郭艷國,劉振江*,潘興魯,董豐收,鄭永權(quán)
(1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護研究所,植物病蟲害生物學(xué)國家重點實驗室,北京 100193;2.江蘇大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院,江蘇鎮(zhèn)江 212013)
農(nóng)藥具有成本低、見效快的優(yōu)點,在防治病蟲草害,提高農(nóng)作物產(chǎn)量,確保農(nóng)業(yè)增產(chǎn)增收方面具有不可替代的重要作用[1]。然而,化學(xué)農(nóng)藥的長期大量不規(guī)范使用,對農(nóng)產(chǎn)品安全和生態(tài)環(huán)境安全造成了嚴(yán)重的威脅。第2次全國污染源普查發(fā)現(xiàn),農(nóng)藥殘留污染成為我國農(nóng)業(yè)污染的重要因素[2]。研究表明,施用到農(nóng)作物的農(nóng)藥約90%會直接進入到環(huán)境體系中,環(huán)境中殘留的農(nóng)藥不僅會改變土壤微生物群落的結(jié)構(gòu),破壞農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中微生態(tài)的平衡,并且會通過食物鏈等途徑進入人體,給人類健康帶來極大的安全隱患[3-5]。因此,開發(fā)高效的農(nóng)藥殘留分析檢測技術(shù)對保護生態(tài)環(huán)境和人類健康具有十分重要的意義。
研發(fā)快速、靈敏的農(nóng)藥殘留檢測技術(shù)是實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全監(jiān)管的重要技術(shù)手段。目前,常見的農(nóng)藥殘留檢測技術(shù)主要包括儀器檢測技術(shù)(氣相色譜法[6]、高效液相色譜法[7]、色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)[8])、酶抑制法和免疫分析法等快速檢測技術(shù)[9-10]。其中,儀器檢測技術(shù)往往需要昂貴的儀器,檢測時間長,不適合在現(xiàn)場進行快速分析檢測,而快速檢測技術(shù)以其簡單、快速、高通量的分析特點引起了人們的廣泛關(guān)注和應(yīng)用。2016年《食品安全法》從法律層面高度充分認可了“快速檢測方法對食用農(nóng)產(chǎn)品進行抽查檢測”的合法地位[11]。2021年農(nóng)業(yè)農(nóng)村部等七部門聯(lián)合實施食用農(nóng)產(chǎn)品“治違禁控藥殘促提升”三年行動方案,明確提出“鼓勵農(nóng)產(chǎn)品批發(fā)市場對‘三棵菜’中吡蟲啉等易超標(biāo)農(nóng)藥和禁限用農(nóng)藥殘留開展針對性快速測定”[12-13]。本文將重點介紹我國農(nóng)藥殘留的快速檢測技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展,并對各個檢測技術(shù)優(yōu)缺點進行比較和分析,同時展望了快速檢測技術(shù)發(fā)展趨勢,為農(nóng)產(chǎn)品中農(nóng)藥殘留的有效監(jiān)管和新型快檢技術(shù)的研發(fā)提供參考。
近年來,我國農(nóng)藥殘留快速檢測技術(shù)得到快速發(fā)展。目前已有包括光譜法、酶抑制法、免疫分析法、活體檢測法、生物傳感器檢測法等多種檢測方法應(yīng)用于實際檢測,這些方法在一定程度上可以滿足實際檢測的需求,本文將重點對這幾種方法進行詳細介紹。
