黄璞 薛长颖

（大连理工大学生物工程学院，大连 116000）

有机磷农药（Organophosphorus pesticides，OPs）是一类含有磷元素的有机农药，因其具有与乙酰胆碱类似的结构，可直接抑制虫类的胆酰酯酶，具有显著的杀虫效果。在农业生产领域，有机磷农药的使用量占农药总使用量的34%以上[1]，是我国使用量较大的一类农药。尽管有机磷农药能高效保护农作物在生长过程中免受病虫害的侵蚀，然而在使用过程中，农药会渗透进入土壤，同时也会残留在植株上。残留的农药经瓜果蔬菜等农产品最终富集到人体中，不同程度地危害人体健康[2]，轻者可引起急性中毒，使人出现呼吸困难、心律紊乱、缺氧和昏迷等症状；长期累积还会导致肝脏、心脏等内部器官受损，也会引起婴幼儿基因突变、发育畸形甚至癌症等慢性中毒的现象。因此，为了防止有机磷农药残留对人体健康的危害，发展快速、灵敏地检测果蔬等农产品中有机磷农药残留的技术十分必要，并且意义重大。

目前，常用的有机磷农药检测方法有色谱法[3]、酶联免疫分析法[4]、电化学法[5]和荧光法[6]等。其中，色谱法和质谱法是传统的检测有机磷农药的方法，需要大型设备、配备齐全的实验室和专业的检测人员，不适于现场快速检测。电化学方法尽管具有检测范围广、方便快捷和检出限低等优点，但在实际样品检测过程中，该方法易受环境因素干扰，检测结果不稳定。荧光法是一种基于不同有机磷分子对紫外光或可见光的吸收波长不同而发展起来的检测方法，能够灵敏、快速和选择性地检测有机磷农药，并可实现现场检测；但荧光法需要使用高浓度的荧光团，易导致荧光聚集猝灭。酶联免疫法是一种需要酶或荧光标记显示检测结果的检测方法，检测过程复杂耗时。上述方法虽然比较简单，但都需要额外的操作或设备辅助读取检测结果，不适于简便快捷的实时检测。因此，开发免标记、简便快速、高灵敏度和高选择性的有机磷农药快速实时检测方法是一个重要的研究方向。近年来，生物传感技术被视为传统检测方法的补充或替代方法，因其可简化检测过程中样品的制备流程，使现场检测更简便和快捷，因而受到广泛关注。

生物传感器一般由分子受体和换能器2 个元件组成。分子受体是一种用于识别分析物的元件，目前，用于有机磷农药检测的分子受体通常为乙酰胆碱酯酶（AChE）[7]、碱性磷酸酯酶（ALP）[8]和适配体[9]等。换能器是一类将分析物与分子受体相互作用产生的生物或化学信号转换为可供检测的光信号、热信号、声信号或电子信号的元件，产生的信号强度通常与分析物的浓度成比例关系。这些信号转换通常需要荧光或酶标记，以及仪器辅助读取结果，不便于快速实时检测。液晶（Liquid crystals，LCs）是介于液体和固体之间的一种特殊的物质状态，液晶基元既能感知其周周的微小变化，又能将这种变化转化为肉眼可辨的信号，集感知和信号转换功能于一体。基于这些优点，液晶在快速检测方面展现了独特的优势和应用前景。液晶传感已被应用于蛋白质、核酸、重金属离子、微生物等化学或生物分子[10-14]的检测中，广泛应用于生命科学、临床医学和食品安全等领域。

本文主要对液晶传感进行简要介绍，并针对近年来液晶传感在有机磷农药检测方面的研究进展进行综述，以期为研究和开发有机磷农药残留的快速检测技术提供参考。

1 液晶传感器的检测原理及构建方式

1.1 液晶传感器的检测原理

根据生成方法的不同，液晶可分为热致型和溶致型。热致型液晶是基于温度变化产生的，当温度逐渐上升时，固态的晶格结构逐渐形成有一定分子序列的中间相。热致型液晶的分子通常为杆状或圆盘状，并且分子结构含有刚性的苯基或联苯，一端连接烷烃链，另一端是极性基团。热致型液晶分子对基底表面的物理或化学变化极其敏感。依据分子排列方式和有序性的不同，热致型液晶又分为向列相、近晶相和胆甾相。溶致型液晶主要是在溶液体系中形成，分子的一侧是亲水区域，另一侧是疏水区域。将溶质与溶剂按照适当比例混合后，双亲性溶质在溶剂中形成特殊的排列结构，进而表现出中间相，液晶相结构的转变是由溶液浓度变化引起的。本文主要关注热致型液晶的使用，目前在液晶传感技术中，应用最为广泛的热致型液晶是向列相液晶4-氰基-4′戊基联苯（5CB）。

