综述：基于纳米颗粒的生物传感器在食品安全中监测志贺氏菌属的研究进展：批判性综述

《Biosensors》：Recent Progress in Nanoparticle-Based Biosensors for Monitoring Shigella spp. in Food Safety: A Critical Review

　　

志贺氏菌（Shigella）是一种食源性细菌病原体，感染剂量低，对公共卫生影响显著。基于培养的方法和分子检测技术虽可提供可靠的鉴定结果，但耗时较长。纳米颗粒（NP）基生物传感器则为高灵敏度、高选择性且结构紧凑的替代检测方案。研究人员围绕靶向侵袭质粒抗原H（ipaH）等毒力基因的基因水平识别，以及无需复杂样品前处理的全细胞识别两大策略，系统综述了近年来用于检测志贺氏菌属（包括福氏志贺氏菌S. flexneri、宋内氏志贺氏菌S. sonnei、痢疾志贺氏菌S. dysenteriae、鲍氏志贺氏菌S. boydii）的纳米颗粒基生物传感器进展，涵盖信号放大、生物识别元件、生物靶标、传感器类型及在真实食品基质中的性能表现。光学生物传感器，包括荧光法、表面增强拉曼光谱（SERS）和局域表面等离子体共振（LSPR），可实现低检测限，并对复杂食品基质具有强耐受性。电化学生物传感器操作简便、便携性强，适用于食品筛查。侧向层析和杂交系统通过简化的检测形式和可视化读数实现快速检测，其性能受速度与灵敏度平衡关系的影响。在真实食品基质中的验证结果显示，该类传感器回收率可接受、交叉反应性极低，且与参考方法结果一致。本综述通过整合纳米材料功能、生物传感器设计与性能特征，为食品安全领域的纳米颗粒基生物传感器选型提供了面向设计的框架。

1. 1.
   引言
   食源性疾病是全球重大公共卫生问题，在发达国家与发展中国家均造成显著的发病率、死亡率及经济损失。全球食品生产扩张、分销网络复杂化以及加工处理环节卫生管控不足，持续威胁食品供应链安全。生鲜果蔬、肉乳制品、饮用水及即食食品等品类因加工环节少、常不经热处理直接食用，成为食源性暴发的高风险载体，在采收、加工、储存及流通环节易受微生物污染。近年来，抗生素耐药菌的快速传播进一步加剧了食源性感染负担，降低了传统治疗手段的有效性，推动了对食源性病原体（FBP）高效监测系统的需求。志贺氏菌属为革兰氏阴性兼性细胞内肠道致病菌，是细菌性痢疾的主要病原，包含痢疾志贺氏菌、福氏志贺氏菌、鲍氏志贺氏菌、宋内氏志贺氏菌四个种，在中低收入国家水卫生基础设施薄弱地区引发大量腹泻病例。其经粪口途径传播，人际直接接触与污染食品饮品均为主要感染源，感染剂量极低（通常仅10–100个菌细胞），且耐药株全球扩散提升了疾病负担，凸显了食品安全监测中高灵敏度早期检测技术的必要性。传统培养法需经增菌、分离及生化鉴定多步骤，耗时费力，导致监测与疫情响应决策延迟；虽为食品志贺氏菌检测的法规标准方法，但长周期严重制约了餐饮场景下的快速筛查需求。