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农药残留物光电测定仪

周志恒

2017年1月8日

摘要：

农药残留常用的检测方法为气相、液相色谱法、质谱法以及波谱法等,通常耗时

长、成本高，难以满足现场快速检测的需要。

因此，急需研究一些快速、灵敏、便捷的

检测方法，将高农药残留的农产品阻挡在市场之外，以杜绝食品安全事故的发生。

生物

传感分析技术与传统方法相比具有选择性好、灵敏度高、分析速度快、成本低、能在线

检测等优点,在环境监测、食品检验等方面得到高度重视和广泛应用。

关键字：

农药残留光电检测

Abstract:

Thecommonlyuseddetectionmethodsforpesticideresiduesaregasphase,liquidchromatography,massspectrometryandspectroscopy.Long,highcost,itisdifficulttomeettheneedsofrapiddetectionatthescene.Therefore,theurgentneedtostudysomefast,sensitiveandconvenient.Detectionmethods,highpesticideresiduesinagriculturalproductstostopoutsidethemarket,topreventtheoccurrenceoffoodsafetyincidents.biological

Sensinganalysistechnologyhasagoodselectivity,highsensitivity,fastanalysis,lowcostandcanbecomparedwithtraditionalmethods.Detectionandotheradvantages,intheenvironmentalmonitoring,foodinspectionandotheraspectsofattentionandwidelyused.

Keywords:

pesticideresiduephotoelectricdetection

一、引言

农药残留物，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、大气中的微量农药原体、有毒代谢物、降解物和杂质的总称。

农药残留问题是随着农药大量生产和广泛使用而产生的。

第二次世界大战以前，农业生产中使用的农药主要是含呻或硫、铅、铜等的无机物，以及除虫菊酯、尼古丁等来自植物的有机物。

第二次世界大战期间，人工合成有机农药开始应用于农业生产。

到目前为止，世界上化学农药年产量近200万吨，约有1000多种人工合成化合物被用作杀虫剂、杀菌剂、杀藻剂、除虫剂、落叶剂等类农药。

农药尤其是有机农药大量使用，造成严重的农药污染问题，成为对身体健康的严重威胁。

长期使用农药引起农产品中农药残留超标,对生态环境和人类健康造成极大危害。

有机磷和氨基甲酸酯类农药是最常见的两类农药，也是目前为止仍然最广泛使用的农药,它们是一种神经毒物，会抑制人及动物体内胆碱酯酶活性,引起中枢神经系统功能紊乱，出现中毒症状,以至危及生命。

近年来，农药残留问题己经受到了世界范围的关注。

随着人们食品安全意识的不断增强，改善农药残留检测技术已迫在眉睫。

众所周知，如今高度商业化的社会，食品生产俨然已经成为一种工业化的食品加工，如果大家仔细去调查，你会惊讶地发现，现在市场上所有的食品几乎都来自那么不超过5家的食品加工公司。

由于其垄断性，导致食品安全问题往往在光鲜亮丽表面下的食品后面隐藏着非常现实的问题。

据统计，目前市场上农产品所使用的农药种类大约有5457种。

农药

带来的污染也是随处可见，农药残留物对于人们的健康危害很大。

所以检测农药残留物就变得非常重要。

农药残留常用的检测方法为气相、液相色谱法、质谱法以及波谱法等,通常耗时长、成本高，难以满足现场快速检测的需要。

因此，急需研究一些快速、灵敏、便捷的检测方法，将高农药残留的农产品阻挡在市场之外，以杜绝食品安全事故的发生。

生物传感分析技术与传统方法相比具有选择性好、灵敏度高、分析速度快、成本低、能在线检测等优点,在环境监测、食品检验等方面得到高度重视和广泛应用。

光电检测技术作为一种应用范围性较广且快速可靠的技术，它在农药残留检测中有着很大的研究价值，基于此，本文提出了一种化学发光法和光电检测技术相结合的农药残留检测方法。

研究的意义在于:

（1）对完善光电检测技术在农药残留检测领域应用中的理论探索具有重要的参考价值;

（2）将化学发光法和光电检测技术相结合，省去了光电检测系统中光源的设计，从而使得检测设备更加轻便，更易于现场检测的实现; 

（3）为农药残留检测提供了一种新的快速检测的手段，具有应用前景。

二、研究现状

目前农药残留分析的主要方法是气相色谱法（GC）、高效液相色谱法（HPLC）等，这些方法虽然分析精度高，定量准确，但其样品的前处理复杂、检测耗时长、成本高、需要技术熟练的操作人员。