液晶分子一般为刚性的棒状分子，如向列相液晶是圆柱对称的，存在一个分子长轴和短轴。液晶分子也是极性分子，由于分子间作用力，当液晶分子集合在一起时，分子长轴总是互相平行的，其长轴的平均趋向即是其择优取向。另外，由于液晶分子的两端和侧面所接的分子基团不同，其在长轴和短轴方向上的性质也有所不同，导致液晶具有各向异性的特点，光学各向异性的性质是液晶显示的工作基础。液晶会对入射光产生两束折射光，一束折射光遵守折射定律（称为寻常光，o 光），在晶体内各个方向的光速相等，折射率相等，光的折射方向不变；另一束折射光不遵守折射定律（称为非寻常光，e 光），在各个方向的光速不等，折射率也不相等，光的折射方向发生变化，这即是液晶的双折射特性（图1A）。当入射光为偏振光时，液晶会使透光的光轴发生变化，产生两束相位差不同的折射光束，通过检偏器，出射光变为可见的、人眼能感知的具有灰度特征的图像。液晶分子的取向不同，透光光轴的倾斜程度不同，两束折射光间的相位差发生变化，出射光的颜色也发生相应的改变。因此，具有垂直排列取向的液晶分子的纹理在正交偏振器下的视野会变暗（图1B（a））；非垂直排列取向的液晶分子在正交偏振器下的视野是明亮的，并且由于两条正交光线之间的干涉，通过正交偏振器可以观察到液晶的彩色光学纹理（图1B（b））。关于液晶分子光学特性的详细介绍可进一步参考其它文章[15]。

图1 （A）液晶分子双光轴示意图；（B）在偏光光学显微镜（POM）下，光透过（a）垂直于平面排列和（b）平行于平面排列的液晶的光路图Fig.1 (A)Schematic of birefringence of liquid crystals(LCs);(B)Light path through LCs with(a)homeotropic orientation and (b) plannar orientation under polarized optical microscope (POM)

液晶分子对表界面拓扑结构的变化非常敏感，任何分析物引起的外部刺激导致的微小表界面变化都可使液晶分子的取向改变。一方面，表面分子的尺度结构会影响液晶分子的取向，例如，玻璃基底被连有甲基基团的硅烷试剂修饰后，当硅烷化试剂的烷基链碳链原子数为6～10 时，液晶呈现倾斜于表面的排列；当烷基链碳链原子数大于12 且处于某个范围之间时，液晶呈现垂直于表面的排列，如液晶在二甲基十八烷基[3-（三甲氧基硅基）丙基]氯化铵（DMOAP）和十八烷基三氯硅烷（OTS）等修饰的基底[16]。另一方面，其它分子与液晶分子之间的相互作用力（如氢键、静电相互作用和配体配位作用等）也会影响液晶分子的取向，例如，在水溶液中加入对硝基苯酚，由于酚类物质的酚羟基与5CB 分子氰基间的氢键作用，液晶/水界面上倾斜排列的液晶5CB 会由倾斜于平面取向转变成垂直于平面取向[17]。文献[18]从分子水平上详细介绍了液晶的自由能及弹性，但锚定能量变化的潜在机制仍需进一步探索。

液晶对表界面微小变化的敏感及其光学各向异性的特点是液晶传感技术的基础。液晶传感器设计的基本原则是引入目标检测物后，液晶分子从特定的初始排列状态转变为其它分子排列状态，随着液晶分子取向的变化，液晶元件的光学特性发生变化，从而输出可辨的视觉信号[19]。构建液晶传感器首先需要对基底进行修饰，以固定识别分子并诱导液晶分子形成有序的初始排列；然后，利用识别分子与待测物质之间的相互作用产生的空间尺度变化或者界面作用力变化，使液晶分子取向重新排布，这一取向变化会改变液晶对可见光折射和偏振的能力，使得液晶膜颜色和亮度发生变化，从而实现对目标物的检测识别。另外，为使液晶分子更好地响应样品中的分析物，提高对低浓度或小分子物质的检测能力，研究者利用纳米材料与待测物形成复合物的方法增加待测物的空间尺寸，进而放大信号[20-21]，使得液晶分子的取向变化更灵敏。同时，也有研究者利用目标分析物与识别分子反应后的产物引起掺杂入体系中的纳米材料发生反应，进而引起液晶取向的变化，实现信号放大[22]。这些方法在有机磷农药的检测中都取得了一定的进展。

1.2 液晶传感器的构建方式

液晶传感器的构建对实现待测物质的检测至关重要，基于传感器界面相的不同，可将液晶传感器分为液晶-固相传感器和液晶-液相传感器。

1.2.1 液晶-固相传感器的构建

液晶-固相传感器主要采用构筑液晶池的方式。液晶被夹在两个功能化的玻璃表面之间，识别分子被固定在功能化的基底表面。这种传感器制备操作简单，性能稳定，受外界干扰小，易于定量分析，常用于检测有机磷农药、DNA、抗原、抗体、病毒和多肽等物质[23-26]。