光譜法主要用于有機磷農(nóng)藥殘留的檢測,即根據(jù)有機磷農(nóng)藥中某些官能團發(fā)生水解或還原的產(chǎn)物,與相應(yīng)的顯色劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng),產(chǎn)生特定波長的光譜來進行定性或定量分析農(nóng)藥殘留的含量[14]。根據(jù)產(chǎn)生的不同波長可分為紅外光譜法和紫外光譜法,其中紅外光譜法應(yīng)用最廣泛。例如,劉若云等[15]采用紅外光譜法檢測吡蟲啉的殘留,結(jié)果表明紅外光譜法能夠迅速測定吡蟲啉的含量,在一定程度上可以滿足農(nóng)藥殘留迅速測定的需求。李敏[16]提出了一種近紅外光譜技術(shù)對小白菜葉片中的氯氟氰菊酯進行定性分辨的方法。檢測結(jié)果表明,此方法對無農(nóng)藥殘留與含輕度農(nóng)藥殘留2類樣本的正確鑒別率為95%,對含輕度農(nóng)殘與含重度農(nóng)殘2類樣本的正確鑒別率為90%。該方法為蔬菜農(nóng)殘定性分類鑒別提供了一種新思路。馮鎮(zhèn)等[17]利用近紅外光譜技術(shù)有機結(jié)合化學(xué)計量法構(gòu)建了小麥中毒死蜱農(nóng)藥殘留的測定模型。結(jié)果發(fā)現(xiàn),利用因子化法構(gòu)建的定性分析模型的判別率高達90%以上,可以實現(xiàn)對小麥中毒死蜱殘留的定性分析檢測。同時,基于偏最小二乘法可以實現(xiàn)定量檢測分析且獲得良好的重現(xiàn)性。覃重陽等[18]通過表面增強拉曼光譜法對茶葉中的百草枯和敵百蟲2種農(nóng)藥殘留進行快速檢測。實際檢測結(jié)果表明,其檢出限和靈敏度均能滿足國家要求。
光譜法用于農(nóng)藥殘留測定雖然具有許多優(yōu)勢,包括測定速度快,前處理要求低等,但光譜法只能檢測一種或一類具有相同基團的有機磷農(nóng)藥,且其檢測靈敏度不夠好,通常只能用于農(nóng)藥殘留的定性分析。
酶抑制法最早于1951年在美國被發(fā)現(xiàn)并應(yīng)用于農(nóng)藥殘留的檢測,這是目前研究最成熟、應(yīng)用最廣泛的快速農(nóng)殘檢測技術(shù)[19]。在我國,廣東達元綠洲食品安全科技股份有限公司在1993年研制出第1個農(nóng)殘速測卡并進行了實際應(yīng)用,這開啟了我國農(nóng)藥殘留快速檢測的新篇章。其檢測原理是通過有機磷與氨基甲酸酯類農(nóng)藥對膽堿酯酶的抑制進而導(dǎo)致底物顏色發(fā)生不同的改變,從而實現(xiàn)農(nóng)藥殘留的分析測定。根據(jù)所使用的檢測儀器和膽堿酯酶分解底物的不同,酶抑制法可分為酶抑制率法和速測卡法,2種分析技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。例如,馬宏等[20]構(gòu)建了一種生物熒光酶抑制法,用于糧食及其制品中有機磷類和氨基甲酸酯類農(nóng)藥殘留的快速定性測定,最低檢測限為0.1 mg/kg,單個樣品平均檢測時間為5 min。由此可見,酶抑制法可用于糧食及其制品中有機磷類及氨基甲酸酯類農(nóng)藥殘留的快速篩選。Hassani等[21]發(fā)明了一種基于金納米棒修飾電極的敏感性乙酰膽堿酯酶生物傳感器,用于有機磷農(nóng)藥檢測中對氧磷的含量測定。結(jié)果顯示,對氧磷的檢測限為4.3 nmol/L。該方法完全可以滿足對環(huán)境中對氧磷的快速測定要求。張艷艷[22]采用酶抑制法與氣相色譜法分別對購自農(nóng)貿(mào)市場的40批次蔬菜樣品進行檢測,通過對比快速檢測方法與傳統(tǒng)儀器方法的檢測結(jié)果對酶抑制法進行驗證。結(jié)果表明,蔬菜中有機磷農(nóng)藥殘留的快速檢測方法與氣相色譜檢測方法的檢測結(jié)果基本相符,可以滿足現(xiàn)場快速檢測的要求。