而我国蔬菜生产相对分散，蔬菜要保持新鲜，即采即卖，由采收到市场销售，所经时间很短，不允许把从市场上所抽检的大量样本用气相色谱、高效液相色谱等分析仪器进行分析，使这些精密昂贵的仪器在基层使用不太现实。

因此必须研究出符合我国蔬菜产销特点的检测方法，能够满足现场检测、时间短、成本低、显示直观、定性和半定量及判断其产品是否使用安全的要求。

对果蔬中有机磷农药残留的检测一直是食品卫生科学领域的研究重点，并具有重要的临床诊断价值。

目前国内外文献中主要报道的方法主要有光谱法、色谱法、酶抑制法、免疫法等。

（1）气相色谱法是检测有机磷农药的国家标准方法，该方法是利用经提取、纯化、浓缩后的OPs注入气相色谱柱，程序升温气化后，不同的OPs在固定相中分离，经不同的检测器检测扫描绘出气相色谱图，通过保留时间来定性，通过峰或峰面积与标准曲线对照来定量。

具有即定性又定量、准确、灵敏度高，并且一次可以测定多种成分的优点。

AOAC对大部份OPs，如乙拌磷、丰索磷、马拉硫磷、对硫磷，在八十年代就建立了气相色谱检测方法。

我国食品理化检验国家标准方法也采用了气相色谱检测OPs，检出限为1ng。

郑丽丽等应用氮磷检测器和毛细管气相色谱柱测定了环境中五种痕量有机磷农药，混合样品中各组分以谱峰分辨较好，互不干扰，测得甲胺磷最低检出浓度可达0.01mg/ml，在保证分辨效果的前提下将分析时间缩短了9min。

张曙明等以丙酮-石油醚混合溶剂提取残留农药，选用氮磷检测器和SPB-1701毛细管柱，建立了同时测定中药中8种有机磷农药残留量的前处理及其毛细管色谱测定法，结果表明：

敌百虫、敌敌畏等8种在25min内有良好的分离；3个不同浓度的标准添加，其回收率为74.96～116.8%，相对标准偏差为0.71～16.91%。

其他研究还报道了用凝胶渗透色谱法净化谷物、饲料中的OPs残留，检出限达0.01～0.05ng。

近年来毛细管气相色谱法（CGC）得到了不断发展和完善，使毛细管柱基本替代了原来的填充柱，不仅提高了灵敏度、分辨率和检测速度而且稳定性，使用寿命都比填充柱优良。

国外MiyabaraM.和JonagaiY.分别用电子俘获检测和火焰光度检测的CGC法测定了食品中几十种OPs。

而国内专家陈泉、楼小华和余建新用CGC法分别检测了13种、25种和7种不同样品中的OPs，检出限达0.1～20ng，回收率和重复性都很好。

目前，随着气相色谱仪的普及，对可能存在OPs残留的样品如食品、果蔬、谷物、饲料、茶叶、水产品、土壤、植物材料、水体以及血液、化妆品、羊毛脂、牛奶都建立了气相色谱检测方法。

（2）高效液相色谱法是在液相柱层析的基础上，引入气相色谱理论并加以改进而发展起来的色谱分析方法。

与GC相比，不仅分离效能好，灵敏度高，检测速度快，而且应用面广。

对气相色谱不能测定的如沸点太高不能气化以及对热不稳定，易裂解变质的OPs都可以用HPLC来检测。

AOAC中有近半数的OPs都建立了HPLC法。

BrancaP.，SharpG.J.用HPLC分别测定了食品和水中，谷物及其制品，水稻中的OPs。

MartindaleR.W.比较了HPLC和GC测定马铃薯中的OPs。

不断改进的HPLC技术也扩大了HPLC检测OPs的应用范围。

MalletV.N.研究了7种不同的萃取方法提取环境水中的OPs，用HPLC来检测。

CarabiasR.采用紫外HPLC来检测水果中的OPs。

黄聪等采用高效液相色谱法对克线磷检测，最低检测限为1ng，回收率为83.09～91.4%，RSD为2.26～4.37%。

由于高效液相色谱仪价格不菲，所以推广和普及该方法有一定的困难，但随着经济的发展，HPLC将以其无可比拟的优点必将在OPs检测领域占重要地位。

（3）酶抑制法是利用OPs的毒理特性建立的一种快速检测方法。

在一定条件下,有机磷农药对某些酯酶催化水解的正常功能有抑制作用，其抑制率与农药的浓度呈正相关。

这些酯酶包括：

各种动物来源的乙酰胆碱酯酶和丁酰胆碱酯酶以及从某些植物中提取的植物酯酶。

使这些酶与样本进行反应，如果试样中没有农药残留或者残留量极少，酶的活性就不被抑制；反之，如果农药残留量比较高，酶的活性就会被农药所抑制，再利用一些特定的颜色或pH值等的变化，从而达到检测有机磷农药的目的。