液晶-固相传感器的制备主要分为3 步：（1）基底的修饰；（2）识别分子的固定；（3）液晶池的构建。基底修饰的目的是诱导液晶分子的有序初始排列，目前采用的方法有物理摩擦法[27]、金膜法[28-29]和自组装法[30]等。物理摩擦法是利用尼龙、纤维以及棉绒等材料对取向膜定向摩擦。该方法操作简单，但容易破坏基底表面，并且固定的功能分子容易脱落。金膜法是在基底表面电镀上一薄层金，这对操作技术和设备要求都比较高，并且构建成本也较高。因此，自组装修饰的方法目前被普遍用于制备液晶传感器基底，最常用的修饰分子是硅烷化试剂，如DMOAP 和OTS 等。另外，基底的表面通常还需引入功能分子，以固定识别分子，常用的功能分子有3-氨丙基三乙氧基硅烷（APTES）和三乙氧基硅基丁醛（TEA）等，用于连接蛋白质和氨基酸等生物识别分子。液晶池的构建如图2A 所示，即将两片玻璃基底和液晶以三明治的方式构建，其中，上层基底通常是DMOAP 或OTS 修饰的玻片，以诱导液晶分子垂直排列；下层通常是识别分子修饰的玻璃基底；两片玻璃基底之间以薄膜（6～20 μm）隔开，液晶依靠虹吸力进入两玻璃片夹层，形成液晶池，实物如图2B 所示。

图2 液晶池（A）示意图及其（B）实物图Fig.2 (A) Schematic and (B) real image of LCs cell

1.2.2 液晶-液相传感器的构建

液晶-液相传感器的构建主要有网格法和液滴法。（1）网格法 在经DMOAP 或OTS 处理过的载玻片上平铺透射电子显微镜（TEM）铜网或金网，将液晶注入到网格中并把多余的液晶用毛细管吸走后，将其置于待检测溶液中而得到液晶-液相检测界面[31-33]，如图3A 所示。网格法最早由Abbott 研究组设计构建[34]，其优点在于实现了反应的微型化和阵列化，易于定量分析。目前，采用网格法构建的液晶-液相传感器已被应用于DNA 检测[35]、细胞毒性测试[36]、磷脂酶的性质研究[37]和胰蛋白酶检测[38]等。（2）液滴法 是一种直接将液晶或液晶与表面活性剂等的混合物滴加于基底表面，观察检测物引入前后液晶织构变化的方法[39]。此方法是基于液晶液滴具有较大的比表面积及丰富的形貌织构。液滴表面锚定能量的微小变化会在指向矢场中发生显著变化，通过偏光显微镜可观察到形貌织构的变化[40]。液滴法主要通过在液晶中掺杂包括表面活性剂在内的两亲分子形成液晶-液相界面以构建传感器，如图3B 所示。目前，采用液滴法构建的液晶-液相传感器已被用于检测卡那霉素[41]、青霉素酶[42]和尿素[43]等物质。

图3 液晶-液相传感器的构建示意图：（A）网格法，透射电子显微镜（TEM）铜网或金网被平铺于经二甲基十八烷基[3-（三甲氧基硅基）丙基]氯化铵（DMOAP）或十八烷基三氯硅烷（OTS）处理过的载玻片上后，（a）液晶在水/液晶（LC）界面倾斜于平面的取向，以及（b）加入表面活性剂后液晶在水/液晶界面上呈现垂直于平面的取向；（B）液滴法，不含表面活性剂的液滴以及含有表面活性剂的液滴被滴加在基底表面后，液晶在偏光显微镜下呈现（a）扇形及（b）十字花的织构Fig.3 Schematic of liquid crystal-aqueous phasesensor.(A) Schematic diagram of method based on grid.In transmission electron microscopy (TEM) copper or gold mesh laying on dimethyloctadecyl [3-(trimethoxysilyl)propyl]ammonium chloride(DMOAP)or octadecyltrichlorosilane(OTS)treated slides:(a)LCs incline to planar orientation at the water/LCs interface and(b)LCs show perpendicular orientation at the water/LCs interface after addition of surfactants.(B) Schematic of method based on droplet: (a) In the absence of surfactants,LCs show sector texture under polarizing microscope,and (b) in the presence of surfactants,LCs exhibit cross-flower texture under polarizing microscope

2 液晶传感器在有机磷农药检测中的应用

液晶能够感知周围微小的变化，并将其感知转化成肉眼可辨的信号，这有助于其在有机磷农药的快速便携式检测中的应用。迄今为止，已有许多液晶传感方法被开发用于有机磷农药的检测，不同检测方法的主要区别在于其识别分子的选取。本文将以其中应用的3 种主要识别分子（酶、金属离子以及适配体）为分类，对液晶传感器用于有机磷农药检测的进展进行分析总结。