酶抑制法因具有操作簡便、成本低廉、前期投入少、檢測快等特點而被廣泛應(yīng)用于農(nóng)藥殘留檢測。目前已經(jīng)出現(xiàn)基于酶抑制法原理的產(chǎn)品,根據(jù)不同的使用場合可以分為速測卡和農(nóng)藥殘留速測儀2類。速測卡常被用于生產(chǎn)基地中農(nóng)藥殘留的檢測;農(nóng)藥殘留速測儀被廣泛應(yīng)用在農(nóng)業(yè)、衛(wèi)生、工商等涉及農(nóng)產(chǎn)品和食品的質(zhì)量監(jiān)督檢驗測試中心、質(zhì)檢站等監(jiān)測和質(zhì)檢機構(gòu)中。常用型號速測儀有Optizen 2120V-V農(nóng)殘檢測儀、GDNY-110SA便攜式農(nóng)藥殘留速測儀、RAT-201A型多通道農(nóng)藥殘留檢測儀等。然而,在實際檢測農(nóng)藥殘留中還有很多亟待改進的不足之處:(1)可檢測農(nóng)藥種類少。酶抑制法主要用于檢測有機磷農(nóng)藥和氨基甲酸酯類農(nóng)藥,對其他農(nóng)藥測定不敏感。(2)膽堿酯酶保存條件苛刻。膽堿酯酶需放置在低溫下保存,若在常溫中進行保存則很容易失活。(3)檢測結(jié)果不夠準(zhǔn)確,易造成假陽性。例如,在對芹菜、韭菜、洋蔥等蔬菜樣品檢測時通常會受到較強的干擾從而造成檢測結(jié)果出現(xiàn)假陽性。
質(zhì)譜技術(shù)由于其高靈敏度、高準(zhǔn)確度以及高通量等特點,已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到農(nóng)藥殘留分析中。其中,液相色譜質(zhì)譜聯(lián)用和氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用是該領(lǐng)域最主要的技術(shù)手段。由于其需要復(fù)雜的樣品前處理及大量的有機溶劑,所以不適合快速實時高通量檢測。原位電離技術(shù)具有可在常壓敞開式環(huán)境下進行操作、無需或僅需簡單的樣品制備等特點,為農(nóng)藥殘留的高通量實時檢測提供了可能[23]。原位電離技術(shù)主要包括樣品解吸附、分析物離子化和將離子引入質(zhì)譜檢測3個過程,它與四極桿、離子阱、軌道阱和飛行時間等質(zhì)譜聯(lián)用即可實現(xiàn)化合物的快速檢測,其中解吸附電噴霧電離質(zhì)譜、紙噴霧電離質(zhì)譜和實時直接分析質(zhì)譜在農(nóng)藥殘留檢測方面被廣泛應(yīng)用。Gerbig等[24]采用解吸附電噴霧電離質(zhì)譜結(jié)合同位素內(nèi)標(biāo),建立了32種農(nóng)藥在果蔬表面的快速篩查和定量檢測方法,僅需將玻璃棒在果蔬表面輕輕摩擦就可實現(xiàn)農(nóng)藥快速檢測,檢測限均低于規(guī)定的農(nóng)藥最大殘留限量;Pereira等[25]采用紙噴霧質(zhì)譜和其變體技術(shù)葉噴霧質(zhì)譜,建立了莠去津、敵草隆和滅多威在果蔬中的快速檢測方法。該方法無需樣品前處理,2種原位電離質(zhì)譜的檢出限分別低至1.23和0.03 mg/kg;司露露等[26]建立QuEChERS-氣相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法和高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法快速檢測蔬菜中267種農(nóng)藥殘留量的方法。所有的農(nóng)藥定量限均小于0.01 mg/kg,各個濃度水平加標(biāo)回收率為67.2%~120.7%,相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.1%~17.7%(n=6)。該方法適用于供港蔬菜中農(nóng)藥多殘留的高通量快速篩查及應(yīng)急檢測需要;劉平等[27]建立通過式凈化結(jié)合超高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜快速檢測牛、羊奶中常見的13種有機磷農(nóng)藥殘留,13種目標(biāo)化合物的檢出限為0.015~0.15 μg/L,定量限為0.05~0.50 μg/L,適用于牛、羊奶及其相關(guān)制品日常檢測。
