通过有效的农药施用、扩大种植面积、更好的育种技术和良好的水源管理,农业的生产力得到极大的提高。据估计,农药的使用几乎确保了全球三分之一的农作物产量。农药的应用已被认为是英国和美国小麦和玉米产量高增长的主要因素,同样也是中国和印度等人口大国的作物产量增长的因素之一。但是,过度使用农药造成的污染已成为人类追求可持续发展的最令人担忧的挑战之一。尽管农药直接施用于植物或土壤中,但只有约1%的农药喷洒到预定的目标。由于农药具有较长的半衰期,农药的泄漏、储存以及水体冲洗可能导致农药意外释放并长期存在于环境中。带有农药残留的食品可能通过各种来源进入食品工业或餐饮业,给人类和动物的健康带来严重的隐患。为了正确管理和使用农药,人们需要准确评估其在环境尤其在食品中的污染状况。因此,对食品中农药的准确和灵敏的检测需求已成为实现公共卫生保护和安全的关键。因此,对食品中农药的准确和灵敏的检测需求已成保障农业与食品安全的关键。当代农药检测方法基本采用高效液相色谱(HPLC)、气相色谱(GC)等非特异检测方法,难以满足高灵敏和选择性的农药检测。鉴于此,近年来适配体作为一种新兴的特异性敏感元件被广泛地应用于传感器研究中。适配体是一小段经体外筛选得到的,可与靶标物进行特异结合的寡核酸链。与抗体等敏感元件相比,适配体具有体外合成、热稳定性好、可重复性、易于保存和易于修饰等优点。适配体技术已经应用于很多种类物质的检测中,比如金属离子、药物分子、蛋白质、病毒和细胞等。在本研究中,我们利用适配体作为农药的特异性响应受体,基于纳米材料的信号放大技术、阵列传感技术和电化学技术,构建了一系列在食品安全检测中具有重要应用前景的强特异性和高灵敏的适配体生物传感器。从纳米材料的合成与表征、传感机理思路的设计和传感信号的增强放大,到传感器的再生使用,本文研制了新型农药适配体生物传感器,并对其应用开展了探索和研究,为食品中农残检测传感器的设计提供了新的思路。本论文具体开展的工作及研究结果如下:(1)基于适配体-纳米金构建的比色传感阵列对不同农药的检测研究基于适配体保护的AuNP可以对不同农药产生不同的颜色反应,利用三种适配体作为比色传感阵列的敏感元件,构建可以高效识别农药的比色阵列。我们对纳米金在反应前后的分散和聚集状态进行了TEM和EDS表征和粒径计算。以纳米金作为光学信号来源,对适配体-纳米金与农药作用的紫外可见吸收光谱进行了采集和分析。以两个紫外特征峰的吸光度及其比值作为模型变量参数,借助于多变量分析方法达到识别不同的农药。在欧式距离20~25时,分层聚类分析模型(HCA)就可以对8种农药完成区分。主成分分析(PCA)结果显示,仅前两主成份就占有总方差信息量的88.8%,可以非常好地区分开8种农药。Pearson相关模型研究表明,影响适配体与小分子分析物之间结合的主要因素是适配体的构象及其小loop的数量,此外还与分析物原子或基团的相似性或差异有关。线性判别(LDA)结果显示,前两维因子累积解释92.2%总方差信息,就可明显地区分8种农药。构建的阵列传感器对未知样品的识别率达到了93.8%。该方法简单,无标记且准确,仅需要有限的敏感元件就能实现农药的高辨别能力。本工作拓宽了生物受体(适配体)和等离子体纳米粒子传感器的应用领域,为开发新型阵列传感系统提供新的方向。(2)复合敏感元件阵列的构建及其对多种农药的识别研究以适配体和乙酰胆碱酯酶作等特异性受体作为主要的敏感元件,构建了一种基于6种敏感元件的特异性响应和交叉性响应相结合的可视化阵列,并成功地应用于12种农药的鉴别。经过紫外可见吸收光谱分析,6种敏感元件与农药分子存在明显的光学响应。将获得的RGB差谱矢量经过数据集统计分析,得到了对12种农药的准确识别。