丁 園，王鳴華，華修德

（南京農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院，南京 210095）

全球范圍內(nèi)，因病蟲(chóng)草等有害生物危害造成的作物產(chǎn)量損失為10%～41%[1]。農(nóng)藥作為一項(xiàng)重要的農(nóng)業(yè)投入品，可以保護(hù)作物免受有害植物、昆蟲(chóng)、細(xì)菌、真菌和嚙齒動(dòng)物的侵害，提升糧食產(chǎn)量。聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織的統(tǒng)計(jì)顯示[2]，2020年，全球農(nóng)藥使用量約為270萬(wàn)t，盡管近年來(lái)達(dá)到了平穩(wěn)期，但目前世界人口仍在穩(wěn)步增加，且全球變暖，極端天氣頻發(fā)，使得農(nóng)作物遭受病蟲(chóng)草等有害生物侵害的風(fēng)險(xiǎn)增加，因此未來(lái)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)仍然對(duì)農(nóng)藥有著巨大的需求。

農(nóng)藥的不合理使用會(huì)導(dǎo)致農(nóng)作物有農(nóng)藥殘留超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)，不僅嚴(yán)重威脅人類健康，對(duì)生態(tài)及環(huán)境安全也產(chǎn)生危害。隨著人們生活水平的普遍提升，“舌尖上的安全”受到了越來(lái)越多的關(guān)注。農(nóng)藥殘留快速檢測(cè)通常具有操作簡(jiǎn)單，成本低和高通量等特點(diǎn)，作為儀器檢測(cè)的補(bǔ)充手段，能有效提升農(nóng)藥殘留超標(biāo)“早發(fā)現(xiàn)”的能力，筑牢餐桌前的最后一道防線。面對(duì)檢測(cè)需求的增加和檢測(cè)場(chǎng)景的多樣化，農(nóng)藥殘留快速檢測(cè)逐漸與微流控、3D打印、納米科技、智能化機(jī)械及計(jì)算機(jī)等技術(shù)融合，使得農(nóng)藥檢測(cè)向小型化、數(shù)字化、自動(dòng)化、多功能化和系統(tǒng)化方向發(fā)展[3]。本文總結(jié)了近年來(lái)農(nóng)藥殘留快速檢測(cè)的智能化研究進(jìn)展，包括檢測(cè)平臺(tái)、檢測(cè)方法以及檢測(cè)結(jié)果的讀取及數(shù)據(jù)分析的智能化，對(duì)促進(jìn)農(nóng)藥的合理使用，保護(hù)人們的身體健康與環(huán)境安全具有重要意義。

1 檢測(cè)平臺(tái)的智能化

1.1 微流控生物傳感器

微流控生物傳感器是將信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)元件都集成在一張芯片上的分析裝置或系統(tǒng)，通常由流體控制、目標(biāo)識(shí)別、信號(hào)輸出三部分組成，能夠完成試劑裝載、反應(yīng)、分離到信號(hào)輸出的整個(gè)分析過(guò)程，具有微型化和自動(dòng)化的顯著特點(diǎn)[4-5]。微流控芯片的制作材料通常是硅、玻璃、聚合物、纖維素紙或以上材料組合，制備方法包括微機(jī)械切割、光刻和3D打印等[6]。需要根據(jù)具體用途及其承載的反應(yīng)物選擇制作材料及制備方法，其中聚合物基和紙基芯片因其較低的制備成本，是近年來(lái)最受歡迎的制作材料[7]。根據(jù)流體的驅(qū)動(dòng)方式，可以將其分為被動(dòng)型和主動(dòng)型。被動(dòng)型是由毛細(xì)作用驅(qū)動(dòng)液體流動(dòng)，主動(dòng)型包括壓力驅(qū)動(dòng)、離心力驅(qū)動(dòng)、電能驅(qū)動(dòng)、光能驅(qū)動(dòng)、聲波驅(qū)動(dòng)和磁力驅(qū)動(dòng)等[8]。微流控生物傳感器具有樣品和試劑消耗少，反應(yīng)效率高，生物相容性好，靈敏度高和操作簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，可以開(kāi)發(fā)熒光/發(fā)光、表面等離子共振、表面增強(qiáng)型拉曼光譜（Surface-enhanced Raman spectroscopy，SERS）、光電子集成、數(shù)字光學(xué)等類型的檢測(cè)設(shè)備[9]，已經(jīng)被廣泛用于環(huán)境污染物[5]、病原菌[10]、DNA[11]、細(xì)胞[12]和腫瘤[13]等的檢測(cè)。

