氨基甲酸酯类农药检测用免疫传感器的研究baar.docx
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1、氨基甲酸酸酯类农农药残留留检测用用免疫传传感器的的研究The StuddyoffImmuunossenssor onCCarbbamaatePPestticiidessResiidueeDeteectiion摘要:近近年来,食食品生物物安全问问题越来来越受到到各国政政府和百百姓的重重视,寻寻找一种种优良的的检测方方法成为为当前食食品安全全监督部部门的当当务之急急。农药药残留成成为危害害食品安安全的重重要问题题之一,这这就对食食品农药药残留的的快速检检测提出出高要求求。生物物传感器器技术具具有快速速、灵敏敏、特异异、简便便等特点点,在食食品检测测领域具具有广阔阔的应用用前景,因因此生物物传感器器
2、作为一一种新的的检测分分析工具具,在检检测食品品农残中中具有广广泛的应应用前景景。本文文主要介介绍免疫疫传感器器的特点点、优点点、国内内外的研研究现状状、存在在的问题题及我们们要研究究的氨基基甲酸酯酯类农药药检测用用免疫传传感器的的内容和和预期达达到的效效果。关键词:农药残残留;生生物传感感器;检检测Absttracct:IIn rreceent yeaars,govvernnmennts andd peeoplle ppaidd moore atttenttionn too prrobllem of foood bbio-saffetyy. FFinddingg ann exxcelllen
3、nt mmethhodtto ssolvve tthesse pprobblemms bbecoomess an urrgennt wworkk inn foood saffetyy suuperrvissionn deeparrtmeentss. The onee off thhe mmostt immporrtannt pprobblemms ffor harrminng ffoodd saafetty iis tthe pessticcidee reesidduess, aand a rrapiid ddeteectiion of pessticcidee reesidduess inn
4、 foood makke hhighh deemannds. Beecauuse of thee exxperrt, sennsittivee, qquicck-rrespponddinggreaactiion andd siimplle,bbiossenssor is widdelyy apppliied in thee foood anaalyssis. So biioseensoor aas aa noovell deetecctioon aand anaalyssis toools aree wiidelly uusedd inn deetecctioon oof ppestticii
5、de ressiduues in foood. In thiis ppapeer, thee chaaraccterristticss, tthe advvanttagee, rreseearcch hhomee annd aabrooad, oppen queestiionss off immmunoosennsorr, ass weell as thee sttudyy off immuunossenssor onccarbbamaate pestticiidess deteectiionwweree diiscuusseed.Keywwordd:carbbamaateppestticii
6、de ressiduue;immmunoosennsorr;dettecttionn引言农药是重重要的农农业生产产资料,在在农产品品生产中中对病、虫虫、草等等危害的的防治有有着不可可替代的的作用,由由于使用用农药我我国每年年仅粮食食一项就就挽回损损失约占占总产量量的7%。 由由此可见见,农药药的发明明和使用用给农业业生产带带来了革革命性的的变化,而且在农业生产中发挥着越来越重要的作用。虽然农药在我国农业生产中有着不可替代的作用,但由于农药的不合理使用,导致很多农产品中农药残留超标,这严重威胁了人类的饮食安全1。农药残留是农药使用后一个时期内没有被分解而残留于生物体、收获物、土壤、水体、大气中的