隨著小型化車載質(zhì)譜、手提質(zhì)譜不斷商業(yè)化,原位質(zhì)譜技術(shù)與小型質(zhì)譜儀聯(lián)用能夠?qū)崿F(xiàn)農(nóng)藥殘留現(xiàn)場、實時和高通量檢測。然而,原位質(zhì)譜技術(shù)在實際操作中仍然面臨著許多挑戰(zhàn),比如精準(zhǔn)定量分析往往需要同位素農(nóng)藥作為輔助,但同位素農(nóng)藥難以獲得,因此增加了分析成本。另外,目前原位質(zhì)譜技術(shù)更多的是實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品表面農(nóng)藥殘留檢測,如何實現(xiàn)樣品內(nèi)部農(nóng)藥準(zhǔn)確定量仍是未來的發(fā)展方向。
1970年,Centeno等[28]第一次將放射免疫法用于DDT和馬拉硫磷的分析檢測,標(biāo)志著免疫分析技術(shù)正式開始應(yīng)用于農(nóng)藥殘留分析中。目前,我國學(xué)者也開發(fā)了大量免疫分析技術(shù)用于我國農(nóng)藥殘留分析研究,如農(nóng)藥殘留超微量分析技術(shù)是以抗原抗體的特異性識別反應(yīng)為基礎(chǔ),結(jié)合現(xiàn)代測試手段,最終以光、電、顏色等形式呈現(xiàn)。根據(jù)其檢測信號的不同,免疫分析技術(shù)可以分為酶免疫分析、熒光免疫分析、放射性免疫分析、電化學(xué)免疫分析、免疫親和柱層析凈化-熒光光度法、免疫膠體金標(biāo)記快速檢測法。鄒茹冰等[29]探究了一種化學(xué)發(fā)光酶聯(lián)免疫分析方法,用于谷物和果蔬中對硫磷、甲基對硫磷和殺螟硫磷等農(nóng)藥的檢測,其檢測靈敏度分別為5.57、2.30和2.62 μg/kg。結(jié)果表明,該方法能滿足對硫磷、甲基對硫磷和殺螟硫磷最大殘留限量的檢測要求,為研制有機磷農(nóng)藥多殘留檢測試劑盒提供了技術(shù)依據(jù)。Davoodi等[30]采用酶聯(lián)免疫分析技術(shù)檢測環(huán)境中的氨基甲酸酯、有機磷和擬除蟲菊酯殘留含量,最低檢測限達到5.2 μg/kg,可以滿足以上3種農(nóng)藥的檢測要求。2022年中國農(nóng)科院質(zhì)標(biāo)所和北京壹拾智檢生物科技有限公司發(fā)布了茶葉中農(nóng)藥殘留家用智能快速檢測產(chǎn)品。該產(chǎn)品基于免疫層析試紙條和人工智能技術(shù),成功研制出了多種農(nóng)藥的膠體金快速檢測試紙條,用條形碼給每1張試紙條標(biāo)識身份,通過讀取圖像軟件,利用智能手機拍照對農(nóng)藥殘留進行定量分析,如檢測產(chǎn)品操作簡單、無環(huán)境污染,消費者只需將茶水放入試紙條反應(yīng),再用手機里的微信小程序拍照,即可快速獲得檢測結(jié)果,真正實現(xiàn)“即泡即測”,隨時隨地掌握所飲茶葉的農(nóng)殘含量。
免疫分析法因其靈敏、簡單、快速、成本低的優(yōu)勢受到了廣泛的關(guān)注。截至目前,國內(nèi)農(nóng)殘免疫快檢產(chǎn)品主要以膠體金免疫層析技術(shù)為主。調(diào)研發(fā)現(xiàn),國內(nèi)不同品牌用于檢測不同種類農(nóng)殘的試紙條價格基本相同,均價為15~20元/條,生產(chǎn)廠家包括北京勤邦生物技術(shù)有限公司、蘇州快捷康生物技術(shù)有限公司、武漢華美公司和青島普瑞邦公司等多家公司,檢測對象涉及毒死蜱、對硫磷、啶蟲脒、吡蟲啉等30多種農(nóng)藥。然而,免疫分析法只適用于檢測一種或一類農(nóng)藥,后續(xù)需進一步研發(fā),優(yōu)化該項技術(shù),打破這種局限性。