聚合酶链式反应（PCR）及定量PCR（qPCR）等分子技术虽提升了分析灵敏度、缩短了检测周期，但依赖专业设备、技术人员及受控实验室环境，限制了现场应用；复杂食品基质中的抑制剂及共存成分若缺乏严格前处理，易干扰扩增信号输出。酶联免疫吸附试验（ELISA）等免疫学方法分析速度较快，但低靶标浓度下灵敏度有限、交叉反应率高，尤其当近缘肠道菌存在相似抗原表位时问题突出。此外，活的非可培养（VBNC）状态细胞难以通过生长依赖技术识别，仅依赖培养特性会低估实际风险。上述局限推动了快速、精准、适配食品场景的志贺氏菌检测技术的发展。生物传感器通过生物识别元件（适配体、核酸、抗体等）与换能器的耦合，将识别事件转化为可量化信号，相较于传统方法具有分析时间短、操作简便、小型化兼容性强等优势。纳米颗粒作为核心功能单元，凭借高比表面积可实现生物识别元件的高密度固定，增强靶标相互作用与信号输出；其光学、电学及磁学特性可加速电子传输与光响应过程，支撑低检测限（LOD）、短响应时间及强基质抗干扰能力的实现，适配食品安全监测需求。现有文献已报道多种面向食品监测的志贺氏菌属纳米颗粒基生物传感器，涵盖福氏志贺氏菌、宋内氏志贺氏菌、痢疾志贺氏菌的种水平鉴定，ipaH等毒力标志物检测，以及电化学适配体传感器、光学比色分析、荧光设计、食源性病原体多重检测等技术方向，体现了食品检测方法的多样性。然而，现有综述多从通用技术视角讨论纳米颗粒生物传感器，或宽泛覆盖各类食源性病原体，缺乏对单一病原体的针对性分析，尤其对志贺氏菌在食品监测场景下的应用关注不足。本综述聚焦食品安全领域的志贺氏菌检测，以面向设计的框架整合纳米材料功能、生物传感器设计、生物靶标选择、分析性能与实际适用性，填补了真实食品基质验证、纳米材料选型、生物识别策略及检测限对比的研究空白。区别于传统仅按传感模式或信号类型分类的综述，本工作紧扣志贺氏菌的生物学特性与生物传感器设计策略的关联，解析全细胞检测与基因水平检测等靶标选择逻辑、基质依赖性性能及面向应用的传感器构型，通过关联纳米材料功能与病原体特异性检测需求，建立了生物传感器性能与志贺氏菌独特属性的对应关系，为食品安全检测的策略选型提供了清晰指引。
2. 2.
   食品安全导向生物传感中的志贺氏菌属
   从生物传感器开发视角看，志贺氏菌的生物学与分子特征深刻影响传感器构型、靶标选择及检测效能。志贺氏菌具有严格人类宿主特异性，无已知动物或环境储存库，这一特性凸显了食品加工处理环节人际污染的核心作用，推动传感器设计聚焦于志贺氏菌属共有、且不存在于共生或近缘肠道菌的分子标志物。其保守毒力相关遗传元件及表面抗原为基于抗体、适配体或核酸探针的纳米颗粒生物传感器提供了选择性生物靶标，种属水平与种特异性靶标均已在食品安全领域得到探索。此外，志贺氏菌可在生理胁迫条件下存活，此时代谢活性降低、表面特征改变，会干扰结合相互作用与信号生成，凸显了无需依赖培养特性的功能标志物、完整细胞或核酸检测技术的必要性。
3. 3.
