食品检验检测中残留农药快速检测方法研究
作者: 郑晶鑫作者简介:郑晶鑫(1987—),女,山西和顺人,本科,工程师。研究方向:食品工程。
摘 要:为了提升食品安全性,本文阐述残留农药的危害、残留农药检测方法的分类,分析基于免疫分析技术的残留农药快速检测方法以及基于传感技术的残留农药快速检测方法,并对比与评价残留农药快速检测方法的性能与适用性,展望快速检测方法的发展趋势,以期为相关人员提供参考。
关键词:残留农药;快速检测;免疫分析;传感技术
Research on Rapid Detection Methods of Pesticide Residues in Food Inspection and Testing
ZHENG Jingxin
(Comprehensive Inspection and Testing Center of Heshun County, Heshun 032700, China)
Abstract: In order to improve food safety, this paper describes the hazards of pesticide residues and the classification of detection methods for pesticide residues, analyzes the rapid detection methods for pesticide residues based on immunoassay technology and the rapid detection methods based on sensing technology, compares and evaluates the performance and applicability of rapid detection methods for pesticide residues, and looks forward to the development trend of rapid detection methods, in order to provide reference for relevant personnel.
Keywords: residual pesticides; rapid detection; immune analysis; sensing technology
农业生产的集约化和现代化让农药在农业生产中的使用量显著增加,进而导致农药残留问题日益严重。农药残留不仅直接威胁人类健康,还对生态环境造成潜在危害。因此,食品中残留农药的检测成为保障食品安全的关键环节。然而,传统检测方法存在检测时间长、操作复杂、成本高等问题,难以满足快速、高效、精确的检测需求。为此,本文研究了基于免疫分析技术的残留农药快速检测方法、基于传感技术的残留农药快速检测方法,并对残留农药快速检测方法进行对比与评价,旨在推动食品检测技术的进步。
1 残留农药的危害
残留农药是指农药在农业生产过程中使用后,部分未被降解或转化的化学物质残留在农产品中,其可通过食物链进入人体。①农药残留对人体健康构成直接威胁。许多农药具有毒性,长期摄入低剂量残留农药会在人体内累积,导致慢性中毒,进而引发多种疾病,如癌症、内分泌失调和神经系统损伤等。残留农药对儿童、孕妇和老年人等敏感人群造成的健康风险更高。②残留农药对生态环境也具有显著影响。农药通过土壤和水体进入环境,影响非目标生物,破坏生态平衡。例如,农药的滥用和不当处理会导致授粉昆虫数量减少,影响农业生产和生物多样性。此外,残留农药还会通过生物富集效应在食物链中逐级放大,进一步危害生态系统和人类健康。③农药残留问题还带来一系列社会经济问题。消费者对食品安全的担忧影响农产品市场信誉,导致经济损失。国际贸易中,残留农药超标也会引发贸易纠纷和技术壁垒,阻碍农产品出口。
2 残留农药检测方法的分类
残留农药的检测方法主要分为传统检测方法和快速检测方法两大类。传统检测方法以其高灵敏度、高分离度和高准确性著称,是检测农药残留的“金标准”。快速检测方法则以操作简便、检测速度快、成本低为特点,适合现场和大规模样品的初筛。这类方法包括酶联免疫吸附法、胶体金免疫层析法和化学发光免疫分析法等。此外,基于生物传感、电化学传感和光学传感的检测技术也在快速检测中崭露头角,利用传感器的高灵敏性和特异性,实现对残留农药的快速检测[1]。
3 基于免疫分析技术的残留农药快速检测方法
3.1 酶联免疫吸附法
酶联免疫吸附法(Enzyme-Linked Immunosorbent
