復合制備，其中，碳基-金屬基納米復合材料在電極修飾研究中備受青睞。

Majidi 等［39］在石墨烯修飾的玻碳電極上電沉積銀納米樹枝狀聚合物，制備了一種靈敏測定吡蟲啉的新型電化學傳感器，測得吡蟲啉的線性范圍為1.0 × 10-6～1.0 × 10-4mol/L，檢出限為8.1 × 10-7mol/L。該電極具有良好的重復性和長期穩定性。Tawade 等［40］提出以ZnO-PANI-GO 復合材料修飾的玻碳電極檢測吡蟲啉，改性電極對吡蟲啉的檢測范圍為1.3×10-7～2.1×10-6mol/L，檢出限為1.3×10-8mol/L。

通過摻入比表面積大的碳基材料，能有效防止金屬基納米材料的堆積，提高檢測靈敏度，在實際應用中也較為理想。但多數傳感器采用滴涂法制備修飾的薄膜，存在均勻性和重現性相對較差等問題，需進一步探究通過電聚合外加保護膜等方法進行改善。

2.4.3 超分子化合物超分子化合物通常是指由兩種或兩種以上分子依靠分子間相互作用結合在一起，組成復雜、有組織的聚集體，如環糊精、杯芳烴、冠醚、柱芳烴、瓜環葫蘆脲等［41］。超分子化合物的生物相容性好，特定的腔體結構可產生主客體包合反應，進而提高檢測靈敏度。近年來，超分子化合物對農藥分子的包合與識別成為分析領域的新興研究方向。

環糊精是由六、七或八個葡萄糖單元組成的寡糖（分別命名為α-，β-或γ-CD），呈環狀形式，具有疏水性內腔和親水性外側［42］。Zhao等［42］建立了一種通過電聚合將α-CD修飾在玻碳電極上的電化學傳感器用于吡蟲啉的測定。在吡蟲啉存在的情況下，修飾電極的響應信號比裸電極增加了947%，這表明α-CD 修飾電極提高了檢測靈敏度。在優化條件下，該傳感器的檢出限為2.0× 10-8mol/L，線性范圍為5.0×10-7～4.0×10-5mol/L。Oliveria 等［43］報道了用rGO 和β-CD 修飾玻碳電極同時檢測吡蟲啉、噻蟲嗪和噻蟲胺的方法，檢出限分別為8.9×10-6、7.4×10-6、4.7×10-6mol/L。

杯芳烴是繼環糊精之后的第三代主體超分子化合物，對目標分子特異性強，且生物兼容性好，制備方法簡單，在農藥分析領域具有良好的優勢。周君等［44］將rGO/SC8 修飾到電極表面，采用電化學方法對吡蟲啉進行分析檢測，復合材料具有rGO 的優良導電性和SC8 的識別、富集能力，兩種成分的協同作用能促進吡蟲啉在電極上的電催化還原，測得吡蟲啉的線性范圍為1.0×10-8～6.0×10-5mol/L，檢出限為9.0×10-9mol/L。

超分子化學作為新興的交叉學科領域，雖取得了一些進展，但超分子化學包含對農藥分子的研究仍處于起步階段，隨著超分子化學的進一步發展和包合農藥分子研究的深入，超分子應用于傳感器的研究與開發必將進一步延伸。

2.4.4 有機框架材料有機框架材料是一種逐漸興起的三維多孔材料，在氣體吸附與分離、催化和傳感等領域展現出優異的應用價值，成為眾多科研工作者們關注的對象，其中以金屬-有機框架材料（MOFs）和共價-有機框架材料（COFs）的應用最為廣泛。MOFs 是由金屬或金屬簇與有機連接物自組裝形成的多孔配位聚合物，COFs是通過共價鍵將有機單元連接而成的新型結晶多孔材料。與單純無機材料或多孔碳材料相比，有機框架材料具有以下突出優勢：①有機配體具有其他多孔材料無法超越的超高孔隙率和比表面積；②具有結構和孔隙的可調性；③可添加官能團修飾［45］。

MOFs和COFs作為傳感材料或樣品前處理材料應用于食品中農藥的檢測可提高靈敏度、降低成本，使操作簡單、便捷，在分析檢測中展現出較大的應用潛力。Wang等［46］以聚乙烯吡咯烷酮摻雜銅金屬有機骨架為原料，開展了MOFs 材料應用于新煙堿類農藥分析的開創性工作。通過一鍋溶劑熱法和熱裂解法制備了新型氮摻雜大孔-介孔-微孔碳復合材料（N/Cu-HPC），N/Cu-HIPC的三維分層結構改善了新煙堿類分子與活性位點間的質量和電荷轉移，用于吡蟲啉、噻蟲嗪的檢測，可獲得較寬線性范圍（吡蟲啉為5.0×10-7～6.0×10-5mol/L，噻蟲嗪為1.0×10-6～6.0×10-5mol/L）和較低檢出限（吡蟲啉為2.6×10-8mol/L，噻蟲嗪為6.2×10-8mol/L）。該傳感器成功用于燕麥、玉米和水稻中吡蟲啉、噻蟲嗪的測定，表明N/Cu-HPC 具有很高的應用潛力，可作為監測農產品中新煙堿類殺蟲劑的先進傳感裝置。

目前有機框架材料已應用于有機磷［47］、金屬離子［47］、激素［47］和多環芳烴［48］的富集，然而對新煙堿類殺蟲劑富集的報道較少，研究有機框架材料對新煙堿類殺蟲劑的富集和檢測是發展的必然趨勢［49-50］。由于目前設計合成MOFs及COFs的方法仍有一定局限性，且合成步驟繁瑣，合成時間長且成本高，尚需很多研究工作支持，其廣闊的應用前景與挑戰并存。

表1為電化學生物傳感器、分子印記傳感器、光電化學傳感器、納米傳感器共4類在新煙堿類農藥檢測中的部分應用。

表1 電化學傳感法對新煙堿類農藥的檢測Table 1 Detection of neonicotinoid pesticides by electrochemical sensing

3 總結與展望

對基于識別元件和新型功能材料的傳感器性能進行評估和比較，可看出適配體、抗體等生物識別元件，以及分子印跡、光電材料、新型納米材料制備的生物傳感器、光電傳感器、分子印跡傳感器和各類納米傳感器，可實現對新煙堿類殺蟲劑的超靈敏檢測，也成功應用于實際農產品的檢測。限制其應用的關鍵因素在于：①材料框架結構的完整性、化學穩定性、熱穩定性；②界面環境的可控性；③材料的再生性、批量一致性。

基于以上問題，新煙堿類電化學傳感器的未來發展趨勢主要有：①設計出更多形貌可調的新型材料或復合已有的具有優良性能的納米材料，以構建選擇性高、分析范圍廣、抗干擾強的傳感器；②對生物識別元件繼續改進，以達到特異性識別能力好、傳質效率高、成本低、穩定性好、制備簡單的多重要求；③結合其他儀器進一步解析傳感界面的識別機理，探究新煙堿類殺蟲劑固有性質對識別元件的影響，通過提高檢測的精確度以拓展其實際應用的前景。