2.1 基于酶反应的液晶传感器

由于酶可选择性地与底物发生反应，因此，酶抑制、酶催化和酶水解等反应机制被应用于液晶传感。在添加有机磷农药前后，由于上述酶反应，液晶分子的空间取向会发生变化，从而输出不同的光学信号，通过观测这些光学信号可实现目标物的检测。具体而言，有机磷农药具有与乙酰胆碱类似的化学结构，可特异性地与AChE 结合，当有机磷农药存在时，能够抑制AChE 的活性，使其无法催化乙酰胆碱的水解反应，从而使液晶传感器在“有/无”有机磷农药时的响应不同，基于此，实现对有机磷农药的检测。目前，AChE 是检测有机磷过程中使用最多的一类酶，作为传感器识别分子的酶还有丁酰胆碱酯酶（BChE）[44]、酪氨酸酶[45]以及碱性磷酸酯酶（ALP）[8]等。

AChE 作为识别分子，通常与肉豆蔻酰胆碱（Myr，表面活性剂，可诱导液晶分子垂直排列）联合使用。AChE 水解Myr，使液晶空间取向发生变化，当有机磷农药（AChE 抑制剂）存在时，AChE 无法水解Myr，导致液晶空间取向不同，从而实现对有机磷农药的检测。Wang 等[46]报道了一种基于AChE 的液滴检测平台。此平台用AChE 介导表面活性剂Myr 的水解，破坏表面活性剂的单分子膜，液晶与预先孵育的AChE 和Myr 混合物接触时，产生明亮的扇形液晶图案（图4A 右图）；当仲丁威和乐果等AChE 抑制剂加入后，抑制了AChE 对Myr 的水解，使液晶呈现深色十字形（图4A 左图），由此实现了对农药仲丁威和乐果的检测，检出限分别为1 ng/mL 和0.1 ng/mL。Nguyen 等[47]展示了一种基于液晶的微毛细管传感平台，液滴通过向经OTS 处理的微毛细管中依次注入液晶和水溶液而形成。当LCs 液滴与非表面活性剂溶液（如PBS 溶液）接触时，在POM 下可观察到两条亮线的光学图像，与LCs 分子在水/LCs 界面的垂直取向耦合（图4B（a））。在引入Myr 溶液后，Myr 分子的两亲特性使其锚定在水/LCs 界面上，导致LCs 分子的取向发生变化而呈现四瓣结构的光学图像（图4B（b）），与界面处LC 分子的水平取向耦合。AChE 催化Myr 水解成胆碱和肉豆蔻酸，水解的Myr 无法在水/LCs 界面形成单层，液晶重新垂直排列，呈现两条亮线（图4B（c））。因此，当液晶与Myr 和AChE 的预孵育混合物接触时，受限的LCs 液滴呈现出两条亮线的光学图像，对应于LCs 的垂直取向。如果混合物中存在抑制AChE 的杀虫剂，AChE 无法水解Myr，Myr锚定在界面上，导致液晶液滴呈现四瓣结构的光学图像，依据光学呈现的变化可实现对有机磷农药的检测。该传感平台对仲丁威和马拉硫磷的检出限分别为5.0 和2.5 pg/mL。与传统的液滴方法相比，这种微毛细管的方法具有更低的检出限，这可能是由于微毛细管的小尺度效应导致。该方法为高灵敏度的农药残留检测提供了一种简单、低成本、快速和无标记的策略，显示出巨大的实际应用潜力。

图4 （A）基于液滴法的液晶传感原理示意图：在液滴中加入能够水解肉豆蔻酰胆碱（Myr）的乙酰胆碱酯酶（AChE）后，界面处的液晶取向由垂直转变为倾斜于平面，POM 下液晶图像的变化（由深色十字形变为明亮的扇形）表明存在仲丁威或乐果[46]；（B）微毛细管型液晶传感检测仲丁威和马拉硫磷[47]Fig.4 (A) Schematic of LC sensor based on a LC droplet.After adding acetylcholinesterase (AChE) that can digest myristoylcholine (Myr) into LC droplet,the orientation of LCs changes from the homeotropic to the plannar.The change of LC images under POM(from the dark cross appearances to thebright fan-shaped images)shows the presence of baycarbor dimethoate[46].(B)Schematic of microcapillary-based LC sensor for detection of sec-butylvinyl and malathion[47]