7、微量农药原体、有毒代谢物、降解物和杂质的总称,不仅对环境造成了极大的污染,同时,通过食物链的富集作用,进入人体,对人体产生各种危害。1.氨基基甲酸酯酯类农药药残留检检测用免免疫传感感器研究究的意义义食品安全全问题除除了作为为重大公公共卫生生问题外外,也是一一个社会会问题,涉及到到管理监监督水平平、食品品生产经经营者的的素质、全全社会消消费观念念等。然然而,长期存存在的科科技“瓶颈”是影响响我国食食品安全全的重要要因素。为为了能够够改善我我国食品品安全现现状、减减少食源源性疾病病的发病病率、更更有效的的对市场场进行卫卫生监管管,对于关关键检测测技术的的研究非非常重要要。1.1农农药残留留的传统统
8、检测方方法农药残留留分析既既要有精精细的微微量操作作手段,又又需要高高灵敏度度的痕量量检测技技术。经经典的分分析方法法,如液液相色谱谱(LCC)、气气相色谱谱(GCC)以及超超临界流流体层析析等分析析方法。目目前实验验室使用用最多的的农药检检测方法法是高效效液相色色谱法(HPLLC)和气象象色谱-质谱(GC-MS)以及特特异性检检测如电电子捕捉捉检测、氮氮磷检测测已与质质谱分析析法结合合并应用用于农药药残留包包括主要要的农药药代谢物物和降解解物分析析2-4。这这些分析析方法虽虽然具有有高选择择性,但但是操作作繁琐、耗耗时长、成成本高,并且要求对样品进行预浓缩和衍生处理,难以得到广泛的应用。因此
9、,人们迫切需要快速、可靠、经济和适合于现场应用的快速检测方法。于是,廉价、快速、可信、敏感的生物传感器应运而生。与传统的分析方法相比,生物传感器具有如下特点:待测的样品不用经过预先处理,,除缓冲液外无需其他试剂,可以同时对样品进行分离和检测。专一性强,只对特定的底物起反应,而且不受颜色、浊度的影响。分析速度快,可以在一分钟得到结果。准确度高,一般相对误差可以达到1。操作系统比较简单,可以实现连续监侧,容易实现自动分析成本低,在连续使用时,每例测定仅需要几分钱人民币。有的生物传感器能够可靠地指示微生物培养系统内的供氧状况和副产物的产生。敏感物质经固定化可重复使用。响应快,样品用量微传感器连同侧定
10、仪的成本远低于大型分析仪器,便于推广普及1-3。1.2生生物传感感器简介介根据生物物传感器器中分子子识别元元件即敏敏感元件件用于农农药残留留的生物物传感器器可分为为五类:酶传感感器(enzzymeesennsorr),微生物物传感器器(miccrobbiallsennsorr),压电电生物传传感器(piezzoessenssor)和免疫疫传感器器(immmunoolseensoor),显而而易见,所应用的敏感材料依次为酶、微生物个体、抗原和抗体。免疫传感器是根据抗原和抗体特异性结合所引发的免疫反应的原理研制成的传感器。相对于强特异性的免疫传感器而言前几种生物传感器分别存在,酶的价格较高、稳定性
11、稍差;稳定性和选择性不高;增加了操作时间,蛋白质活性在干燥过程易受到损害,更突显了免疫传感器的优越性。免疫反应一般难以检测到小分子物质,通常用荧光素、放射性同位素或酶等物质来标记抗原或抗体,然后用现代测试仪器检测。免疫分析分类方法较多,按标记技术的不同可分为酶联免疫吸附分析法、生物发光免疫分析、荧光标记免疫分析及化学发光免疫分析等;按反应体系物理状态的不同可分为均相免疫分析和非均相免疫分析。电化学免疫传感器是生物技术和电化学技术相结合的产物,而免疫感受器在检测过程中只有抗体和抗原污染物结合没有化学反应,需要其他体系帮助才能完成信号的转换和放大5-7,在早期的免疫传感器中较多的使用酶标抗体或抗原
