综述：可持续纳米生物传感在环境、食品安全、农业和医疗保健应用中的进展

本综述系统阐述了纳米生物传感（nano-BSEs）技术的最新进展，重点介绍了用于构建纳米生物传感器的纳米材料（如纳米颗粒、碳纳米管、量子点等）的合成方法，及其在环境监测、食品安全、农业和医疗保健等领域的创新应用。文章深入分析了纳米生物传感技术如何利用纳米材料（NMs）的高比表面积、优异选择性和灵敏度等特性，克服传统检测方法耗时、昂贵等缺点，并展望了其在实现实时、现场诊断与监测方面的巨大潜力，同时讨论了当前面临的局限性、挑战及未来发展方向。

　　

引言

在当今时代，借助纳米生物传感器（nano-BSEs）对细胞、酶和抗体进行早期传感，以满足多种技术应用的需求，实现纳米生物传感技术的巨大可持续进步已成为当务之急。生物传感器（BSE）是一种电分析工具，结合了具有电化学或生物组分的物理化学指示器，主要用于识别生化反应。当受到纳米技术影响时，它被归类为纳米生物传感器。高效的纳米生物传感器已成为当前和未来场景下人们需求的组成部分，因为它们在我们生活方式的许多领域可能被证明是广谱的伴侣。

纳米生物传感器的工作过程非常简单：当目标分析物首先与生物组分发生相互作用，然后产生一个可量化的信号，该信号可以轻松监测任何生化活动。任何生物传感器通常包含（i）生物识别元件、（ii）换能器和（iii）微控制器/放大器类电子元件。L.C. Clark 发明的酶电极对纳米技术产生了真正的影响。随着生物传感器在广泛生物活动中的应用规模日益扩大，不可降解的生物传感器可能被证明对未来是缓慢而灾难性的。因此，开发由可生物降解材料制造的各种一次性传感器变得非常频繁。

纳米颗粒（NPs）天然存在于许多非生物环境因素和微生物产物中，对环境而言并不陌生。纳米材料（NMs）基传感器不仅在快速检测疾病生物标志物方面具有巨大潜力，而且在食品保鲜、农业和许多生物基应用中也是如此。如果将纳米生物传感器的独特特性与信号处理计算能力相结合，那么这些组合可以以极高的灵敏度和速度检测和分析生化信号。若这些信号再结合实时分析，则可以为研究人员和资源人士提供快速监测，有助于高效控制任何不利情况。

纳米生物传感器可以通过利用其独特特性来克服诸如交叉反应性（通过利用特定的纳米材料提高选择性从而减少交叉反应）、噪声降低（通过使用复杂的信号处理技术结合纳米材料固有的高表面体积比来增强信号强度并降低背景噪声）和低转换效率（通过利用纳米材料增强电子转移，并借助基于光学、电化学和压电方法的最新转换机制，将生物信号转换为可测量的输出）等问题。

在农业领域，生物分子的靶向递送是一个紧迫的问题，这可以通过使用纳米生物传感器轻松有效地进行监测和执行。纳米生物传感器也可以以多种其他方式用于多种农业操作。一些研究表明，纳米尺度导致的性质变化可用于创造具有改良结构和更好产品的新型材料。在植物病理学领域，纳米生物传感器的使用也被证明是一个福音。研究人员可以借助纳米技术早期发现植物疾病，这将有助于保护大量粮食免受可能的病害爆发。

在过去的十年中，纳米生物传感器在食品保鲜和食品包装领域被证明是一个福音。自然情况下，霉菌毒素是食品储存和加工单位的主要敌人之一，这种霉菌毒素污染可能发生在农业和农基产品种植和加工的任何阶段。像温带地区和印度次大陆这样温暖潮湿的环境通常非常有利于真菌和其他微生物的生长。目前，已鉴定和报告了超过400种霉菌毒素。其中，黄曲霉毒素、赭曲霉毒素、脱氧雪腐镰刀菌烯醇、玉米赤霉烯酮和伏马毒素是一些对人类和动物最常见和最有害的霉菌毒素。

因此，美国食品药品监督管理局（US FDA）和其他国际食品和药物监管机构在全球范围内对食品和农产品中的霉菌毒素和其他有毒物质设定了严格的最大残留限量。甚至农产品和消费食品及饮料的国际贸易也必须严格遵守这些食品安全法规。毫无疑问，纳米生物传感器的正确使用将为这些食品法规的妥善实施提供更好的解决方案。食品添加剂颗粒的不同形状和大小可能对霉菌毒素活性起着重要作用，为此，许多纳米生物传感器（尤其是碳基纳米生物传感器）可能发挥巨大作用。

用于生物传感的纳米材料合成的最新进展

合成纳米材料的方法有多种。这些用于生物传感的纳米材料可以是金属的或非金属的。甚至金属纳米生物传感器也可以分为单金属和双金属。一些纳米生物传感器可以使用碳颗粒开发，而另一些则可以开发为量子点（QDs）。但无论纳米生物传感器的类型和质量如何，它都必须是一种简单、无毒且廉价的纳米材料。合成纳米颗粒的方法主要有三种：物理法、化学法和生物法。

环境应用

如今，化学品的使用给环境带来沉重负担已不容忽视，因此它已成为我们社会普遍关注的问题，检测环境中的有害物质已成为我们安全不可或缺的一部分。最近的一篇综述讨论了基于蛋白质（如适配体、抗体、DNA等）的多种纳米材料（如纳米颗粒、纳米管、量子点等）的纳米生物传感器，用于原位监测潜在有害物质，如重金属离子、农药残留和有机污染物。这些传感器提供了高灵敏度和特异性，使得在复杂环境基质中检测痕量污染物成为可能。

局限性及未来展望

然而，这些纳米生物传感器也可能面临一些局限性，例如在复杂的临床样品中稳定性和能力较低，因此重现性差，在非选择性结合中灵敏度不佳，传感器制造远未达到成本效益，涉及繁琐的预处理阶段且需要大量精密仪器，这些需求必须得到解决。纳米生物传感器的这些局限性可以通过其各种固有优势来克服，例如简单快速的操作、可扩展性和制造工艺简便。未来的研究需要集中在提高传感器的稳定性、降低成本以及简化操作流程上，以促进其实际应用和商业化。

结论

生物传感器的应用及其检测超低分析物浓度的能力，即使在复杂系统中，也可以通过开发新型纳米材料得到进一步改善，这将通过融入灵敏度、选择性和可持续性来推动农业、食品和医疗领域的发展。展望未来，这些创新设备在医疗保健及其他领域具有巨大的前景，可提供实时、现场的诊断和监测。环境问题的监管是一个非常大的挑战，而纳米生物传感器技术有望为此提供有效的解决方案。通过持续的研究和开发，解决当前面临的挑战，纳米生物传感器有望在保障环境安全、食品安全、促进农业发展和改善人类健康方面发挥越来越重要的作用。