吉林大学闫旭团队最新综述聚焦光学传感器在农药残留检测的新进展

研究背景

随着现代农业对农药的广泛应用，食品污染、生态破坏与公共健康风险等问题日益凸显。农药残留通过食物链生物累积，可能引发神经毒性、内分泌紊乱甚至增加癌症风险，全球每年有数万起食源性疾病与农药暴露相关。传统农药检测方法如高效液相色谱和质谱联用技术虽然精度高，但设备复杂、耗时长、依赖实验室环境，难以满足现场快速检测的需求。因此，开发高灵敏、高特异性、便携化的新型检测技术成为迫切任务。

研究进展

团队系统梳理了光学生物传感器在农药检测领域的基础理论与最新突破，为解决农药残留监测难题提供了全新思路。该综述全面覆盖荧光法（FL）、比色法（CL）、表面增强拉曼散射（SERS）、表面等离子体共振（SPR）及化学发光等核心光学传感技术，深入剖析了基于酶、抗体、适配体、分子印迹聚合物（MIPs）和超分子主-客体复合物等分子识别元件的作用机制。

研究团队通过对大量前沿案例的系统分析，生动阐释了各类光学传感平台的独特优势与其面临的现实挑战，并深刻揭示了不同生物识别元件在其中所扮演的核心角色。

荧光传感器借助量子点、碳点等纳米材料实现飞克级检测灵敏度，其根本离不开特异性识别元件的精准引导。无论是依赖酶促催化放大信号的酶介导体系，利用“锁-钥”高亲和力的抗体结合，还是兼具高特异性与良好稳定性的适配体识别，这些生物识别元件都是实现高选择性检测的基石。然而，这些元件也带来了相应的局限性，酶的活性易受环境干扰，抗体的成本高昂且存在批次差异，适配体的筛选则复杂且对小分子靶标的结合力有时不足。

比色传感器以其直观性脱颖而出，无需复杂仪器即可通过颜色变化进行快速现场筛查。这一优势的发挥，同样紧密依赖于其识别核心。酶（尤其是新型纳米酶）的催化特性直接转化为肉眼可见的颜色变化；而抗体则通过免疫层析等形式，将特异性的抗原-抗体结合转化为明确的条带信号。纳米酶的引入，克服了天然酶稳定性的瓶颈，但其灵敏度通常低于荧光或SERS方法，且颜色的主观判读可能引入误差，在检测本身具有颜色的样本时易受背景干扰，存在假阳性风险。

表面增强拉曼散射技术实现农药分子“指纹级”识别的飞跃，源于两条并行路径的融合。一是生物识别元件引导的路径，即通过抗体或适配体将目标农药特异性捕获并拉近至等离子体纳米结构表面，从而赋予SERS强大的目标选择性，使其能从复杂混合物中找出特定分子。二是非生物基底增强的路径，专注于金、银纳米结构的设计以最大化物理增强效应。SERS技术的瓶颈往往在于如何将高特异性识别与高强度、均一的增强基底稳定、可重复地结合。

为了兼顾灵敏度、特异性与可靠性，双模式传感器应运而生。这类平台通过巧妙地整合两种互补的光学检测技术，例如荧光与比色，或比色与SERS，构建了内部交叉验证机制，能有效抵消单一模式下由复杂基质引起的信号干扰，显著提升了检测结果的准确度和可信度。当然，这种集成也带来了系统设计更为复杂、探针合成与信号协调难度增加等新的挑战。

未来展望

综合当前进展，未来研究将聚焦于三大方向：一是开发更高性能的智能传感材料，如具有环境响应的可降解传感器和更稳定的仿生识别元件；二是推动深度智能化，利用机器学习算法实现复杂光谱的自动解析、多残留物的同步精准识别与污染趋势预测；三是与物联网（IoT）网络连接，可构建实时现场农药监测的智能系统。此外，绿色传感器和统一的性能评价标准的建立，将为推动该领域技术产业化、保障全球食品安全与生态可持续发展奠定了基础。

原文链接：https://spj.science.org/doi/10.34133/research.1060