微流控生物傳感器也越來(lái)越多地被用于農(nóng)藥殘留快速檢測(cè)，根據(jù)其制備材料和方式，可以將其分為兩類：芯片類型和紙基類型[5]。芯片類型的微流控裝置可以對(duì)復(fù)雜的樣品進(jìn)行精確、多線程分析，對(duì)溫度、壓力和有機(jī)溶劑有較好的適應(yīng)性，但其制備方式較為復(fù)雜，成本較高。Tahirbegi等[14]開(kāi)發(fā)了一種可以現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)水中除草劑濃度的玻璃基微流控裝置。其原理是內(nèi)吸性除草劑（敵草隆、莠去津和西瑪津）可以阻礙裝置腔室中藻類細(xì)胞在光反應(yīng)中的線性電子傳遞，從而提高細(xì)胞的內(nèi)在熒光強(qiáng)度。同時(shí)由于除草劑對(duì)藻類細(xì)胞的代謝和光合作用的影響，會(huì)導(dǎo)致氧氣濃度和pH值的差異，因此除了熒光檢測(cè)外，該裝置同時(shí)內(nèi)置了氧氣和pH的光學(xué)傳感器，可以對(duì)農(nóng)藥濃度進(jìn)行平行和互補(bǔ)的分析，該裝置可在數(shù)分鐘內(nèi)完成樣品檢測(cè)，對(duì)3種除草劑的檢測(cè)限可達(dá)到納摩爾級(jí)別，還可以重復(fù)使用。Uka等[15]建立了一種可檢測(cè)水中草甘膦的玻璃基微流控芯片，該芯片包括由7個(gè)金電極和1個(gè)鉑電極組成的微電極陣列以及1個(gè)內(nèi)體積為1 μL的微流體流動(dòng)池，使得被泵入的樣品能夠沿電極陣列流動(dòng)，該裝置對(duì)草甘膦的最低檢測(cè)限為188±39 nmol/L。

相較于芯片類型的裝置，紙基類型的微流控裝置制備簡(jiǎn)單，環(huán)境友好，液體可以通過(guò)毛細(xì)作用驅(qū)動(dòng)，無(wú)需施加外力[16]。Tong等[17]將可檢測(cè)有機(jī)磷農(nóng)藥的連級(jí)反應(yīng)整合到一個(gè)4層的紙基微流控裝置中（圖1）。其檢測(cè)原理是丁基膽堿酯酶（BChE）可以將乙酰膽堿（ATCh）水解為硫代膽堿，進(jìn)而將MnO2納米片還原為Mn2＋，有機(jī)磷農(nóng)藥能夠抑制BChE的活性，從而抑制MnO2納米片的還原，殘留的MnO2納米片將鄰苯二胺氧化為具有黃色熒光的2,3-二氨基吩嗪，淬滅碳點(diǎn)的紅色熒光。該裝置的第一層用于裝載樣品和BChE，第二層加入ATCh，第三層依次加入碳點(diǎn)和MnO2納米片，第四層用于裝載鄰苯二胺。該裝置具有響應(yīng)準(zhǔn)確，操作方便，無(wú)背景信號(hào)的優(yōu)勢(shì)，對(duì)敵敵畏的最低檢測(cè)限為1 μg/L。

圖1 四層紙基微流控裝置[17]

Li等[18]研發(fā)了一種檢測(cè)甲基對(duì)硫磷的電化學(xué)紙基微流控裝置（圖2），首先合成Fe3O4納米酶負(fù)載的碳量子點(diǎn)和對(duì)苯二甲酸銀金屬有機(jī)骨架的復(fù)合材料（Fe3O4/C-dots@Ag-MOFs），在Fe3O4/C-dots@Ag-MOFs的表面合成甲基對(duì)硫磷的分子印跡聚合物（MIP），隨后利用蠟在色譜紙表面形成親水的通道和反應(yīng)區(qū)，將微鉑絲電極、微銀/氯化銀電極、微金絲電極組成的一個(gè)三電極系統(tǒng)固定在反應(yīng)區(qū)，在反應(yīng)區(qū)滴入MIP/Fe3O4/C-dots@Ag-MOFs并干燥。在檢測(cè)時(shí)，樣品溶液會(huì)通過(guò)親水通道進(jìn)入反應(yīng)區(qū)，在-0.53 V產(chǎn)生還原電流響應(yīng)，同時(shí)該信號(hào)可進(jìn)一步被Fe3O4/C-dots@Ag-MOFs增強(qiáng)，該裝置對(duì)甲基對(duì)硫磷檢測(cè)有較好的靈敏度、特異性和準(zhǔn)確性。

