综述：基于乙酰胆碱酯酶的生物传感技术在有机磷农药检测中的研究进展（2020–2024）全面综述

本综述系统总结了2020-2024年间基于乙酰胆碱酯酶（AChE）的生物传感技术在食品和环境基质中有机磷农药（OPs）检测的最新进展。文章重点阐述了创新功能材料通过改善酶固定化、信号放大和抗干扰能力来提升生物传感器性能的关键作用，并讨论了AChE抑制原理、简化的样品前处理及多种固定化策略。尽管AChE生物传感技术具有高灵敏度、便携性和成本效益等优点，但仍面临特异性、抗干扰能力和重现性方面的挑战，未来发展方向包括开发工程酶、集成微流控前处理、采用环保纳米材料以及实施多信号校准和智能传感系统。

　　

基于乙酰胆碱酯酶的生物传感技术：有机磷农药检测的新策略

引言

有机磷农药（OPs）因其高效、成本低和残留量较低的特点，在全球农药应用中约占34.0%，被广泛用于农业害虫防治。然而，监管不力和公众对暴露风险认知有限常导致过量使用，造成食品、土壤和水系统的广泛污染。OPs的主要毒性机制是通过不可逆地抑制乙酰胆碱酯酶（AChE），导致突触间隙中乙酰胆碱（ACh）积累，从而过度刺激胆碱能神经，引发急性或慢性症状，对全球食品安全和公共健康构成重大威胁。为应对此问题，国际食品法典委员会（CAC）及各国机构制定了食品中OPs的最大残留限量（MRLs），例如中国的GB 2763–2021标准就涵盖了376类食品中564种农药的10,092项MRLs。因此，开发快速、灵敏的OPs检测技术对于保障人类健康、促进可持续农业和生态安全至关重要。

传统实验室分析技术如色谱法（HPLC、GC）及其与质谱（MS）的联用技术（LC-MS、GC-MS）虽被广泛使用，但存在依赖昂贵仪器、前处理过程耗时、需要专业人员操作等固有局限性。特别是前处理方法若不理想，会因未能消除基质干扰而直接损害检测灵敏度。因此，发展具有简化前处理流程、快速操作、设备成本低和技术要求低等优点的创新OPs检测策略，是实现高灵敏度现场分析的关键。

原理

AChE生物传感器通过将固定化AChE的酶活性抑制程度转换为可测量的定量信号，从而实现OPs的间接检测。其工作原理主要涉及两种机制：当以ACh为底物时，AChE催化其水解为胆碱和乙酸，胆碱随后被胆碱氧化酶（ChOx）氧化产生过氧化氢（H₂O₂），通过检测H₂O₂相关的电化学信号变化或pH值变化来间接测定OPs；当使用硫代乙酰胆碱（ATCh）等合成底物时，AChE催化其水解产生硫代胆碱（TCh），TCh具有电化学活性，可直接产生检测信号。OPs通过特异性共价修饰AChE活性中心的丝氨酸残基，不可逆地抑制其活性，抑制率与OPs浓度呈正相关，从而建立定量关系。

AChE生物传感技术的样品前处理

样品前处理是复杂样品分析中的关键瓶颈环节，旨在富集痕量目标物并去除基质干扰。与传统LC/GC-MS技术需要繁琐的多步深度纯化不同，AChE生物传感技术显著简化了前处理流程，通常仅需简单稀释或过滤即可替代多步纯化过程，同时保持抗基质干扰能力，这为实现快速、现场分析提供了巨大优势。新兴功能材料如金属有机框架（MOFs）、共价有机框架（COFs）和过渡金属碳氮化物（MXenes）等的应用，通过其高比表面积和可设计孔道结构，进一步内化了抗干扰能力，提升了检测性能。

AChE固定化

酶固定化是通过物理或化学方法将酶分子结合到固体载体上形成稳定体系的技术，能显著增强酶的稳定性、可重复使用性和催化效率。固定化策略主要包括吸附法、包埋法、共价结合法和交联法等。创新纳米材料如MOFs、COFs、MXenes以及金属/碳基材料在AChE固定化中扮演了关键角色，它们提供了优异的生物相容性、高酶负载量和稳定的微环境，从而提高了生物传感器的灵敏度和使用寿命。

AChE生物传感技术

近年来，功能材料的创新极大地推动了基于AChE的生物传感技术的发展。根据信号转换方式的不同，主要可分为以下几类：

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  电化学生物传感器：通过测量电流（安培法）、电位（电位法）或阻抗（阻抗法）的变化来检测OPs。其优势在于高灵敏度、快速响应和易于微型化。各类纳米材料被用于修饰电极表面，以增强电子传递和信号放大。
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  光学生物传感器：包括荧光、比色法等，通过检测光信号（如荧光强度、颜色变化）来定量OPs。这类传感器通常具有可视化输出的优点，易于与智能手机或纸基平台集成，实现现场快速检测。
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  双模式传感：结合了两种或多种检测模式（如电化学/荧光、比色/电化学），通过多信号校准和自验证机制，显著提高了检测结果的可靠性和抗干扰能力。
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  基于毛细管电泳（CE）的传感：将CE的高分离效率与AChE抑制检测相结合，适用于复杂基质中多种OPs的同时检测。

挑战与展望

尽管AChE生物传感技术取得了显著进展，但其检测原理与作为确证分析“金标准”的GC/LC-MS技术有根本不同。前者基于酶抑制活性变化，后者基于物理分离和分子离子检测。AChE生物传感技术目前仍面临特异性（对其它胆碱酯酶抑制剂如氨基甲酸酯类的交叉反应）、抗复杂基质干扰能力以及批间重现性等方面的挑战。

未来的发展策略集中于：开发具有更高特异性和稳定性的基因工程酶；集成微流控技术实现自动化样品前处理与检测；采用绿色环保的纳米材料；构建多信号校准和智能传感系统。这些进步将支持一种协同的“筛查-确证”框架，即快速生物传感技术与确证性LC/GC-MS技术相结合，从而显著提升食品安全监测和环境保护的能力。

结论

过去五年间，基于AChE的生物传感技术在酶固定化技术、新型材料设计和多模式传感平台创新的驱动下取得了显著进展。先进材料的整合极大地增强了酶稳定性、负载量和催化活性，使得生物传感器具备了超高灵敏度、宽线性范围和抗干扰能力。通过解决特异性、重现性等现存挑战，并朝着智能化、集成化方向发展，AChE生物传感技术有望在OPs现场快速检测领域发挥越来越重要的作用。