12、,但是酶标的步骤繁琐,且酶易失活,研究一种无标记得电化学免疫传感器受到很多学者的重视。1.3氨氨基甲酸酸酯类农农药残留留检测用用免疫传传感器研研究的目目的本研究重重点研究究了无标标记免疫疫传感器器的设计计方法如如应用了了自组装装技术,凝凝胶溶胶胶技术,定定向固定定技术,纳纳米固定定技术等等将无标标记的抗抗原或抗抗体固定定在电极极上,优优化出最最适宜的的固定方方法,进进一步降降低检测测限,并并应用于于果蔬中中农药残残留的检检测。在在目前的的研究基基础上免免疫传感感器的发发展还存存在很多多问题:为了保保证生物物传感器器的高稳稳定性和和高灵敏敏度,应应当使尽尽可能多多的高特特异性抗抗体或抗抗原分子子
13、与固相相载体结结合。为为了缩短短生物传传感器的的感应时时间,延延长使用用寿命,如何将基膜尽可能的做薄则成为另一个难题;如何使生物传感器在使用环境中更加稳定也需要进一步的研究。2. 该该领域目目前的国国内外研研究水平平和发展展趋势免疫分析析法(LLnmuunoaassaay)正正是基于于抗原和和抗体特特异性结结合前后后物理和和化学性性质的变变化建立立的分析析方法。免免疫传感感器是根根据抗原原和抗体体特异性性结合所所引发的的免疫反反应的原原理研制制成的传传感器。免疫生生物传感感器以免免疫生物物分子作作为识别别元件,通通过固定定化技术术将免疫疫蛋白结结合到感感受器表表面,发发生免疫疫识别反反应后,生
14、生成的免免疫复合合物与产产生的物物理或化化学信号号相关联联,由换换能器将将其转化化为与待待测物质质浓度(或活度度)有关关的可定定量或者者可处理理的物理理化学信信号,如如电信号号、光信信号或者者声波信信号等,再再通过二二次仪表表放大并并且输出出信号,从从而可实实现对待待测分子子的快速速灵敏检检测。因因此免疫疫生物传传感器主主要由生生物识别别系统(感受器器)和换换能器等等元件组组成。由由于生物物传感器器在临床床医学、环环境和食食品工业业等方面面都有重重要用途途,以及及其具有有体积小小、精度度高、专专一度强强、灵敏敏度高、检检测快速速方便、成成本低和和容易实实现实时时在线活活体检测测等优点点,己成成
15、为当前前研究的的热点课课题之一一。2.1国国内研究究现状西南大学学的袁若若课题组组在免疫疫传感器器方面的的研究较较为系统统,该课课题组研研究了无无标记免免疫传感感器的多多种固定定材料,首首先基于于纳米材材料如:纳米金金、铁氰氰化镍纳纳米颗粒粒、二氧氧化硅-亚甲基基蓝纳米米复合物物、碳纳纳米管、纳纳米银等等纳米材材料的优优异的电电子传输输能力,以以此为基基础的固固定方法法近期研研究较多多;其次次研究了了几种基基于分子子膜如:有机-无机氧氧化还原原复合膜膜、纳米米结构功功能膜、功功能化壳壳聚糖生生物复合合膜、NNafiion膜膜等应用用于固定定的材料料。从另另一个大大方面来来说,该该课题组组研究了
16、了免疫传传感器的的多种检检测方法法如:应应用于检检测目标标物的电电位型免免疫传感感器,电电流型免免疫传感感器和酶酶电流型型免疫传传感器。使使用了包包括电沉沉积媒介介体、电电聚合、层层层自组组装、多多层自组组装、静静电吸附附技术制制备了系系列的无无标记的的免疫传传感器用用于抗原原浓度的的检测7-114。中山大学学的蔡沛沛祥课题题组在无无标记免免疫传感感器方面面的研究究的成果果也较为为突出,研研究了酶酶和其它它分子的的生物杂杂化膜、双双层类脂脂膜、自自组装膜膜和凝胶胶溶胶膜膜为基础础的免疫疫传感器器。其中中特别是是凝胶溶溶胶技术术和改进进的可再再生凝胶胶溶胶技技术因其其制作简简单,通通过优化化影响
17、免免疫反应应的多种种因素如如:电解解质、ppH、温温度等,可可得到系系列稳定定性较高高的免疫疫传感器器用于目目标物的的检测14-15。宁波大学学的干宁宁研究组组利用多多层自组组装技术术制作了了一系列列的安培培型免疫疫传感器器,主要要用于农农产品和和水产品品中的真真菌毒素素(黄曲曲霉毒素素)和抗抗生素的的检测。另另外在医医学上应应用的传传感器的的制作也也有一定定得成绩绩,在电电极的再再生和一一次性使使用的成成本较低低的免疫疫传感器器方面也也有进展展166。中国科学学院电子子学研究究所传感感技术联联合国家家重点实实验室边边超课题题组对免免疫传感感器做了了大量的的研究,主主要在免免疫微传传感器和和免