酶抑制法主要包括电化学传感器法和分光光度法。

具体就是将AchE吸附在载体上（纸片或电极），当检测含有OPs的样品时，AchE活性被抑制，从纸片的颜色变化或电极的读数指示变化上可以定性检测OPs，与标准OPs比较则可定量。

AOAC在1964年最早公布了该方法检测OPs，美国1958年就已研制出称之为酶片的商品来检测OPs，灵敏度为0.1～10mg/kg。

Sigma公司也有类似的检测试剂盒出售。

国内李发生、朱曜分别报道了纸片法检测食品和出口冻肉中的OPs，灵敏度为0.1～0.3%。

国内也有生化公司正式生产和销售称之为农药速测卡的产品。

KulysF.研制了胆碱酯酶电流传感器，BernabeiM.用胆碱和乙酰胆碱电化学传感器检测OPs。

李发生也报道了利用酶传感器检测5种OPs，最低检出浓度为1.0×10-12mol/L。

Holger利用有机磷农药可以特异性地抑制胆碱酯酶研制的一次性生物传感器，对对氧磷的最低检测限为2µg/kg。

李元光等研制了有机磷农药现场快速检测仪片状一次性使用乙酰胆碱酯酶电极与单片微机的有机结合体。

仪器的响应时间为3min，测定敌敌畏、对氧磷的线性范围分别为:

0.5～43.1µg/ml，0.1～15.0µg/ml。

生物传感器在有机磷的检测中，大大缩短了检测的周期与时间。

NandaKunmarN.V.等用α-乙酸萘酯和固蓝B盐制备的生色基质片，可用于有机磷的检测。

韩承辉等在面粉中提取的植物酶用于有机磷检测试纸的制备，用2,6-二氯靛酚乙酯做底物片，检出限为0.04～10.0mg/L。

酶抑制法最大的优点是操作简便，速度快，不需昂贵的仪器，特别适合现场检测以及大批样品的筛选检测，易于推广普及。

但是灵敏度比仪器法要差一些，重复性、回收率还有待提高。

（4）免疫就是机体接触“抗原性异物”或“异己分子”所发生的特异性生理反应。

抗原是引起机体发生免疫应答的最基本物质。

但是有机磷属小分子化合物，只能作为半抗原。

如果让机体产生抗有机磷作用的抗体，就必须将有机磷分子与大分子蛋白质结合后制备成具有抗原性的物质，再免疫动物，让动物机体产生具有特异性的抗体。

抗体对相应的抗原具有识别和结合的双重功能，可与抗原选择性地结合，选择性强，灵敏度高，所以免疫学方法是一种简便、快速、灵敏、特异的生物检测方法。

固相酶联免疫测定法对一种化合物或一组化合物具有特异性，减少基质的干扰，不需要样品的净化与浓缩。

王刚垛等用醋酸-锌粉-盐酸还原甲基对硫磷，制备氨基甲基对硫磷,重氮化法使氨基甲基对硫磷与牛血清白蛋白及中国鲎血蓝蛋白偶合，合成人工抗原M1605-BSA、M1605-TTH。

M1605-BSA免疫新西兰兔10周后，双向琼脂扩散试验和间接ELISA检测，证明得到了高价且具有较好特异性的多抗血清，成功地合成了甲基对硫磷人工抗原。

张卫国等用同样的方法合成了甲基对氧磷人工抗原。

邓安平等应用阿特拉津（Atrazine）半抗原衍生物共价交联于载体蛋白分子上，制成免疫抗原，经免疫得到高质量的兔抗阿特拉津抗血清，并建立了测定阿特拉津酶联吸附分析（ELISA）竞争法，测定线性范围为0.05～5.00µg/L，最低检出限仅为0.018～0.022µg/L，且精密度高，特异性强。

因为免疫法特异性强，所以一种试剂盒只能检测一种有机磷，不能检测到有机磷的总量，且有机磷抗体制作过程难度较大。

（5）化学发光法（CL）是一种将化学反应所产生的化学能转化为光能的反应过程。

它是一种将化学反应所产生的化学能转化为光能的反应过程，即反应体系中某种物质（反应物、中间体或荧光物质）的分子吸收了反应所释放的能量而由基态跃迁至激发态，当从激发态返回基态时将能量以光辐射的形式释放出来，产生化学发光。

根据化学发光反应在某一时刻的发光强度或发光总量来确定组分含量的分析方法叫化学发光分析法。

化学发光是根据化学反应产生的辐射光的强度来确定反应中相应物质含量的分析方法，具有灵敏度高、设备简单、分析速度快!