圖2 基于電化學(xué)紙基微流控裝置的甲基對(duì)硫磷檢測(cè)[18]

1.2 可穿戴式檢測(cè)設(shè)備

近年來(lái)，可穿戴式的檢測(cè)設(shè)備在醫(yī)療健康領(lǐng)域得到廣泛的關(guān)注與應(yīng)用，它能夠?qū)?xì)胞間質(zhì)液、汗液、尿液和淚液中的生理生化指標(biāo)、藥物等進(jìn)行非侵入式、實(shí)時(shí)和連續(xù)的監(jiān)測(cè)，從而提供個(gè)性化醫(yī)療建議[19]。同時(shí)，可穿戴式檢測(cè)也符合“智慧農(nóng)業(yè)”的管理理念，使用可穿戴式傳感器對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的指標(biāo)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)已成為一種趨勢(shì)，比如微氣候、農(nóng)藥濃度、植物生長(zhǎng)狀態(tài)、病蟲(chóng)侵害、土壤性質(zhì)和照明度等。它可以提供有關(guān)植物健康的有用信息，明確植物生長(zhǎng)需求，從而對(duì)生產(chǎn)程序進(jìn)行精準(zhǔn)的調(diào)整，而且由于上述參數(shù)可能在一個(gè)溫室（或田地）中的每個(gè)地點(diǎn)都不同，因此在溫室（或田地）中的不同地點(diǎn)配備可穿戴設(shè)備可以了解作物整體情況[20]。

目前，可穿戴式檢測(cè)已被用于農(nóng)藥殘留檢測(cè)，已報(bào)道的設(shè)備均基于電化學(xué)傳感器，可將其分為“植物穿戴”型和檢測(cè)人員的“手指穿戴”型。Zhao等[21]研制了一種檢測(cè)作物表面有機(jī)磷農(nóng)藥殘留的植物可穿戴設(shè)備（圖3A）。該設(shè)備是基于激光誘導(dǎo)石墨烯的柔性三電極體系，其可伸縮延展的特性能夠適用于作物的不規(guī)則表面；并將有機(jī)磷水解酶固定在電極表面，用于甲基對(duì)硫磷的特異性識(shí)別，為增強(qiáng)分析性能，電極上又被進(jìn)一步修飾了納米金。檢測(cè)時(shí)，在傳感區(qū)域上覆蓋明膠半固態(tài)電解質(zhì)，將上述處理好的傳感器粘貼在目標(biāo)表面，利用手持式電化學(xué)工作站檢測(cè)電化學(xué)行為，使用方波伏安法進(jìn)行農(nóng)藥濃度的分析。Paschoalin等[22]使用低成本、環(huán)境友好型的聚乳酸纖維墊作為材料開(kāi)發(fā)了一款檢測(cè)多菌靈和敵草快的植物可穿戴設(shè)備（圖3B）。以蘋果和卷心菜作為檢測(cè)對(duì)象，在其表面滴加1 mL磷酸緩沖液后，將可穿戴設(shè)備覆蓋在上面，記錄差分脈沖伏安（多菌靈）和方波伏安（敵草快）數(shù)據(jù)進(jìn)行農(nóng)藥濃度的分析。研究人員同時(shí)比較了聚乳酸纖維和聚酯纖維作為制備材料的分析性能，結(jié)果表明以聚乳酸纖維為材料的設(shè)備具有更高的靈敏度。

圖3 基于植物可穿戴設(shè)備的有機(jī)磷（A）[21]、多菌靈和敵草快（B）的電化學(xué)檢測(cè)裝置[22]