Assay,ELISA)是一种广泛应用于残留农药检测的快速分析技术,其核心原理是基于抗原-抗体特异性结合反应。ELISA的操作流程一般包括抗原固定、抗体识别、酶标记和显色反应4个主要步骤。在检测过程中,首先将农药抗原固定于微孔板表面,随后加入特异性抗体,与抗原结合形成抗原-抗体复合物。接着引入与抗体结合的酶标记物,通过酶的催化作用,使底物转化为有色产物,从而实现定量或定性检测。该方法具有高度的灵敏度和特异性,能够在较短时间内检测出样品中的微量农药残留。ELISA在残留农药检测中的应用优势显著,其能够检测出痕量的农药残留,灵敏度通常达到ppb(ng·mL-1)级别,这是传统方法难以实现的。此外,ELISA具备高特异性,通过特异性抗体与目标农药的结合,减少了其他成分的干扰,提高了检测的准确性。另外,ELISA方法操作相对简单,易于标准化和自动化,适合大规模筛查应用。在食品检验检测中,ELISA已被广泛用于果蔬、谷物、肉类及乳制品等样品的残留农药检测[2]。
3.2 胶体金免疫层析法
胶体金免疫层析法(Colloidal Gold Immunochromatographic Assay,GICA)是基于免疫层析技术的快速检测方法,因其操作简便、结果直观而在残留农药检测中得到广泛应用。该方法利用胶体金作为标记物,通过抗原-抗体特异性反应实现对目标农药的检测。GICA的基本原理是将特异性抗体或抗原固定在层析膜上,并与标记有胶体金的抗体或抗原混合。样品液体通过层析膜时,若其中含有目标农药,则会与固定在膜上的抗体或抗原发生特异性结合,形成可见的红色或紫色条带,从而实现快速定性或半定量检测。GICA在残留农药检测中的优势主要体现在快速、简便和直观。GICA的检测速度快,通常只需几分钟即可得到结果,这在需要大量样品快速筛查的实际应用中具有显著优势。另外,该方法操作简便,无须复杂的实验设备和专业技术人员,仅需简单的试剂和层析膜即可完成检测。所以,GICA特别适用于现场检测和大规模筛查。此外,该方法的检测结果直观,通过肉眼即可观察条带颜色判断是否存在农药残留,使检测人员使用起来极为方便[3]。
3.3 化学发光免疫分析法
化学发光免疫分析法(Chemiluminescent Immunoassay,CLIA)是一种结合了化学发光技术与免疫反应的高灵敏度检测方法,广泛应用于残留农药的快速检测中。该方法的核心在于以化学发光物质作为信号标记,通过抗原-抗体特异性结合反应,实现目标农药的定量或定性检测。具体操作过程中,首先将特异性抗体或抗原固定在固相载体上,然后加入待测样品中的农药,形成抗原-抗体复合物。接着,引入标记有化学发光物质的第二抗体,与复合物中的农药或抗体结合。当加入化学发光底物后,通过酶促反应产生发光信号,利用发光强度的变化来定量或定性分析样品中的农药残留。化学发光免疫分析法的优势主要体现在其高灵敏度和高特异性上。CLIA能够实现极低浓度农药残留的检测,灵敏度通常可达到ppt( pg·mL-1)级别,远高于传统检测方法。这一特点使其在痕量农药残留检测中具备显著优势。化学发光信号的强度与样品中农药浓度呈线性关系,有利于实现精确的定量分析。化学发光免疫分析法的特异性较高,依赖于抗原-抗体的特异性结合反应,减少了非特异性干扰,提高了检测的准确性[4]。
4 基于传感技术的残留农药快速检测方法
4.1 生物传感技术
生物传感技术在残留农药的快速检测中具有重要应用,其核心是利用生物分子(如酶、抗体、核酸等)作为识别元件,通过特异性识别目标农药并产生可测量的信号。该技术通常包括3个主要部分,即生物识别元件、信号转换元件和信号处理系统。在操作过程中,生物识别元件与样品中的农药分子发生特异性反应,生成的生物化学信号通过信号转换元件转化为电信号、光信号或其他形式的可测量信号,最终通过信号处理系统进行分析和输出结果。生物传感技术的优势在于其高灵敏度和高特异性。利用生物分子的特异性识别功能,生物传感器能够在复杂基质中准确检测出低浓度的农药残留,灵敏度通常可达到ppb级别。生物传感技术的实时检测能力使其能够在短时间内获得检测结果,大大缩短了检测周期。此外,该技术可实现在线监测和连续检测,适用于大规模筛查和实时监控。由于生物传感器的检测信号直接反映了生物识别元件与目标农药的特异性反应,检测结果具有高度的准确性和可靠性。
4.2 电化学传感技术