活體檢測法的原理是利用活的生物對環(huán)境中的農(nóng)藥殘留進行直接測定,其主要可以分為發(fā)光菌檢測法和敏感家蠅檢測法。發(fā)光菌檢測法的原理是農(nóng)藥與發(fā)光細菌作用后可使細菌的發(fā)光程度發(fā)生不同變化,通過測定細菌發(fā)光改變量,即可間接測量出農(nóng)藥殘留含量;家蠅檢測法原理是以敏感品系的家蠅作為試驗材料,對敏感家蠅進行樣品喂食后,樣品中農(nóng)藥殘留會導(dǎo)致家蠅中毒,觀察家蠅在4~6 h內(nèi)死亡率即可判定樣品中農(nóng)藥殘留含量。例如,楊永東等[31]采用活體生物監(jiān)測三氯氟氰菊酯、樂果、吡蟲啉等農(nóng)藥在甘藍中17 d的殘留降解趨勢,結(jié)果發(fā)現(xiàn)利用生物檢測法可以實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品中農(nóng)藥殘留的定性分析。
活體檢測方法雖然具有操作步驟簡單、結(jié)果分析方便的優(yōu)點,但是其缺點也十分顯著,即僅僅針對少數(shù)農(nóng)藥有反應(yīng),準(zhǔn)確性較低且只能粗糙檢測。例如,家蠅對擬除蟲菊酯類敏感,而對有機磷和氨基甲酸酯等中高毒性農(nóng)藥則不太敏感。在未來,活體檢測法應(yīng)致力于提高檢測準(zhǔn)確性和靈敏度,尋求更多活體生物用于農(nóng)藥殘留的檢測分析。
目前生物傳感器技術(shù)是農(nóng)藥殘留快速分析技術(shù)的研究熱點,其原理是通過待測農(nóng)藥和農(nóng)藥分子識別元件發(fā)生相互作用后,產(chǎn)生一些化學(xué)或物理信號變化(如發(fā)光、發(fā)熱等)。這些變化被電子設(shè)備檢測、轉(zhuǎn)換和處理,產(chǎn)生可量化的光電信號[21]。目前,最常用的農(nóng)藥殘留生物傳感器主要有酶生物傳感器、免疫生物傳感器、適配體生物傳感器。例如,Zhao等[32]建立了一種納米金/巰基甲胺磷多殘留電化學(xué)生物傳感器檢測環(huán)境中的有機磷農(nóng)藥,其線性范圍在0.1~1 500 ng/mL,最低檢測限可達0.019~0.077 ng/mL,該乙酰膽堿酯酶生物傳感器具有良好的穩(wěn)定性和重復(fù)性,實現(xiàn)了環(huán)境中有機磷農(nóng)藥總量的快速檢測。Liu等[33]創(chuàng)立了一種基于適配體的靈敏側(cè)流生物傳感器,用于快速測定食品中水胺硫磷。該方法對水胺硫磷的檢測限低至2.48 mg/L,且具有較高的選擇性。近年來,用金屬、碳基以及復(fù)合納米材料等作為電化學(xué)生物傳感器的基底材料,可以很好地解決電化學(xué)生物傳感器檢出限、靈敏度不夠高的問題。Bao等[34]基于三維石墨烯-氧化銅納米花復(fù)合結(jié)構(gòu)開發(fā)了一種用于有機磷農(nóng)藥檢測的高靈敏度電化學(xué)生物傳感器,最低檢出限可以達到0.31 ng/L。
目前,生物傳感器法的研制和應(yīng)用是農(nóng)藥殘留快速檢測技術(shù)中的熱點問題,在縮短響應(yīng)時間、促進測定方法多樣化、提高檢測靈敏度、提升儀器自動化程度等方面已取得了進步。在一些發(fā)達國家,已經(jīng)有相當(dāng)數(shù)量的生物傳感器投入到大氣、水檢測農(nóng)藥殘留含量,但目前國內(nèi)應(yīng)用數(shù)量極少,今后目標(biāo)應(yīng)加大力度發(fā)展生物傳感器應(yīng)用于我國農(nóng)藥殘留含量的檢測工作。