   纳米材料在志贺氏菌检测中的功能角色与转导机制
   本部分按纳米材料在生物传感器中的核心功能贡献展开讨论，单种纳米材料可同时参与靶标捕获、探针固定、信号生成与放大，分类旨在体现对应传感平台的核心功能定位，而非互斥划分。光学与电化学小节分别阐述两类纳米颗粒传感策略的信号生成转导机制。
   3.1 纳米材料介导的信号增强
   信号放大是纳米材料在志贺氏菌生物传感中的核心功能。金纳米颗粒（AuNP）通过等离子体效应贡献信号生成；DNAzyme驱动的比色系统将靶标识别转化为催化切割事件，产生可测量的光学响应；荧光与SERS策略均依赖纳米材料介导的信号生成，包括能量转移过程及纳米颗粒表面的电磁热点形成。等离子体AuNP通过LSPR放大传感信号；荧光纳米材料如上转换纳米颗粒（UCNP）通过反斯托克斯发射将近红外激发转化为可见光发射，降低复杂基质背景自发荧光。电化学系统中，AuNP与碳基纳米结构通过提升电极有效表面积与导电性促进电子转移，支撑更高的探针密度及界面电荷转移的可测量变化。上述分析优势源于纳米材料的低维特性，包括高比表面积、量子限域效应及独特的电子与光学性质，可强化生物受体固定、信号放大与灵敏转导。但生物传感器性能受纳米结构组成、形貌及表面功能化的显著影响，结构-性能关系的精准调控难度大，不恰当的固定可能导致生物分子非特异性锚定，损害靶标识别能力；此外，复杂样品中的非特异性成分、潜在毒性、生物降解难题及规模化制备挑战仍限制其实际应用。除分析灵敏度外，批次间重现性是决定纳米颗粒生物传感器实用可靠性的关键因素，纳米材料合成、表面功能化、电极修饰及生物识别元件的变异均会影响信号输出、分析精度与传感器一致性，制约标准化与规模化应用。需通过可重复的制备方案、可控表面化学、严格质量评估及一致的识别元件固定策略，保障不同生产批次与实验室间的性能可比性。食品特定条件（包括基质组成、生物污损、pH波动及基质兼容性）也会影响生物传感器稳定性与分析可靠性，需纳入性能评估。此外，食品样品的理化性质与微生物组成差异显著，细菌浓度、生理状态、样品前处理及预增菌流程的变异均会影响探针可及性、信号生成与检测重现性；受损及VBNC状态志贺氏菌细胞与固有微生物群会降低食品分析中的回收效率与分析准确性，因此需通过适配的样品前处理与代表性食品基质验证，保障实际场景下的可靠性能。
   3.2 表面功能化与生物识别增强
   纳米材料表面功能化被广泛用于提升志贺氏菌生物传感平台的生物识别特异性与稳定性。AuNP修饰电极作为探针固定基质，支撑稳定的生物识别界面，促进探针-靶标杂交并改善电化学或光学信号响应。磁纳米颗粒（MNP）与AuNP组成的杂化纳米材料平台经核酸探针或荧光标记功能化后，可强化志贺氏菌属的选择性识别：通过MNP与AuNP的逐步表面功能化固定DNA探针，经靶标诱导的夹心复合物形成、磁分离去除非特异性物种、荧光标记探针释放，实现放大且特异的荧光信号输出。适配体功能化纳米结构也显著提升了靶标选择性，在福氏志贺氏菌的荧光与SERS传感平台中，优化适配体固定于纳米颗粒表面可实现特异性结合；通过纳米颗粒依次功能化信号报告分子与福氏志贺氏菌特异性适配体制备荧光探针与SERS标签，靶标识别后形成纳米颗粒-细菌组装体，经金属离子辅助信号放大实现双模式荧光/SERS读数。此外，基于AuNP修饰基底的基因传感策略通过促进探针固定与杂交效率，实现志贺氏菌遗传标志物（如志贺氏菌质粒抗原spa基因）的直接识别。需明确的是，志贺氏菌属的选择性识别源于生物识别元件的特异性，而非转导机制；靶向保守毒力基因（如ipaH）或种特异性表面结构的抗体、适配体与核酸探针负责靶标识别，纳米材料仅在识别事件后贡献光学、电化学、荧光或磁学信号生成。因此，换能器提升分析灵敏度，而志贺氏菌与非靶标微生物的区分依赖于分子识别过程。