基于酶解反应的液晶传感器，除AChE 外，有机磷农药对碱性磷酸酶的活性也有影响。Zhou 等[48]基于碱性磷酸酶（ALP）水解反应，采用液滴法构建了一个简单可靠的液晶传感平台，用于敌敌畏（DDVP）的灵敏和简便的检测。ALP 与表面活性剂十二烷基磷酸酯钠盐（SMP）的混合溶液可使液晶呈现扇形的织构（图5A）；而预先将DDVP 与ALP 混合，再加入SMP 溶液，则会诱导液晶出现十字花的织构（图5B），据此实现了对DDVP 的检测，检出限达0.1 ng/mL。该研究也对西红柿样本中的DDVP 残留进行了检测。该方法虽然没有进一步降低有机磷农药的检出限，但将ALP 作为识别分子引入液晶传感中，打破了酶识别方法对成本昂贵的AChE 的依赖，在有机磷农药检测方面展现了更加经济有效的应用价值。

图5 基于十二烷基磷酸酯钠盐（SMP）与碱性磷酸酶（ALP）混合溶液的液晶传感平台检测敌敌畏（DDVP）的原理示意图[48]：（A）未加入DDVP 时液晶滴呈扇形结构；（B）DDVP 存在时液晶滴呈十字花的结构Fig.5 Schematic of LCS sensing platform based on the mixed solution of sodium monododecyl phosphate(SMP)and alkaline phosphatase(ALP)for detection of dichlorvos(DDVP)[48]:(A)LC droplets show fan-shaped textures without DDVP;(B) LC droplets show cruciform textures in the presence of DDVP

近年来，以纳米金（AuNPs）和纳米银（AgNPs）为代表的纳米材料因具有优异的金属特性、大比表面积、小尺寸效应和独特的光学效应等特征，已被应用在有机磷农药的快速检测方面，用于转换、放大检测信号或降低检出限。Liao 等[49]将纳米金与AChE 和液晶传感技术相结合，对乙酰胆碱及其抑制剂即有机磷农药进行检测。AChE 催化AuCl4–还原为AuNPs，极大地影响了液晶分子的排列取向，导致液晶分子在偏光显微镜下的信号增强（图6），实现了直观检测有机磷农药的目的，对有机磷农药的检出限低至0.1 ng/mL。通常，AChE 只对样品中总的有机磷化合物有响应，无法区分有机磷的具体类别，研究人员尝试应用AuNPs 并同时基于同种活化剂对不同类别的有机磷农药抑制AChE 的活性程度不同进行活化实验[50]，进而区分甲胺磷、敌百虫和对硫磷这3 种不同种类的有机磷农药。这种应用对酶活性抑制程度不同的机理检测不同种类有机磷农药的方法为有机磷农药种类的区分识别提供了新思路。

图6 液晶生物传感器与金纳米颗粒（AuNPs）的逐步组装示意图[49]Fig.6 Schematic of the stepwise assembly of LC biosensor with gold nanoparticles (AuNPs)[49]

除AuNPs 和AgNPs 外，其它纳米材料也被用于液晶传感检测有机磷农药。如Qi 等[51]利用多金属氧酸盐/表面活性剂超分子微球构建了一个基于液晶的有机磷农药检测传感平台。自组装球由聚甲醛、十二钨磷酸钠（PW12）和表面活性剂Myr 的杂化材料组成（图7A）。表面沉积的超分子微球被AChE 水解时，液晶显示出明亮的外观（图7C），对应于液晶在水/液晶界面上的水平取向。当有机磷农药存在时，由于其为AChE 的有效抑制剂，不会使AChE 发生水解，液晶在界面处垂直排列，呈现黑暗的光学图像（图7B）。液晶取向及其光学输出在有/无有机磷农药时展现了明显的差异，从而实现了对有机磷农药的检测，该传感平台对乐果的检出限为0.9 ng/mL。与只有Myr 在水/液晶界面的液晶检测系统相比[46]，该方法将Myr 与PW12组成超分子微球引入水/液晶界面检测体系，能识别乐果与牛血清白蛋白混合液中的乐果（50 ng/mL 乐果，1 mg/mL 牛血清白蛋白），而前者却不能。这表明将AChE 水解响应的Myr 制备成超分子微球的设计能显著提高液晶对有机磷农药的检测灵敏度，同时可减少外界环境因素对检测的干扰，为有机磷农药的实时检测提供了一种新策略。

图7 基于多金属氧酸盐的酶响应超分子材料构建的液晶传感平台检测乐果和AChE[51]：（A）十二钨磷酸钠（PW12）/Myr 超分子球的自组装和解体过程；（B）乐果和（C）AChE 的检测原理示意图Fig.7 Schematic illustration of detection of dimethoate and AChE using LC-based sensing platform by using polyoxometalate-based enzyme-responsive supramolecular materials[51]: (A) Schematic of self-assembly and disassembly process of sodium dodecatungstophosphate(PW12)/Myr supramolecular spheres;Detection principle of (B) dimethoate and (C) AChE