Mishra等[23]研制了一種檢測(cè)有機(jī)磷農(nóng)藥的手指穿戴設(shè)備（圖4A）。該設(shè)備被置于紫色丁腈手套表面，包括作為“感應(yīng)手指”的食指和作為“采集手指”的拇指?！案袘?yīng)手指”包括印刷在手套表面的三層彈性油墨，底層是由Ag/AgCl顆粒和Ecoflex彈性材料組成的銀覆蓋層，可以承受高度的應(yīng)變和拉伸，該層既可作為參比電極，也作為蛇形連接器將手套與手持式微型恒電位儀連接；第二層是彈性苯乙烯-異戊二烯共聚物的碳素油墨，作為工作電極和輔助電極，其中工作電極上修飾了有機(jī)磷水解酶，用于有機(jī)磷農(nóng)藥的識(shí)別；第三層是透明可拉伸的絕緣體，用于覆蓋下層蛇形連接器，并展示出傳感區(qū)和觸點(diǎn)墊?！安杉种浮鄙嫌梢粋€(gè)直徑1 cm的可拉伸碳素油墨圓形墊組成，能夠承受住在不同表面上滑動(dòng)采樣時(shí)的機(jī)械應(yīng)力。在檢測(cè)時(shí)，用拇指輕輕摩擦物品表面，將殘留的農(nóng)藥收集在碳片上，在食指上滴入4滴半固態(tài)凝膠電解質(zhì)后，與拇指接觸形成一個(gè)完整的電路，利用方波伏安法檢測(cè)農(nóng)藥濃度。Raymundo-Pereira等[24]研制了一種能夠特異性檢測(cè)多菌靈、敵草隆、百草枯和殺螟硫磷的手指穿戴型檢測(cè)設(shè)備（圖4B）。4種農(nóng)藥分別由位于手套表面食指、中指和無(wú)名指上的3個(gè)傳感器進(jìn)行檢測(cè)：多菌靈由食指上包被碳球殼的碳電極作為工作電極進(jìn)行檢測(cè)，其會(huì)在差分脈沖伏安圖的0.57 V處產(chǎn)生可用于定量分析的氧化峰；敵草隆的檢測(cè)由中指上包被Printex碳納米球的碳電極實(shí)現(xiàn)，其會(huì)在差分脈沖伏安圖的0.79 V處產(chǎn)生可用于定量分析的氧化峰；百草枯和殺螟硫磷的檢測(cè)均由無(wú)名指上硫酸預(yù)處理的碳電極實(shí)現(xiàn)，在方波伏安圖上，百草枯和殺螟硫磷能夠分別在-0.68 V和-0.15 V處產(chǎn)生可用于定量分析的氧化峰。利用鱷魚(yú)夾將電極與恒電位儀上的柔性電纜連接，檢測(cè)時(shí)，在物體表面滴上pH 7.0 0.1 mol/L的磷酸鹽緩沖液后，直接用手套觸碰物體表面即可。

圖4 基于指尖穿戴設(shè)備的有機(jī)磷（A）[23]、多菌靈、敵草隆、百草枯和殺螟硫磷（B）的電化學(xué)檢測(cè)裝置[24]

1.3 全自動(dòng)ELISA工作站

酶聯(lián)免疫吸附分析（Enzyme-linked immunosorbent assay，ELISA）已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于農(nóng)藥殘留快速檢測(cè)。它的基本策略是將抗體或抗原包被在微孔中與待測(cè)物進(jìn)行特異性結(jié)合，在經(jīng)過(guò)孵育、洗滌后，通過(guò)酶促反應(yīng)產(chǎn)生的有色生成物的量，計(jì)算待測(cè)物的含量[25]。ELISA的分析步驟包括數(shù)輪的“加樣-孵育-洗板”程序，通常需要數(shù)小時(shí)才能完成一次分析，期間實(shí)驗(yàn)人員必須留在實(shí)驗(yàn)臺(tái)周圍，并在需要進(jìn)行下一步操作時(shí)中斷其他任務(wù)，對(duì)于需要進(jìn)行高通量分析的實(shí)驗(yàn)室，則需要更多的操作人員來(lái)完成。另一方面，ELISA分析中孵育時(shí)間以及加樣、洗滌的操作對(duì)于檢測(cè)結(jié)果的可重復(fù)性和準(zhǔn)確性十分重要，因此檢測(cè)結(jié)果可能因操作人員的不同而存在差異。

