用于食品污染物检测的先进钙钛矿基传感器

《Food Bioscience》：Advanced Perovskite-Based Sensors for Food Contaminant Detection

　　

摘要

基于钙钛矿的传感器凭借其可调的光电性能、高光致发光量子产率和缺陷容忍晶格，已成为食品污染物检测的有前途的平台。本综述批判性地审查了增强传感器性能的策略，包括维度和缺陷工程、异质结构设计和表面功能化，从而实现灵敏和选择性的检测。讨论了各种换能模式，包括比色、荧光、电化学和表面增强拉曼散射方法。强调了在检测重金属、农药、抗生素、非法添加剂和真菌毒素方面的代表性应用，展示了快速、准确和多重检测能力。尽管取得了这些进展，但在实现长期稳定性、无铅或食品级配方以及在复杂食品基质中的实际部署方面仍然存在挑战。通过巩固当前进展并概述关键设计原则，本综述为将钙钛矿传感器技术从实验室原型转化为用于食品安全监控的稳健且可扩展解决方案提供了路线图。

引言

随着全球人口增长和食物需求增加，确保食品安全变得越来越关键，特别是在发展中地区 (Wang et al., 2019)。食品污染物包括外部来源（例如农药、重金属）或源于生物污染（例如真菌毒素、细菌），这些污染物可能在生产环境中持续存在并进入食品链，增加了食源性疾病暴发的风险 (M. Lv et al., 2022)。传统分析技术，包括高效液相色谱 (HPLC)、气相色谱 - 质谱联用 (GC-MS) 和 HPLC-MS，提供可靠的检测，但通常受限于高成本、耗时和专用器材要求 (He et al., 2022)。

为了克服这些局限性，分析化学和纳米材料科学领域的近期研究专注于开发更高效的食品污染物检测方法。结合等离子体纳米粒子、碳纳米材料或量子点 (QDs) 的基于纳米材料的传感器已成为有前途的替代方案。在寻找有前途的材料过程中，具有类似 CaTiO₃ 结构的八面体氧化物，称为钙钛矿，在各领域引起了广泛关注 (D. Jia et al., 2022)。钙钛矿独特的物理化学性质，包括高吸收系数、可调带隙、长载流子扩散长度和高缺陷容忍度，使其成为痕量污染物灵敏检测的有前途的信号转换材料 (George K et al., 2020)。

具体来说，它们的高吸收截面和可调带隙使得能够工程设计光谱响应窗口，以匹配目标危险分子的特征光学信号。与传统半导体不同，钙钛矿表现出卓越的缺陷容忍度，允许它们在存在结构缺陷的情况下仍然保持有利的电子性质和高光致发光量子产率 (PLQYs) (Kang & Wang, 2017; Yin et al., 2014)。这种鲁棒性对于确保在化学复杂且异质的食品基质中获得高保真信号输出至关重要。此外，这些材料的长载流子扩散长度和低激子结合能促进了分析物结合后的有效电荷分离和转移，从而实现痕量水平食品污染物的检测 (Stranks et al., 2013; Sutherland & Sargent, 2016)。此外，利用钙钛矿晶格的结构可塑性，研究人员可以实施位点特异性功能化，以针对多样化的食品危害库定制界面亲和力。尽管取得了这些进展，钙钛矿材料在食品安全传感中的应用仍处于不发达阶段。当前研究仍然碎片化，主要由关于农药、重金属和真菌毒素检测的孤立研究组成。该领域仍缺乏对性能基准、稳定性限制以及在复杂食品基质中实用性的综合理解。此外，环境不稳定性、生产质量不一致以及含铅钙钛矿的毒性等挑战继续阻碍其在食品行业中的更广泛采用。因此，系统地整合当前的研究格局对于释放钙钛矿赋能监控在食品安全领域的全部潜力至关重要。

本综述旨在批判性地评估基于钙钛矿的传感器在食品安全应用中的潜力。首先，介绍钙钛矿的建筑模块化和合成方法，特别强调合成控制和功能修饰如何决定宏观传感性能。随后讨论主要的基于钙钛矿的传感模式，包括比色、荧光、电化学 (EC) 和表面增强拉曼散射 (SERS) 平台。随后将这些系统的分析性能与传统传感技术进行比较。特别关注评估它们在真实食品系统中的适用性，识别当前局限性，并提出未来方向以改善稳定性、安全性和可扩展性。图 1 展示了基于钙钛矿的传感器的多样化传感模式及其在食品污染物检测中的应用。本综述弥合了钙钛矿材料科学与食品安全研究之间的差距，为未来研究提供了路线图，并为在食品行业中实际实施基于钙钛矿的传感技术奠定了基础。

章节概要

钙钛矿的结构及位点取代的作用

钙钛矿，通式为 ABX₃，由 A 位阳离子（有机或无机）、B 位二价金属阳离子（如 Pb²⁺ 或 Sn²⁺）和 X 位卤化物或硫属化物阴离子组成，形成结构多样的晶格，其中构成离子的几何排列强烈影响电子结构和激子性质 (图 2A) (Zheng et al., 2018)。钙钛矿的几何稳定性和结构形成能力可以使用戈尔德施密特

比色传感

比色测定利用钙钛矿纳米酶将分析物诱导的催化活性变化转换为光学输出的能力，例如吸光度变化或可见颜色转变。通过将界面催化反应与简单的光学读取相结合，这些方法提供了一种实用策略，用于低成本、快速和现场部署的食品污染物检测，而无需复杂的设备。钙钛矿材料最近新兴为

钙钛矿传感器在食品危害物检测中的应用

钙钛矿传感器在检测各种食品污染物方面显示出巨大潜力，包括重金属、农药、真菌毒素和抗生素。以下小节讨论了这些应用，特别关注识别机制、信号转换路径、分析性能以及与复杂食品基质的兼容性。

结论与展望

钙钛矿在检测痕量污染物方面持有巨大潜力，众多研究表明，基于钙钛矿的传感器可以解决广泛的食品污染挑战。尽管取得了目前的进展，但其在食品安全监控中的应用仍处于早期阶段，并有望进一步进步。钙钛矿传感器的发展仍存在几个关键挑战：(i) 它们的稳定性仍无法满足在各种

CRediT 作者贡献声明

Qirong Dong: 撰写 – 初稿，可视化，方法学，调查，形式分析，概念化。 Donghong Liu: 撰写 – 审阅与编辑，可视化，方法学，资金获取，概念化。 Jia tong Xu: 撰写 – 审阅与编辑，可视化，项目管理，方法学，概念化

未引用参考文献

Jia et al., 2022; Liu et al., 2019; Lv et al., 2022; Sun et al., 2021; Sun et al., 2025; Wang et al., 2022; Wang et al., 2022; Wang et al., 2023; Wei et al., 2022; Zhang et al., 2025; Zhang et al., 2024; Zhang et al., 2022.

利益冲突声明

作者声明他们没有任何已知的竞争财务利益或个人关系，这些关系可能被认为影响了本论文中报告的工作。

资助信息

本工作由 中国国家自然科学基金 支持 (U24A20475)。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有任何已知的竞争财务利益或个人关系，这些关系可能被认为影响了本论文中报告的工作。

Qirong Dong|Jiatong Xu|Donghong Liu