除了使用偏光光学显微镜呈现检测结果外，另外还有其它一些方法也被开发应用于液晶检测信号的放大。如Duan 等[52]报道了一种基于回音壁模式（Whispering gallery mode，WGM）激光的液晶传感器，此方法应用了WGM 共振和液晶5CB 分子的双重放大。生物过程中的微小变化将导致液晶光学成像变化及WGM 光谱响应，同时光谱响应进一步提供有关液晶/水溶液界面的分子吸附/解吸信息，从而作为酶反应的双重指示剂用于AChE 及其抑制剂有机磷农药的高灵敏度检测（图8）。此方法对杀菌威和乐果的检出限分别低至0.1 和1.0 pg/mL，远低于水质标准规定的农药标准水平。WGM 光谱共振进一步加强了液晶分子取向的变化，显著提高了检测的灵敏度，但该方法需要使用微谐振器，在设备齐全的实验室才能进行。虽然该方法的检出限较低，但检测流程复杂，专业程度要求高，不适于有机磷农药的现场便携式检测。

图8 基于回音壁模式（WGM）的液晶传感技术检测AChE 及其抑制剂的原理示意图[52]。5CB 微滴在（A）纯PBS 溶液（pH=7.4）、（B）Myr 水溶液和（C）Myr 与AChE 混合水溶液中产生的结构转变。（D）具有径向（黑线）和双极（红线）配置的5CB 微滴的WGM 激光图谱。插图1 和2 分别显示了径向和双极构型的示意图；插图3 和4 分别显示了具有径向和双极构型的激光微滴的POM 图案。标尺：20 μm。（E）5CB 分子垂直和平行取向时，横电波（TE）模式WGMs 的电场振荡示意图。黄色的长形物体代表5CB 分子Fig.8 Schematic of detection of AChE and its inhibitor by liquid crystal sensor based on whispering gallery mode (WGM)[52].Structural transition of 5CB microdroplets generated in (A) pure PBS solution (pH=7.4),(B)Myr aqueous solution and(C)mixed aqueous solution of Myr and AChE.(D)WGM lasing of 5CB microdroplets with radial (black line) and bipolar (red line) configurations.Insets 1 and 2 show the schematic of radial and bipolar configurations,respectively.Insets 3 and 4 show the POM patterns of lasing microdroplet with the radial and bipolar configurations,respectively.Scale bar:20 μm.(E)Schematic view of the electric field oscillation of transverse electric(TE)mode WGMs when 5CB molecules in perpendicular and parallel orientation.The yellow prolateobjects represent 5CB molecules

酶反应构建的液晶传感器具有体积小、响应快和灵敏度高等优势，但是酶法中使用的酶（如胆碱酯酶）通常源自动物，价格较昂贵，在快速检测和应用中仍存在一定的限制。同时，基于酶反应的方法对反应条件（如温度和酸碱度等）的要求较高，易受外部环境的影响，其检测稳定性有待提高。

2.2 基于金属离子探针的液晶传感器

金属离子探针液晶传感器是用金属离子作为识别分子，通过金属离子、有机磷与液晶的竞争作用实现有机磷农药的检测。液晶分子（如5CB）中的氰基和有机磷农药中的磷脂基均可与金属盐中的阳离子相互作用形成配合物。利用竞争反应的机制，在检测有机磷农药前后，液晶分子的取向发生改变，从而输出不同的光学信号，基于此实现对机磷农药的检测识别。基于液晶和有机磷对金属离子的竞争作用发展出的液晶传感方法，相比酶反应的方法，其传感器构建更简单，检测不易受环境影响，稳定性强。

金属离子探针液晶传感器对有机磷类物质的检测多聚焦于有机磷气体，如对甲基膦酸二甲酯（DMMP）或其它有机磷神经毒气[53-55]。Yang 等[56]利用8CB 的氰基（—CN）和DMMP 对表面固定的Cu2+竞争性结合驱动，研究沉积在Cu2+表面上的微米级厚的液晶薄膜对DMMP 的响应，可检测出气相中10-9（ppb）水平的有机磷酸酯化合物。赵建军等[57]通过在具有微米级沟槽的玻璃基底上进行平面镀金，制备了具有相同沟槽周期的金膜，并用Cu2+修饰具有微米形貌的金膜，基于此基底实现了对DMMP 的检测。王普红等[58]在玻璃基底上采用微接触印刷法制备了微米级沟槽结构的有机膜，同时利用硅烷化试剂3-[2-（2-氨基乙基氨基）乙基氨基]丙基-三甲氧基硅烷（AEEPMS）组装出活性位点，并用铜网固定液晶膜。利用液晶分子的端基—CN 与Cu2+发生弱的键合作用构建传感器，用于敌敌畏（DDVP）蒸气的检测。当DDVP 以1 L/min 的流速吹向液晶膜时，液晶分子与自组装膜上Cu2+之间的弱键合作用被较强的Cu2+与DDVP 磷酯键之间的配位作用取代，液晶膜发生从暗到亮的改变，从而实现对DDVP 的识别，检出限可低至0.051 g/m3，并可重复50 次以上检测0.114 g/m3的DDVP，此传感器具有良好的抗干扰性。另外，其响应时间随着DDVP 蒸气浓度的增加而缩短，而恢复时间变长。王诗鸣等[59]进一步研究了Cu2+浓度与有机磷农药检测之间的关系，将液晶5CB 滴入Cu2+功能化的表面，发现其随时间变化而呈现由亮变暗的光学表征变化，并且所修饰的Cu2+浓度越高，液晶转为全暗态所需的时间越短；当通入DMMP 气体时，液晶传感器又逐渐从暗态恢复到亮态，并且其对DMMP 的光学响应灵敏度与Cu2+浓度相关，Cu2+浓度越低，传感器对DMMP 的光学响应速度越快。