針對(duì)以上問(wèn)題，將ELISA程序自動(dòng)化的優(yōu)勢(shì)顯而易見(jiàn)，它能減少實(shí)驗(yàn)人員，擺脫重復(fù)性的任務(wù)，且能提高檢測(cè)的通量、可重復(fù)性和準(zhǔn)確性。ELISA高度模塊化的程序使得它十分適合于開(kāi)發(fā)全自動(dòng)化系統(tǒng)，很多儀器公司都推出了全自動(dòng)ELISA工作站。表1總結(jié)了目前市場(chǎng)上主流的ELISA工作站，通常包括移液、孵育、洗板和讀數(shù)4個(gè)模塊，能夠完成樣品稀釋、加樣、孵育、洗板、讀數(shù)和數(shù)據(jù)分析等ELISA的所有操作程序，有些系列中還有配置了光電倍增管或熒光檢測(cè)器的型號(hào)，用于化學(xué)發(fā)光酶免疫分析（如Gold Standard Diagnostics 公司的The BOLT 和ThunderBolt的CL型號(hào)）或熒光免疫分析（如樂(lè)普醫(yī)療的ADC FIA系列）?？梢愿鶕?jù)每天要處理的樣品數(shù)量來(lái)選擇工作站類型，低通量系統(tǒng)的工作站通常只能處理單個(gè)微孔板，但價(jià)格合理，儀器占地面積小，維護(hù)相對(duì)容易，中通量系統(tǒng)能夠同時(shí)處理2～3個(gè)微孔板，高通量系統(tǒng)可以同時(shí)處理4個(gè)或更多，中、高通量系統(tǒng)適用于那些每天需要進(jìn)行多個(gè)微孔板或高通量分析的實(shí)驗(yàn)室、檢測(cè)機(jī)構(gòu)和醫(yī)院。

表1 ELISA 全自動(dòng)工作站

2 檢測(cè)方法的智能化

分子邏輯門是一項(xiàng)十分有前景的智能傳感技術(shù)[26]，它模擬了計(jì)算機(jī)的二進(jìn)制運(yùn)算，將生物分子作為輸入，從而產(chǎn)生不同的輸出信號(hào)。使用二進(jìn)制代碼來(lái)定義輸入和輸出的狀態(tài)：輸入的無(wú)和有分別定義為0和1，而高于或低于某個(gè)閾值的輸出信號(hào)則分別定義為1和0。根據(jù)真值表的排列，不同的輸入組合會(huì)產(chǎn)生不同的輸出。目前，應(yīng)用于農(nóng)藥檢測(cè)的邏輯門報(bào)道較少，僅Yan等[27]建立基于CRISPR-Cas12a檢測(cè)啶蟲(chóng)脒（Acetamiprid，ACE）和莠去津（Atrazine，ATR）的分子邏輯門。如圖5A所示，農(nóng)藥和適配體的特異性結(jié)合觸發(fā)了兩個(gè)發(fā)夾DNA探針之間的自組裝，并通過(guò)DNA回路中循環(huán)支點(diǎn)介導(dǎo)的鏈位移，形成含有PAM序列的dsDNA產(chǎn)物，該產(chǎn)物可以在crRNA的幫助下被CRISPR-Cas12a識(shí)別，隨后兩端修飾FAM和BHQ的ssDNA被Cas12a切割，從而產(chǎn)生高強(qiáng)度熒光信號(hào)用于農(nóng)藥的檢測(cè)?；谏鲜鲈?，通過(guò)改變DNA探針的序列，研究人員設(shè)計(jì)了以ACE和ATR為輸入的信號(hào)的“OR”（圖5B）、“AND”（圖5C）、“XOR”（圖5D）和“INHIBIT”（圖5E）4個(gè)邏輯門，分別表示（1）至少存在一種農(nóng)藥的輸入（0，1；1，0；1，1）；（2）存在兩種農(nóng)藥輸入（1，1）；（3）有且只有一種輸入（0，1；1，0）；（4）僅有ACE輸入（1，0），以上4種情況產(chǎn)生高于閾值的輸出信號(hào)。分子邏輯門具有多通道計(jì)算能力，可以用于構(gòu)建邏輯檢測(cè)平臺(tái)，通過(guò)邏輯計(jì)算和真值表實(shí)現(xiàn)對(duì)不同目標(biāo)的智能分析，這種智能決策的特性使得分子邏輯門可用于環(huán)境、食品和臨床樣品中各種污染物的同時(shí)篩選檢測(cè)。

圖5 啶蟲(chóng)脒和莠去津檢測(cè)原理示意圖（A）及分子邏輯門“OR”（B）、“AND”（C）、“XOR”（D）和“INHIBIT”（E）[27]

3 檢測(cè)結(jié)果讀取和數(shù)據(jù)分析智能化

3.1 智能手機(jī)檢測(cè)