线性范围宽等特点。

作为一种有效的分析技术，化学发光法已广泛应用于药物分析、食品安全、环境科学、生命科学等领域。

三、关键问题及解决方案

现在我国的检测手段较为简单。

检测手段主要使用气相色谱仪、高效流相色谱仪、质谱仪、核磁共振、红外线光谱仪、免疫分析法、生物传感器等设备进行检测，但是这些设备价格昂贵，还必须配有专业技术人员来操作配合，成本很高。

光电检测系统是以“傅里叶变换型全反射衰减红外分光法”为理论基础来实际测定农产品中农药的残留量的方法。

近红外衰减全反射光谱和便面增强拉曼光谱使光谱分析林名都

提高102-107倍，快速、直接的光谱技术，只需要极少量的样品，SERS具有高的表面检测灵敏度以及易于获得全波段振动光谱等优点，在农药残留分析上得到了广泛应用。

所谓光电检测系统是指对待测光学量或由非光学待测物理量转换成的光学量，通过光电

变换和电路处理的方法进行检测的系统。

作为一个完整的检测系统,应包括信息的获得、变

换、处理和显示等几个部分。

因此，具体来说,光电检测系统应由光电传感器、处理电路和

显示控制等三个基本部分组成。

农药的种类比较多，在近红外区对很多波长的光都有吸收，因此要求光源在近红外区的响应曲线趋于平缓，采用溴钨灯。

溴钨灯又称为卤素灯，是可见－近红外波段的理想光源对物质进行吸收光谱和荧光光谱分析。

溴钨灯采用溴化氢工艺，比碘钨灯光效高、寿命长、光色更好、点燃后没有碘钨灯那种紫红蒸汽。

是一种新型客观的，并且使用广泛的一种灯。

在检测蔬菜样品时采用漫反射方式，并使用积分球对光进行均匀反射后，把样品反射的光送入到单色仪中进行光谱分析，再由计算出蔬菜样品的农药残留。

采用光强型直接测量法，即将被携带被检测物理信息的光强，投射到光电探测器上转换为电信号，经放大后直接采集数据。

系统总体设计包括密封容器（光源部分），光电探测器（光电二极管），前置放大电路，滤波电路，主放大电路，模数转换电路，单片机，PC系统框图如图1所示。

因为采用漫发射方式检测样品的吸收光谱，因此信号相对较弱，而且对于不同颜色的蔬菜样品，其反射的光强变化太大，不利于光电，换器件的工作。

故要用积分球充分接受漫反射光。

并使用积分球对光进行均匀反射后，把样品反射的光送入到单色仪中进行光谱分析，再由计算出输出样品的农药残留。

考虑到成本和光路复杂性，本设计采用扫描的方式。

对入射的光通过步进电机带动光栅在近红外区进行扫描，出售的光照射到一元光电转换器件上，输出电信号给后继电路。

后继信号运算与处理单元肩负着数据采样、运算分析、输出显示及数据通讯等多项任务。

采用小二乘法对采样的数据建模。

采用漫反射方式检测样品的吸收光谱，利用积分球充分接受漫反射光。

由于农药的吸收光谱主要集中在近红外区，如果要求对整个近红外区进行扫描，那么就不得不采用多光栅的光路系统。

增加了光路的复杂性。

而且扫描速度大大降低，不利于便携式的应用。

所以应首先对几种农药的吸收光谱进行分析，并筛选对健康影响最大的农药，缩小扫描范围，降低成本。

样品漫反射的光在经过积分球和SMA905就扣导入到光纤中，通过光纤，传输到扫描式单色仪中。

信号处理控制电路对不同波长的光扫描输出，照在光电转换器上，送入后级电路

处理。

这样就可以利用光电系统来测量农药中的残留物。

四、结论

在详细研究了国内外农药残留检测技术现状的基础上，将光谱分析、光纤传感、弱信号检测等技术相结合，设计并完成了一套农药残留的光电检测系统。

目前本系统还局限在实验室中进行农药残留的研究，还不具备现场实时测试的能力。

本文针对的是一种农药残留物与化学发光物的光强检测,要进一步研究多种化学发光物与多种农药的发光反应。

参考文献：

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[4]姜超，农药残留的荧光光谱检测技术研究，吉林大学硕士学位论文