   3.3 光学信号增强机制
   志贺氏菌生物传感中的光学信号增强通过等离子体、荧光与拉曼传感策略实现。AuNP系统的聚集诱导等离子体耦合产生可测量的光学位移，构成比色检测的基础；等离子体响应还可通过pH等环境条件调控，通过信号变化实现快速光学检测。基于生物功能化MNP@UCNP的杂化纳米结构通过磁富集前置步骤提升荧光检测灵敏度、降低基质干扰：MNP实现靶标细胞的快速磁分离，后续荧光检测获得高信噪比信号。SERS作为强效光学增强手段，通过AuNP二聚体或银纳米颗粒（AgNP）基底产生电磁热点，实现超高灵敏度检测；AgNP沉积于滤纸形成高黏附等离子体表面，激光激发下可增强捕获于AgNP间的细菌的拉曼信号，实现低菌落形成单位（CFU）水平的快速灵敏检测。近期研究还证实，基于MoS₂、CuS等纳米复合材料与AuNP杂化的LSPR增强光纤平台可实现志贺氏菌属的无标记实时检测，适配食品检测工作流程。
   3.4 电化学增强机制
   志贺氏菌生物传感的电化学增强策略依赖纳米材料修饰电极，改善探针固定、电荷转移效率及靶标结合后的可测量电学响应。电化学DNA生物传感器通过阶梯式构建流程实现福氏志贺氏菌检测：经DNA提取、电极表面修饰、靶标DNA杂交后，以蒽醌-2-磺酸单水合钠盐（AQMS）为氧化还原指示剂，通过差分脉冲伏安法（DPV）检测靶标杂交前后峰电流变化，实现灵敏定量分析。基于AuNP修饰电极的电化学检测策略通过监测靶标结合后电荷转移电阻或阻抗变化，实现复杂基质中志贺氏菌属的灵敏选择性检测。Ag修饰纳米珠集成的柔性适配体传感器可产生增强的电化学信号，支撑低成本便携式检测；纸基电化学系统也在此领域获得关注。碳基纳米材料被引入电化学生物传感器以提升电子转移与信号生成能力：基于多壁碳纳米管-海藻酸钠（MWCNT/SA）复合电极的一次性免疫传感器可实现福氏志贺氏菌的快速电化学响应，适配筛查需求；多孔生物炭、超薄MoS₂纳米片与AuNP杂化的电化学基因传感平台可实现痢疾志贺氏菌的无PCR直接核酸检测，无需扩增步骤。除单靶标系统外，AuNP辅助的多模式平台（整合电化学读数与电感耦合等离子体质谱ICP-MS）通过热提取食品样品DNA、捕获探针修饰MNP与贵金属NP标记报告探针的夹心杂交、磁分离及双模式信号读取，实现了复杂基质（食品与水样品）中志贺氏菌DNA的灵敏检测，印证了电化学纳米生物传感器在真实食品安全评估场景的适用性。
   3.5 磁靶标富集与分离
   MNP通过外磁场驱动分离实现靶标富集，提升局部 analyte 浓度并降低复杂基质干扰。生物功能化Fe₃O₄ MNP与荧光纳米材料构成的杂化平台（如MNP@UCNP）可实现志贺氏菌细胞的快速磁分离与后续荧光检测，提升灵敏度并降低食品与环境监测相关样品的基质干扰。基于Fe₃O₄ MNP与AuNP构建的荧光纳米生物传感器通过磁操控与稳定探针固定的结合，实现了液体样品中的靶标细胞区分，适配实际检测场景。基于抗体包被磁颗粒的免疫磁构型可实现福氏志贺氏菌的选择性捕获与浓缩，缩短液体样品分析时间；基于磁弛豫测量的MNP技术还可评估包括志贺氏菌在内的细菌代谢活性，在血液或营养丰富的光学复杂介质中表现良好，适配高难度食品与生物样品场景。上述结果表明，MNP辅助检测设计可提升复杂食品基质中的检测稳定性、选择性与分析性能。纳米材料的分析价值无法由单一理化特性解释，其功能涵盖生物受体固定的高表面可及性、信号生成与靶标识别中的光电磁催化特性，以及靶标捕获、富集与多功能传感构型；分析性能取决于纳米材料特性与生物传感系统需求的兼容性。不同纳米材料类别适配不同的分析需求，选型应遵循分析目标与应用场景，而非对单一材料类别的固定偏好。
4. 4.