经过HCA分析,12种农药均得到明显的区分和正确的分类。另外,LDA也获得了与HCA相类似的结果。基于前两维判别因子共计70.9%的方差信息累积总量,此阵列即可准确而清晰地识别12种农药,并且可以区分有机磷类农药和非有机磷类农药。通过留一交叉验证分析,该阵列对12种农药样品的识别准确率均为100%。同时,PCA结果表明,该阵列的识别能力具有较高的维度,需要7维主成分因子才能解释95%的总方差信息量。分析结果表明:该阵列具有宽广的活性识别空间,敏感元件与农药分析物之间存在着不同的化学或物理互作力类型。此外,构建的阵列传感器具有良好的重现性和稳定性。运用LDA模型来分析白菜和黄瓜样品中的加标农药样品,12种农药的识别准确率均大于92%。(3)基于金属有机框架和二茂铁构建的适配体传感器对马拉硫磷的检测研究基于纳米复合物探针成功构建了一种用于检测马拉硫磷的新型电化学适配体传感器平台。通过水热法合成锆基金属有机框架(MOF),通过共价键分别与适配体互补探针(CP)和二茂铁(Fc)进行偶联,形成了CP-MOF-Fc纳米复合探针。马拉硫磷适配体通过金-硫键固定在沉积有纳米金的玻碳电极表面,然后与CP-MOF-Fc纳米探针进行杂交。通过各种表征技术(SEM、EDS和XPS),证实了MOF的成功合成。由于MOF的高比表面积,CP-MOF-Fc的电活性物质浓度是CP–Fc的1.90倍。结合纳米金良好的导电能力,制备的适配体传感器能够检测痕量的马拉硫磷,LOD为17.18 ng/L,线性范围为25~850 ng/L。制备的适配体传感器还具有高选择性、可重复性和良好的稳定性。采用样品加标法研究了适配体传感器在黄瓜和豆角样品中分析检测马拉硫磷的能力,检测效果满意,证明该方法在实际检测中具有一定的潜力。(4)构建基于聚多巴胺-纳米金和核酸外切酶I的双信号适配体传感器并用于马拉硫磷的超灵敏检测利用PDA的良好生物相容性和Exo I的酶切信号放大作用,制备了用于马拉硫磷检测的高灵敏度双信号适配体传感器。与无信号放大的方法相比,Exo I自催化靶标循环扩增可致电活性分子的电流差值获得至少2倍的级联放大。结合双信号设计,制备的生物传感器对马拉硫磷可以产生三种信号输出模式。通过优化Fc-CP的浓度、适配体与Fc-CP的杂交时间、Exo I的浓度和培养时间等实验参数,研制的传感器具有优异的灵敏度、高选择性和稳定性。双信号的设计和Exo I的酶切信号放大作用使得传感器拥有多达三个线性检测范围和较低的检测限(0.5 ng/L)。此外,该适配体传感器成功应用于菜花和卷心菜样品中马拉硫磷的检测,回收率良好。(5)基于氧化铜纳米花-单壁碳纳米管构建的再生型适配体传感器对毒死蜱的电化学检测研究通过水热法合成了CuO NFs,并将其与羧基化SWCNTs混合,制备了CuO NFs-SWCNTs杂化纳米复合物。合成的CuO NFs呈现立体的花形结构并具有较大的比表面积,这使得CuO NFs-SWCNTs纳米复合物大大增加了氨基探针结合位点的数量。利用两种纳米材料导电性能的协同效应,CuO NFs-SWCNTs纳米复合物电极的电化学有效活性面积是裸电极的2.06倍。在优化的条件下,基于此纳米复合物构建的电化学适配体传感器在0.1~150 ng/mL的范围内对毒死蜱呈现良好的线性关系,检测下限达70 pg/mL。该传感器成功应用于苹果和白菜样品中毒死蜱的检测,获得了满意的回收率(95.58%~106.72%)。此外,生物传感器可以通过尿素容易地实现再生并得以重复使用,获得良好的日间重复性(RSD为4.87%)。上述结果表明,此研究提出的传感方法为传感器的性能改善和再生循环使用提供了一种新思路。