对于金属离子探针液晶传感器，除Cu2+外，其它金属阳离子（如Fe2+、Zn2+、Cd2+、Ni2+、Co2+、La3+、Al3+、Eu3+和Fe3+等）也可诱导液晶呈现垂直取向，其中以Fe3+作用程度最强[60]。因此，不同金属阳离子构建的液晶传感器对有机磷的检测研究也引起了关注。Cadwell 等[61]将金属高氯酸盐（Cu2+、Ni2+、Al3+、Zn2+、Fe3+）沉积到固体表面，并采用向列液晶E7 薄膜检测有机磷神经毒剂沙林（GB）、梭曼（GD）、塔崩（GA）和维埃克斯（VX）蒸气。当E7 的向列膜暴露于GB、GD、GA 或VX 蒸气时，液晶从垂直方向排列转变为倾斜或水平方向取向。沉积高氯酸铝的E7 薄膜分别暴露于GB、GD、GA 或VX 时，液晶都发生方向性转变；沉积高氯酸锌的E7 薄膜只有暴露于GB 或VX 时才会发生排列方向转变；沉积高氯酸铁的E7 薄膜只有暴露在GB 时才会发生液晶取向转变。不同金属阳离子对有机磷展现了不同的敏感度。在这些有机磷神经毒剂中，检测VX 毒剂的蒸气压最低，约为140 ppb，在60 s 内发生响应；而具有较高蒸气压的GB、GD 和GA 试剂分别在15、15 和60 s 内引发了液晶的明显光学响应。

目前，基于金属离子的液晶传感器主要用于检测有机磷神经毒气及DDVP 蒸气，尚未见将其直接用于液态有机磷农药的检测。本研究组基于上述研究报道，并根据有机磷农药的P=O 键或P=S 键与金属阳离子配位形成络合物的相同机理，开展了液晶传感用于液态有机磷农药的快速实时检测研究。

2.3 基于适配体的液晶传感器

寡核苷酸适配体与目标靶分子的相互作用类似于抗原与抗体之间的结合，其平衡解离常数（KD）通常在pmol/L～μmol/L 之间，对目标分子的亲和性特别高，可作为检测的识别分子。近年来，由于指数富集的配体系统进化（Systematic evolution of ligands by exponential enrichment，SELEX）技术的进步，越来越多的核酸适配体被筛选出来，并作为识别分子用于蛋白质、核酸、金属离子和小的有机分子等多种物质的检测[13]。液晶传感技术也应用核酸适配体作为识别分子，对三磷酸腺苷（ATP）[62]、磺胺二甲氧嘧啶[63]、多氯联苯[64]、莱克多巴胺[65]、激素[66]、蛋白质[67-70]、抗生素[71-72]和重金属离子[73-74]等多种分析物进行分析检测。在有机磷农药残留检测中，已经证实有多种适配体核酸序列可用于有机磷农药的特异性检测[75]，并具有高度的亲和性和特异性。

Jang 等[76]将适配体作为识别分子开发了一种液晶传感器用于检测马拉硫磷。将3-缩水甘油基氧丙基三甲氧基硅烷（GOPS）和DMOAP 按体积比10∶1 混合用于修饰玻璃基底并作为自组装层，利用适配体（序列5′-ATCCGTCACACCTGCTCTTATACACAATTGTTTTTCTCTTAACTTCTTGACTGCTGGTGTTGGCTCCCGTAT-3′）作为识别分子，构建液晶传感器。马拉硫磷分子与适配体结合，扰乱了液晶的空间取向（图9A）。在POM 下可以观察到从明亮图像到黑暗图像的转变；在最佳条件下，马拉硫磷的检出限为2.5 pmol/L（即0.826 pg/mL）。采用该传感器对自来水样品进行了检测，随着自来水中马拉硫磷浓度降低，无规则液晶织构逐渐减少（图9B）。另外，该研究将图像的灰度与马拉硫磷的浓度关联，发现图像灰度值与浓度的对数值在0.001～100 nmol/L 范围内呈良好的线性关系，线性相关系数为0.979（图9C），这表明可通过图像的灰度值获得样品中马拉硫磷浓度的信息。该研究为定量分析检测样品中有机磷农药的浓度提供了一种新方法。