   志贺氏菌检测的纳米颗粒基生物传感器
   4.1 光学纳米颗粒基生物传感器
   4.1.1 比色生物传感器
   基于光学纳米颗粒的生物传感器通过比色形式实现志贺氏菌检测，支持可视化或分光光度读数。AuNP基比色适配体传感器通过靶标诱导的纳米颗粒聚集产生可见颜色变化，结合紫外-可见定量响应（A₇₀₀/A₅₂₀），对福氏志贺氏菌的检测线性范围为10²–10⁶ CFU mL^?1，LOD为80 CFU mL^?1，总分析时间小于20 min；熏三文鱼样品验证显示与平板计数结果一致性良好，回收率88.5–110.2%，基质干扰极小，无需预浓缩或DNA提取即可20 min内完成检测。pH响应AuNP检测体系通过酸性条件下细菌细胞表面正电荷诱导AuNP聚集，产生等离子体颜色变化，对福氏志贺氏菌的LOD为3.3×10² CFU mL^?1（对应OD₆₀₀=0.05），孵育5 min内即可肉眼观察到红至紫或蓝的聚集驱动颜色转变，虽在液体模型系统验证，但其简便性、快速响应与无仪器操作特性，在食品与水相关样品的初步筛查中具备应用潜力。核酸水平的光学基因传感策略也见报道：靶向spa基因的AuNP光学基因传感器通过聚集或稳定依赖的光学响应检测志贺氏菌属，LOD为8.14 ng mL^?1，定量限（LOQ）为26.6 ng mL^?1，1.5–80 ng mL^?1范围内呈浓度依赖性光学响应；对痢疾志贺氏菌、福氏志贺氏菌、鲍氏志贺氏菌、宋内氏志贺氏菌基因组DNA表现出高序列特异性，铜绿假单胞菌、金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、霍乱弧菌等阴性对照无显著吸光度变化或颜色稳定，虽在 aqueous 模型系统验证，但其快速无仪器读数的特性，为食品相关初步筛查流程提供了低成本方案。
   4.1.2 荧光与拉曼生物传感器
   荧光纳米颗粒生物传感器可实现复杂食品基质中志贺氏菌的灵敏光学检测。基于互补链修饰UCNP与适配体功能化AuNP的UCNP基F?rster共振能量转移（FRET）纳米探针，通过靶标结合后的荧光恢复实现检测，980 nm激发下发射波长545 nm，线性范围1.2×10²–1.2×10⁸ CFU mL^?1，LOD低至30 CFU mL^?1；对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、铜绿假单胞菌、鼠伤寒沙门氏菌、单核细胞增生李斯特菌、嗜热链球菌等非靶标细菌干扰极小，UCNP固有的光稳定性与低背景支撑了复杂基质中的可靠信号输出，污染鸡肉样品中无需增菌即可60 min内直接检测，适配快速食品安全分析。MNP@UCNP杂化纳米结构整合磁富集与荧光信号输出，通过3,3′,5,5′-四甲基联苯胺（TMB）酶促氧化为氧化态TMB（oxTMB）诱导545 nm处荧光猝灭，60 min内实现志贺氏菌检测，LOD为32 CFU mL^?1；对鼠伤寒沙门氏菌、单核细胞增生李斯特菌、金黄色葡萄球菌、铜绿假单胞菌、大肠杆菌、嗜热链球菌等非靶标响应可忽略，加标鸡肉样品回收率97.8–108.5%，与平板计数结果一致，磁分离有效抑制了基质干扰。夹心型适配体架构进一步实现了顺序靶标识别与荧光信号读取：通过胺修饰捕获适配体表面功能化、靶标微生物结合、Cy5标记检测适配体杂交，实现宋内氏志贺氏菌的荧光信号输出。