近年來,隨著我國對農(nóng)產(chǎn)品安全領(lǐng)域研究投入的增加,可以應(yīng)用的分析檢測技術(shù)愈加廣泛,在一定程度上促進了農(nóng)藥殘留快速檢測技術(shù)的發(fā)展,但現(xiàn)有分析技術(shù)仍然無法滿足實際檢測的需求,為此本文將從產(chǎn)業(yè)化、實時化、靈敏化3個方面對農(nóng)藥殘留快速檢測技術(shù)的發(fā)展提出建議。
農(nóng)藥殘留快速檢測技術(shù)應(yīng)用到實際生產(chǎn)中才能更有價值,能否實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化是衡量一項技術(shù)價值的重要參數(shù)。在我國已經(jīng)有山東方科、浙江托普云農(nóng)、杭州綠博、北京勤邦、蘇州快捷康等多家公司進行農(nóng)藥殘留檢測儀器和檢測試紙條的生產(chǎn)工作,這在一定程度上可以滿足蔬菜、水果、糧食、茶葉等農(nóng)藥殘留的快速檢測。隨著我國農(nóng)藥施用品種的不斷增多,現(xiàn)有快檢產(chǎn)品仍然無法全部覆蓋農(nóng)殘檢測的需求。因此,加強農(nóng)殘快檢技術(shù)的研發(fā)及成功轉(zhuǎn)化成為現(xiàn)階段的重要任務(wù)。
我國農(nóng)產(chǎn)品流通速度加快、交易量與日俱增,迫切需要現(xiàn)場出檢測結(jié)果,實時獲取檢測信息。因此,發(fā)展樣品自動制備技術(shù)和各種設(shè)備在線聯(lián)用技術(shù)提高樣品自動化快速處理和測定能力,不斷縮短檢測時間,提高檢測速度已成為當(dāng)務(wù)之急。同時,發(fā)展智能化設(shè)備通過服務(wù)器對檢測數(shù)據(jù)進分析、匯總、上傳、儲存,從而全面掌握農(nóng)殘速測結(jié)果,為農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全狀況提供重要的數(shù)據(jù)信息平臺。
目前,我國制定的農(nóng)藥殘留限量標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量不斷增加,要求不斷嚴(yán)格,這對速測方法的檢測靈敏度提出了更高的要求。部分檢測方法如光譜法、活體檢測法仍無法滿足相關(guān)要求,相關(guān)分析技術(shù)和產(chǎn)品試劑應(yīng)朝著高靈敏度方向發(fā)展。
我國農(nóng)殘快檢技術(shù)已得到了長足發(fā)展,多種多樣的檢測技術(shù)以及檢測分析儀器設(shè)備在一定程度上滿足了農(nóng)藥殘留的檢測需求,但隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展,人們的健康意識不斷提高,原有的檢測技術(shù)已經(jīng)難以滿足社會高速度發(fā)展、市場高通量檢測以及人們高質(zhì)量生活的日常需求。為了更好地保障國民食品安全,促進食品安全事業(yè)發(fā)展,未來的農(nóng)藥殘留快檢技術(shù)應(yīng)在如何改進現(xiàn)有分析技術(shù)的缺點上發(fā)力,從法律層面鼓勵科研技術(shù)的突破,促進“產(chǎn)學(xué)研”一體化系統(tǒng)的形成,形成科研技術(shù)-檢測現(xiàn)場-云端系統(tǒng)完備數(shù)據(jù)鏈,以產(chǎn)業(yè)化、實時化和靈敏化為發(fā)展目標(biāo),致力于研發(fā)國產(chǎn)快檢儀器設(shè)備,攻克關(guān)鍵技術(shù),從儀器使用大國發(fā)展成為儀器創(chuàng)制大國。相關(guān)科研工作者應(yīng)以將論文寫在祖國大地上為己任,為我國國民的食品安全提供有效保障。