近20年來(lái)，智能手機(jī)在人群中普及率逐年提高，且功能日益強(qiáng)大。高清攝像頭的配備以及處理器能力的提升使得智能手機(jī)能夠在檢測(cè)中作為一個(gè)便攜、智能的圖像采集和數(shù)據(jù)處理設(shè)備。其原理通常是將待測(cè)物質(zhì)或其反應(yīng)產(chǎn)生的光信號(hào)、電信號(hào)或顏色特征以圖片的形式進(jìn)行采集，將所采集到的圖片經(jīng)過(guò)專門的圖片處理軟件或者通過(guò)智能手機(jī)上安裝的APP程序，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的量化，最終讀出數(shù)據(jù)結(jié)果[28]。

由于更加輕巧、便攜且操作者無(wú)需專門培訓(xùn)就能熟練掌握的優(yōu)勢(shì)，智能手機(jī)已經(jīng)與各種農(nóng)藥殘留快速檢測(cè)技術(shù)聯(lián)用，將其按照信號(hào)種類可分為：（1）比色法檢測(cè)[29-31]。如Ruan等[32]建立了一種以Au@PtPd為示蹤物的競(jìng)爭(zhēng)測(cè)流免疫層析（LFIA），用于檢測(cè)莠去津的代謝產(chǎn)物二氨基氯三嗪，除了像常規(guī)LFIA一樣，根據(jù)Au@PtPd在檢測(cè)線處累計(jì)顏色的深淺來(lái)判斷分析物的濃度外，Au@PtPd還具有類過(guò)氧化物酶活性，檢測(cè)線還可以被剪下加入TMB顯色液中進(jìn)行催化顯色反應(yīng)。研究人員利用3D打印技術(shù)制備了一個(gè)便攜、低成本的智能手機(jī)雙功能光學(xué)平臺(tái)，可以對(duì)上述的兩種信號(hào)進(jìn)行定量檢測(cè)。該裝置包括（圖6A）：①放置光源的外殼；②8孔板條適配器和試紙條適配器；③光學(xué)暗盒；④鏡子，組裝后的裝置的尺寸為96 mm×90 mm×41 mm，成本不到5美元。將反應(yīng)后的試紙或者8孔板條放到對(duì)應(yīng)的適配器中，用智能手機(jī)拍照后導(dǎo)入Colorimeter軟件分析信號(hào)強(qiáng)度，智能手機(jī)的分析結(jié)果與商業(yè)讀條儀/酶標(biāo)儀的分析結(jié)果之間也表現(xiàn)出較好的一致性。（2）熒光檢測(cè)[33-35]。如Fahimi-Kashani等[36]建立了一種檢測(cè)甲基對(duì)硫磷的比率熒光探針，探針由溴化十六烷基三甲銨（Cetyltrime-thyl ammonium bromide，CTAB）覆蓋的碲化鎘（Cadmium telluride，CdTe）量子點(diǎn)和作為參比信號(hào)的藍(lán)色碳點(diǎn)組成，甲基對(duì)硫磷能夠通過(guò)CTAB介導(dǎo)的電子轉(zhuǎn)移淬滅CdTe量子點(diǎn)的熒光，隨著甲基對(duì)硫磷濃度的增加，體系的顏色經(jīng)歷“橘-粉-紫-藍(lán)”的變化。使用智能手機(jī)捕獲96孔熒光微孔板中的檢測(cè)圖像（圖6B），用圖像的色調(diào)值進(jìn)行定量分析，色調(diào)值與甲基對(duì)硫磷濃度呈負(fù)相關(guān)，質(zhì)量濃度為0.1～7 μg/mL，最低檢測(cè)線為0.06 μg/mL，顯著提升了視覺(jué)檢測(cè)的靈敏度。（3）發(fā)光檢測(cè)[37-39]。Ding等[40]建立氯噻啉生物發(fā)光試紙條，將納米熒光素酶與氯噻啉的模擬表位多肽融合表達(dá)作為雙功能檢測(cè)試劑，通過(guò)T線處納米熒光素酶的發(fā)光強(qiáng)度對(duì)氯噻啉濃度進(jìn)行定量分析。研究人員利用3D打印技術(shù)制備了適用于智能手機(jī)的檢測(cè)配件（圖6C），包括一個(gè)放置試紙條的暗盒以及一個(gè)將暗盒與智能手機(jī)連接的適配器，在檢測(cè)結(jié)束后，使用智能手機(jī)的攝像頭通過(guò)光學(xué)窗口拍攝檢測(cè)圖片進(jìn)行灰度值分析。