SERS纳米颗粒生物传感器通过纳米颗粒增强特征分子振动信号实现志贺氏菌检测：基于4-巯基苯甲酸（4-MBA）双功能铕配合物拉曼报告分子功能化AuNP二聚体的SERS适配体传感器，通过适配体功能化纳米结构实现高特异性细菌捕获与信号放大，在1593 cm^?1处产生强SERS响应，线性范围10¹–10⁶ CFU mL^?1，LOD低至10 CFU mL^?1，优于PCR与荧光法；对其它志贺氏菌种及常见食源性病原体在10倍高浓度下仍保持高特异性，10⁴ CFU mL^?1下相对标准偏差（RSD）为5.15%，加标食品样品回收率92.6–103.8%，与平板计数法一致。AgNP包被滤纸SERS基底的检测限低至10¹ CFU，拉曼增强因子达4.63×10⁶，在模拟食品与环境水样中信号重复性与化学稳定性良好，且AgNP悬浮液对志贺氏菌具有固有抗菌活性，最低抑菌浓度1300 μg mL^?1下90 min内实现杀菌，体现了等离子体基底的多功能潜力。
   4.1.3 等离子体光学生物传感器
   光纤生物传感器通常包含样品前处理、生物识别元件在金属涂层或纳米结构光纤探针上的固定、SPR/LSPR诱导的光学变化转导等步骤，纳米颗粒辅助表面修饰与放大策略可进一步提升性能。LSPR光纤平台通过整合等离子体纳米材料与光纤传感实现志贺氏菌检测：功能化等离子体纳米材料的多芯与锥形光纤探针可实现食品与水测试环境中志贺氏菌属的选择性检测，灵敏度优异。Kumar等报道的MoS₂功能化多芯光纤探针利用LSPR实现志贺氏菌检测，AuNP/MoS₂涂层表面刻蚀多芯光纤传感器线性范围1–10⁹ CFU mL^?1，响应时间5 min，LOD低至1.56 CFU mL^?1，可覆盖食品安全相关浓度范围。近期研究采用杂化纳米材料架构进一步优化LSPR光纤生物传感器：Zhang等开发的用于宋内氏志贺氏菌超灵敏检测的多模式LSPR增强“小龙虾型”光纤传感器，整合AuNP与二硫化钨（WS₂）薄层及氧化锌纳米线（ZnO-NW）放大倏逝场相互作用、提升生物受体负载量，无标记平台线性范围1–1×10⁷ CFU mL^?1，灵敏度0.378 nm log^?1（CFU mL^?1），LOD为4.78 CFU mL^?1，重现性、稳定性、选择性及可重用性良好，在苹果、卷心菜、鱼、牛奶等食品样品中验证成功，适配食品安全分析。Gu等报道的基于LSPR的三级S锥形（3S）生物光子光纤生物传感器，采用核失配多模四芯光纤架构构建WaveFlex传感器，功能化氧化铈纳米棒（CeO₂-NR）、ZnO-NW与硒化铜@金纳米复合材料（Cu₃Se₂@Au-NC）增强等离子体耦合与生物受体固定，偶联宋内氏志贺氏菌特异性抗体后，灵敏度达0.28 nm per CFU mL^?1，LOD低至0.96 CFU mL^?1，响应时间10 min，适配实时食品安全与环境监测应用。
   4.2 电化学纳米颗粒基生物传感器
   志贺氏菌检测的电化学纳米颗粒生物传感器数量相对有限，但经适当验证后，在复杂基质中表现出高分析灵敏度与适用性。已报道平台主要依赖纳米颗粒修饰电极，支撑靶标结合后的选择性生物识别与可量化电信号变化。基于AuNP修饰玻碳电极的阻抗适配体传感器通过监测靶标结合后电极界面电荷转移电阻变化检测痢疾志贺氏菌，线性动态范围10¹–10⁶ CFU mL^?1，LOD为100 CFU mL^?1；死亡细胞无显著信号，对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌O157:H7、肠炎沙门氏菌、福氏志贺氏菌、肺炎克雷伯菌等非靶标细菌选择性高，在水样、巴氏杀菌与未杀菌脱脂牛奶中无显著基质干扰，靶标结合需30 min，结果与实时PCR验证一致。