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这篇综述聚焦于利用生物传感器监测水中农药。农药危害水生生态系统和生物多样性，传统监测方法存在局限。生物传感器（如酶生物传感器、免疫传感器等）成本效益高，能快速检测农药，可作为初步筛选工具，辅助传统方法，为环境监测提供新思路。
一、农药对环境的影响及监测现状
农药是用于预防、控制或消灭害虫和疾病的物质或生物制剂，可按多种方式分类，在农业、公共卫生和非农业领域广泛使用。然而，当前对农药的过度依赖缺乏环境可持续性。农药进入环境后，其命运受多种因素影响，且大部分无法到达目标位点，最终在大气、土壤、水和生物体内积累，水生生态系统成为主要的农药残留汇聚地。
农药对非目标水生生物产生负面影响，进而影响生物多样性，是全球变化的重要因素之一，但常被忽视。因此，需要加强对农药的监测，以保护生态系统健康、保障生物多样性、确保水质安全并降低人类健康风险。
目前，农药在地表水和地下水广泛存在，不同水体中农药浓度各异。但关于农药在水中的限值立法仍不完善，部分国家未制定相关标准。欧盟虽有相关指令，但也仅针对部分物质设定限值。
传统的农药监测方法主要基于气相色谱（GC）、液相色谱（LC）与质谱（MS）联用技术，这些方法虽灵敏度高，但存在诸多缺点，如样品制备复杂、成本高、无法实时监测、依赖专业技术人员、地理局限性大且难以检测新农药及转化产物等。
二、生物传感器在农药监测中的应用
生物传感器是一种能测量化学和生物反应并提供半定量或定量信息的集成装置，其工作原理基于特定的生物识别，由生物识别元件、换能器和信号处理系统组成。根据检测的转换方法或生物识别元件，生物传感器可分为多种类型，如光学、电化学、压电、量热型，以及酶生物传感器、免疫传感器、适配体传感器、全细胞生物传感器等。近年来，纳米技术和纳米材料的应用推动了生物传感器的发展。
- 酶生物传感器酶生物传感器是最早开发的生物传感器类型。在农药检测中，胆碱酯酶（尤其是乙酰胆碱酯酶（AChE））应用广泛，它对多种化学物质敏感，可用于检测有机磷和氨基甲酸酯类农药。例如，通过将 AChE 固定在修饰电极上，利用底物水解产生的电催化活性变化来检测农药。除 AChE 外，丁酰胆碱酯酶、酪氨酸酶、脲酶等也用于酶生物传感器。多酶联用有时能拓宽检测范围，提高检测效果。
- 免疫传感器免疫传感器基于抗原 - 抗体反应，生物识别元件为抗原 - 抗体复合物。它可分为无标记和有标记免疫传感器，前者测量抗原 - 抗体结合引起的物理变化，后者则借助信号产生标记实现更灵敏的检测。免疫传感器检测农药具有快速、高通量、准确、特异性强等优点，但存在抗体生产困难、成本高、易受环境影响、抗体交叉反应等问题。开发宽特异性抗体可用于多残留监测。
- 适配体传感器适配体传感器以适配体为生物识别元件，适配体是通过体外筛选获得的短单链 DNA 或 RNA 序列，能特异性结合目标分子，被称为 “化学抗体”。适配体具有独特的结构，可与多种目标结合，且制备简便、特异性高、稳定性好。适配体传感器也可分为无标记和有标记类型，基于颜色变化、纳米颗粒聚集等原理实现检测。目前已开发出多种用于检测不同农药的适配体传感器。
- 全细胞生物传感器全细胞生物传感器以活细胞作为生物识别元件，可利用细胞的固有能力或通过基因工程构建检测系统。不同类型的细胞（如细菌、真菌、藻类等）用于环境监测的生物传感器开发。全细胞生物传感器相对易于开发，能代谢多种化合物，稳定性高，还可提供分子生物传感器无法提供的信息，但存在细胞活性和 viability 受环境影响、基因工程细胞响应时间长等问题。通过报告基因表达可实现对农药的检测，酵母等细胞在生物传感器开发中具有潜力。
三、生物传感器的优势与挑战
生物传感器在环境监测中具有诸多优势，如操作简单、样品制备要求低、灵敏度高、特异性强、便携且能提供实时结果，成本效益高且环保。
然而，生物传感器的广泛应用面临一些挑战。其生物组件易降解或失活，导致保质期短；环境因素会影响其准确性和可靠性；多数生物传感器难以同时检测多种污染物；针对除草剂和杀菌剂的生物传感器开发相对较少；在监管框架内的应用也受限，缺乏统一的性能评估协议和标准。
四、结论与展望
生物传感器作为一种有前景的技术，可作为传统监测方法的补充，在分级评估中发挥初步筛选作用，提高监测效率。为推动生物传感器的广泛应用，需要增强其稳定性，确保在不同环境条件下的准确性和可靠性，加强传感器开发者与监管机构的合作，建立统一的校准协议和性能标准。通过持续的研究和开发，有望充分发挥生物传感器在农药监测中的潜力，保障环境安全。