圖6 3D 打印制備的雙功能光學(xué)智能手機(jī)檢測(cè)設(shè)備（A）[32]、智能手機(jī)捕獲的熒光檢測(cè)圖像（B）[36]及3D 打印制備的生物發(fā)光試紙的智能手機(jī)檢測(cè)配件（C）[40]

3.2 智能化SERS光譜分析

表面增強(qiáng)型拉曼光譜（Surface-enhanced Raman spectroscopy，SERS）是一種新興超靈敏檢測(cè)技術(shù)，同時(shí)具有操作簡(jiǎn)單，檢測(cè)時(shí)間短等優(yōu)勢(shì)，它能夠根據(jù)分析物的振動(dòng)頻率和強(qiáng)度特征，描繪分析物特有的“光譜指紋”[41-42]。對(duì)于在檢測(cè)中獲得的原始光譜，需要在保留能夠區(qū)分其他物質(zhì)信息的基礎(chǔ)上，提取待測(cè)物的光譜特征。在農(nóng)藥殘留檢測(cè)中，通常利用待測(cè)農(nóng)藥拉曼峰的強(qiáng)度（或面積）與農(nóng)藥濃度之間的線性關(guān)系進(jìn)行定量分析[43]。但實(shí)際檢測(cè)時(shí)，檢測(cè)體系中不同組分的光譜信號(hào)可能會(huì)相互重疊，給定量分析的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性帶來(lái)挑戰(zhàn)。機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)可以顯著提高定量分析的準(zhǔn)確性，目前，主流的光譜分析方法包括偏最小二乘法、支持向量回歸、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。機(jī)器學(xué)習(xí)能夠從化學(xué)混合物復(fù)雜且龐大的SERS光譜數(shù)據(jù)集中提取大量的信息，用于訓(xùn)練識(shí)別SERS光譜中的特征峰，并給其一個(gè)能夠與被測(cè)物相對(duì)應(yīng)的標(biāo)簽[44]。目前，很多SERS傳感器均使用了機(jī)器學(xué)習(xí)法[45-47]。如Sanaeifar等[48]同時(shí)使用電子鼻和共聚焦拉曼定量檢測(cè)茶葉中的毒死蜱，對(duì)單個(gè)數(shù)據(jù)集和融合數(shù)據(jù)集建立人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，并將兩種技術(shù)的信號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)方法得到的農(nóng)藥濃度進(jìn)行相關(guān)性分析。此外，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種分析多維數(shù)據(jù)的深度學(xué)習(xí)方法。Zhu等[49]將一維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的深度學(xué)習(xí)方法與SERS相結(jié)合用于檢測(cè)茶葉中的農(nóng)藥殘留，并將該方法與常用的4種鑒定方法比較，該方法表現(xiàn)出了更好的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和靈敏度。由于深度學(xué)習(xí)需要大量的樣本訓(xùn)練和測(cè)試來(lái)保證其準(zhǔn)確性和泛化性能，目前只有少數(shù)研究使用深度學(xué)習(xí)算法。

3 總結(jié)

隨著計(jì)算機(jī)、3D打印、人工智能和納米科學(xué)等技術(shù)的興起和發(fā)展，農(nóng)藥殘留檢測(cè)技術(shù)也逐漸與之融合，多種技術(shù)的集成使檢測(cè)進(jìn)一步高通量化、小型化和便攜化，滿足“智慧農(nóng)業(yè)”對(duì)農(nóng)藥殘留快速檢測(cè)的需求。但總體上看，目前農(nóng)藥殘留檢測(cè)的智能化尚處于初期階段，檢測(cè)與智能技術(shù)的深度融合仍在探索中。未來(lái)的農(nóng)藥殘留檢測(cè)會(huì)進(jìn)一步結(jié)合人工智能、云計(jì)算、納米科技等技術(shù)，用新技術(shù)優(yōu)化檢測(cè)設(shè)備和裝置，為海量復(fù)雜檢測(cè)數(shù)據(jù)的分析提供支持，其發(fā)展必將是多學(xué)科、多領(lǐng)域研究的結(jié)合，繼續(xù)向智能化、自動(dòng)化、便攜化、數(shù)字化方向發(fā)展。