图9 （A）基于适配体的液晶传感器检测马拉硫磷分子的示意图；（B）浸入具有不同马拉硫磷浓度的自来水样品后的液晶池光学图像：（a）100 nmol/L，（b）10 nmol/L，（c）1 nmol/L，（d）100 pmol/L，（e）10 pmol/L，（f）1 pmol/L；（C）液晶池偏光图像灰度强度与马拉硫磷浓度的对数之间的相关性[76]Fig.9 (A)Schematic of aptamer-based LC sensor for detection of malathion molecule;(B)Optical images of the LC cells recorded after immersion in tap water samples with different concentrations of malathion: (a)100 nmol/L,(b)10 nmol/L,(c)1 nmol/L,(d)100 pmol/L,(e)10 pmol/L,and(f)1 pmol/L;(C)Correlation between the grayscale intensity of the images of LC cells,and the logarithmic concentration ofmalathion[76]

该研究组在随后的研究中[77]又将表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）水溶液引入基于该适配体的液晶传感器中，CTAB 在水/液晶界面处形成了自组装的CTAB 单分子膜，导致垂直的液晶取向；随着马拉硫磷适配体的加入，CTAB 与适配体的相互作用使液晶从垂直取向转变为平行取向，形成明亮的光学图像（图10）。马拉硫磷存在时，适配体-马拉硫磷复合物的形成改变了适配体的构象，从而削弱了适配体与CTAB 之间的相互作用。该传感器对马拉硫磷的检测具有很高的特异性，检出限可达0.465 nmol/L。该研究还将液晶与含有200 nmol/L 适配体和不同浓度马拉硫磷的预孵育混合物接触，以测试传感器对马拉硫磷的定量检测性能。随着马拉硫磷浓度从1 nmol/L 增加到600 nmol/L，液晶光学图像逐渐从亮变暗，对应液晶分子从平面到垂直的有序取向转变。样品中马拉硫磷的浓度越高，获得的光学图像越暗，据此可判断样品中马拉硫磷的浓度范围，但无法准确获得实验浓度以外的样品浓度信息。

图10 基于自组装十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）后的适配体液晶传感器用于检测马拉硫磷分子的示意图：（A）CTAB 在水溶液/液晶界面上的自组装诱导液晶垂直取向；（B）CTAB 与适配体在界面处的相互作用干扰液晶的垂直取向；（C）适配体与马拉硫磷结合后，适配体的构象变化使其对CTAB 的干扰变小，不再影响液晶的垂直取向[77]Fig.10 Schematic of detection of malathion molecule based on aptamer-LC sensor after self-assembley of aqueous cetyltrimethylammonium bromide(CTAB):(A)Self-assembly of CTAB at aqueous/LC interface induces homeotropic orientation of LCs;(B)Interactions between CTAB and aptamer at the interface disturb homeotropic orientation of LCs;(C) Upon binding with malathion,the conformational change of the aptamer renders CTAB free to induce homeotropic alignment of LCs[77]

目前，基于核酸适配体的液晶传感器在有机磷农药检测方面的应用研究还较少，主要研究都集中在对已筛选出的少量核酸适配体作为识别分子检测有机磷农药的有效性研究方面。尽管每种适配体能具体识别一种有机磷农药，但无法整体识别有机磷这一类农药，在面对无需区分某一种具体农药的检测时，该方法所受局限较大。

3 总结与展望

本文对液晶传感技术的检测原理及构建方式进行了简要介绍，并对液晶传感技术在有机磷农药检测方面的研究进展进行了评述。目前，液晶传感技术在有机磷农药检测中的研究主要集中在酶反应识别、金属离子识别和适配体识别3 个方面，以酶反应识别研究最为广泛。这些方法虽然取得了很好的检测效果，但仍存在一些不足。其中，酶反应识别方法受酶来源、酶活性以及酶反应条件严苛所限，并且检测成本较高，检测的稳定性有待提高；金属离子识别的方法目前主要集中在对气态有机磷的检测研究方面，对液态有机磷农药的检测有待进一步研究开发；适配体识别方法虽然检测识别度较高，但已开发的针对有机磷农药的适配体较少，同时，一个适配体只能选择性识别某一具体有机磷农药，无法整体识别有机磷这一类农药。另外，已开发的液晶传感器目前多适用于判断样品中有机磷农药存在与否的定性检测，少部分研究应用偏振光图像的灰度值对样品中的有机磷农药进行浓度的半定量分析。因而，采用液晶传感对有机磷农药进行定量分析仍有待进一步开发与研究。液晶传感技术对建立简便、准确、灵敏和快捷的有机磷农药的实时检测方法将起到极大的推进作用。