电化学传感技术在残留农药的快速检测中是利用电化学信号的变化来检测目标农药分子。该技术主要依赖于电极表面修饰的识别元件(如酶、抗体和分子印迹聚合物等),当目标农药与识别元件发生特异性结合时,电化学信号(如电流、电位、电导等)会发生变化,通过测量这些变化即可实现对农药的检测。电化学传感器通常由工作电极、参比电极和对电极组成,其中工作电极是关键部件,负责识别和转换信号。电化学传感技术的灵敏度高,能够检测极低浓度的农药残留,通常可以达到ppb级别甚至是ppt级别。电化学传感器的响应速度快,可以在几分钟内完成检测,适合快速筛查和现场检测。此外,电化学传感器的结构简单、成本低廉,易于实现小型化和便携化,这为其在实际应用中提供了便利。电化学传感技术还具备良好的重复性和稳定性,通过合理的电极设计和修饰技术,可以有效降低信号漂移和基质干扰,提高检测结果的可靠性[5]。
4.3 光学传感技术
光学传感技术在残留农药的快速检测中发挥着重要作用,其核心原理是基于光信号的变化来检测目标农药分子。该技术结合光学元件(如光纤、光栅、光电二极管等)和生物识别元件(如抗体、酶、核酸等),通过光吸收、荧光、化学发光或表面等离子体共振等现象,实现对农药的检测。当目标农药分子与生物识别元件特异性结合时,会引起光学信号(如强度、波长、相位等)的变化,这些变化可以通过光学传感器进行检测和分析,从而实现对农药残留的定量或定性分析。光学传感技术的灵敏度高,能够检测到极低浓度的农药残留,通常可达到ppb级别,甚至是ppt级别。这使其在痕量检测中具有显著优势。光学传感器具有非接触式检测的特点,能够在不破坏样品的情况下进行检测,适合实时监测和在线分析。此外,光学传感技术的响应速度快,可以在几秒至几分钟内获得检测结果,极大地提高了检测效率。光学传感器的设计灵活多样,可以通过调整光源、检测器和识别元件,实现对不同农药的高选择性检测。
5 残留农药快速检测方法的性能与适用性对比与评价
在残留农药快速检测中,ELISA以其高灵敏度和特异性著称,能够检测ppb级别的农药残留,适合实验室中大规模筛查。然而,ELISA操作复杂且时间较长,不适用于现场检测。GICA则以快速简便和结果直观见长,适合现场和便携式检测,但灵敏度相对较低,通常在ppm(μg·mL-1)级别,且易受样品基质干扰,适用性较为有限。CLIA结合了免疫分析和化学发光技术,具有极高的灵敏度和精确性,能够实现ppt级别的检测,但其对设备和操作条件要求较高,适用于高要求的实验室环境。生物传感技术通过生物识别元件的特异性反应,实现高灵敏度和高特异性检测,适合复杂基质中的农药检测,但其生物元件的稳定性和重复性是影响检测结果的关键因素。电化学传感技术是利用电化学信号的变化实现农药检测,具有灵敏度高、响应速度快的特点,且设备相对简单,适用于现场和实时监测。然而,电化学传感器对电极材料和修饰技术要求较高,易受基质干扰。光学传感技术则通过光信号变化实现检测,具有非接触、快速响应和高灵敏度的特点,但受环境因素影响较大,设备成本高,适合高精度的实验室检测和在线监测。
6 快速检测方法的发展趋势
①纳米技术的应用。纳米材料如金纳米颗粒、碳纳米管和量子点等由于其独特的物理化学性质,可以显著增强信号强度和提高灵敏度,提升检测下限,满足痕量农药残留的检测需求。②多功能化和多重检测技术的集成发展。通过将多种识别元件(如抗体、酶、核酸等)集成在同一个传感器平台上,可以实现对多种农药残留的同时检测,大大提高了检测效率。这种多重检测技术在食品安全检测中具有广阔的应用前景,能够在同一次检测过程中提供全面的农药残留信息,降低检测成本和缩短检测时间。③便携式和现场快速检测设备的研发。通过结合微流控技术和便携式检测仪器,如手持式荧光计、电化学检测仪等,可以实现现场实时检测。微流控芯片技术是将样品前处理、反应和检测集成在一个小型芯片中,极大地简化了操作流程和缩小了设备体积,提升了便携性。④信息技术和智能化的结合。通过将传感器技术与智能手机、物联网等信息技术结合,可以实现检测数据的实时传输、存储和分析,方便远程监控和管理。
7 结语
残留农药快速检测方法在灵敏度、特异性、便携性及多重检测能力等方面不断创新与优化。未来结合纳米技术、微流控芯片和信息技术,将进一步提升检测效率和精度,为食品安全提供更全面的保障。
参考文献
[1]马斌.食品检验检测中的残留农药快速检测方法研究[J].现代食品,2024,30(2):126-128.
[2]程俊嘉,陈源,刘冬梅.酶联免疫吸附法在畜产品快速检测中的应用[J].中国动物保健,2024,26(5):115-116.
[3]曹雪铭,徐振林,苏燕瑜,等.胶体金免疫层析法快速检测食品中的米酵菌酸[J].中国食品学报,2023,23(2):309-318.
[4]向国庆,连聪,孙栋,等.化学发光免疫分析法及在动物生产领域检测中的应用进展[J].中国兽医科学,2023,53(10):1320-1325.
[5]王军,张德成,杨程毅,等.基于电化学传感技术的土壤农药残留检测装置设计[J].中国农机化学报,2023,44(12):210-216.