18、疫微微传感芯芯片方面面研究,其其中包括括了电位位型和电电流型微微传感器器,采用用了电聚聚合膜、凝凝胶溶胶胶、蛋白白A定向固固定等技技术制的的稳定的的免疫传传感器用用于了医医学、食食品安全全等许多多方面的的检测17。江南大学学的孙秀秀兰等人人对无标标记的阻阻抗性电电化学免免疫传感感器进行行了研究究188,优优化了初初始电位位、抗体体固定质质量、抗抗原抗体体孵育时时间等,进进而得到到了性能能可靠的的免疫传传感器。在在溶胶凝凝胶和自自组装方方面也进进行了研研究。浙江大学学的应义义斌研究究了压电电免疫传传感器在在电极表表面固定定有机磷磷单克隆隆抗体,使使用直接接免疫的的方法检检测有机机磷农药药的残留留
19、,对多多种固定定方法进进行比较较,在00.000510 g/mL 范围内内呈现良良好的线线性范围围,其检检测限为为2.1161103g/mL19。此研研究为国国内使用用直接免免疫方法法检测农农药残留留的典型型例子。2.2国国外研究现现状Yanbbin Li20-22 课题题小组研研制了一一系列的的无标记记的阻抗抗型的免免疫传感感器用于于致病菌菌等方面面的检测测,其研研究了叉叉指型阵阵列微电电极传感感器的制制备及应应用,并并使用阻阻抗方法法为检测测方法。在在具体的的组装过过程中使使用磁性性纳米微微粒材料料,得到到了较理理想的检检测限。Enriiquee233-266在免免疫传感感器方面面也做了了
20、大量的的研究,在在农药残残留检测测中做了了莠去津津的检测测,其课课题组使使用的是是叉指型型电机,为为了扩大大免疫传传感器的的响应电电流使用用纳米金金标记的的抗体,也也使用了了固定抗抗原的方方法,对对实验进进行了一一系列的的优化,进进而得到到了23g/L。Manii277利用标标记了磁磁珠的抗抗体研制制了超灵灵敏的免免疫传感感器,利利用的磁磁珠的直直径大约约是11033mm,对对待侧样样品的最最低检测测限达到到5 ffg,灵灵敏度是是已研究究方法的的8倍。其其免疫传传感器的的制作过过程如下下:此方法同同ELIISA和和仪器分分析的结结果相比比较吻合合度较好好。 Ronnghuui WWangg2
21、88 对对叉指型型阵列电电极的研研究较多多,基于于阻抗型型制作的的叉指型型阵列微微电极作作为一种种新颖的的具有高高灵敏度度和高特特异性的的方法应应用于医医学等其其它方面面的研究究,研究究中表明明了微电电极的电电阻随着着蛋白AA的固定定,抗体体在电极极表面的的固定和和辣根过过氧化物物酶(HHRP)对对免疫传传感器的的封闭步步骤的进进行而逐逐步扩大大,在抗抗原和抗抗体的特特异性反反应中电电阻值进进一步扩扩大,况况且扩大大值与待待测物的的浓度成成比例,从从而得到到待测物物的浓度度。此研研究的优优很突出出,首先先使用在在电阻测测量方面面有优势势的插指指型阵列列微电极极,可以以起到放放大信号号,缩小小非
22、特异异性吸附附和减少少测量时时间的作作用;其其次利用用蛋白AA的定向向固定方方法可以以最大量量的把抗抗体固定定在电极极表面,并并且可以以使抗体体呈现定定向固定定可以更更有效的的吸附抗抗原。其其组装方方法图如如下: 从图中中可以看看出步骤骤较为简简便,可可控制和和可操作作性较强强。应用用阻抗图图谱描述述了组装装效果,使使用原子子力显微微镜(AAFM)研研究抗体体抗原的的特异性性结合,其其线性检检测范围围从1003到1077 EIID500/mll,检测测限为1103 EIID500/mll。Jun Okuuno29研究了了单壁碳碳纳米管管(SWNNTs)的特性性及在无无标记的的电化免免疫传感感器
23、中的的应用,在在此实验验中使用用查分伏伏安法(DDPV)为为检测方方法,其其目标检检测物前前列腺抗抗原的检检测限达达到0.25 ng/mL。由由于SWWNTss独特的的、特定定的电学学和机械械学特性性经常被被用于免免疫传感感器的设设计中。近些年来来生物传传感器的的发展一一直紧随随着新材材料的进进展,在在Fanng330的的文献中中使用了了介电材材料钛酸酸钡,使使用溶胶胶凝胶技技术在电电极上形形成一层层薄的衍衍生非结结晶型钛钛酸钡(BST)薄膜,在制作传感器的过程中应用溶胶凝胶技术联合自组装技术共同应用,使用阻抗的方法进行测量,并对实验条件如:电解液的浓度、抗体的浓度、pH进行了优化,最终得到的
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