基于MWCNT/SA纳米复合材料修饰丝网印刷电极的一次性电化学免疫传感器用于福氏志贺氏菌检测，优化条件下线性响应范围10⁴–10¹¹ CFU mL^?1，LOD为3.1×10³ CFU mL^?1，免疫复合物形成孵育时间40 min；对大肠杆菌O157:H7、副溶血性弧菌、雏白痢沙门氏菌、大肠杆菌、金黄色葡萄球菌特异性高，重复性RSD为7.8%，4 °C储存2周后信号保留率95.16%，准确性经ELISA验证。集成Ag修饰纳米珠的纸基电化学适配体传感器支持柔性现场检测，通过靶标诱导界面电子转移行为调制实现检测，近场通信（NFC）耦合智能手机实现便携式现场读数；平台支持DPV与电化学阻抗谱（EIS）双模式操作，DPV线性范围10²–10⁸ CFU mL^?1，LOD为90 CFU mL^?1，EIS线性范围10¹–10⁹ CFU mL^?1，LOD低至8.09 CFU mL^?1，总分析时间约40 min；4 °C下长期稳定性达28天，无需预增菌即可直接检测食品样品，NFC智能手机接口支持实时数据采集，拓展了去中心化食品安全筛查的适用性。电化学基因传感策略也见报道：基于多孔生物炭/超薄MoS₂纳米片复合材与AuNP的PCR-free电化学基因传感器，通过直接杂交实现志贺氏菌DNA检测，无需扩增步骤，LOD为9.14 fM，LOQ为0.018 pM，线性响应范围0.01–100 pM（R²=0.999），可区分单碱基、双碱基、三碱基错配序列及流感嗜血杆菌、鼠伤寒沙门氏菌等非靶标细菌DNA，人血浆样品验证回收率98.0–101.3%，RSD 2.9–4.2%，15天内电化学响应重现性良好，支撑复杂生物基质中的可靠性能。需注意的是，纳米材料对生物传感器性能的提升并非普适：AuNP简化表面功能化与光学信号生成，碳基纳米材料强化电子转移与电学灵敏度，MNP在信号转导前的靶标富集与基质净化中价值显著，量子点与相关荧光纳米材料支撑高灵敏度检测与多重分析；但这些优势也伴随纳米颗粒聚集、材料特性变异、额外处理步骤、生物相容性与规模化挑战等局限，因此纳米材料选型需兼顾分析目标、样品基质、检测技术与预期应用，不可仅以LOD为单一标准。
5. 5.
   志贺氏菌检测的便携式与即时检测纳米颗粒基生物传感器
   志贺氏菌检测的便携式与即时检测（POC）纳米颗粒生物传感系统主要依赖侧向层析（LF）与免疫层析形式，无需复杂仪器即可产生快速可视化信号。胶体金免疫试纸条可实现面包、牛奶、果冻等基质中鲍氏志贺氏菌的同时检测，无增菌条件下可视化LOD约10⁶ CFU mL^?1，检测时间5–10 min；短期预孵育后食品样品LOD低至4 CFU mL^?1，特异性高，无靶标交叉反应，分析结果与传统免疫分析法可比，在复杂食品基质中应用有效。AuNP基侧向层析 assay（LFA）也用于志贺氏菌属与其它食源性病原体的多重检测，加标牛奶样品中成功识别，数分钟内获得可视化结果。多重交叉置换扩增（MCDA）与AuNP LF生物传感器（LFB）的联用实现了核酸水平的志贺氏菌属检测，在保留便携性的同时提升了灵敏度，MCDA-LFB系统分析灵敏度达10 fg基因组DNA/反应或数CFU/管，扩增后2–5 min内产生可视化信号，全流程约60 min，对志贺氏菌特异性高，无非靶标干扰，适配POC与现场检测。为提升检测能力同时保留现场适用性，先进便携式系统集成多功能纳米复合材料与替代生物识别元件：针对全细胞识别，噬菌体辅助LFA成为抗体设计的 viable 替代方案，通过纳米颗粒辅助催化信号放大，噬菌体基双信号LF生物传感器特异性高，适配水产食品现场监测，实现志贺氏菌的快速可视化识别；CuS@Au纳米复合材料增强的双模式免疫层析生物传感器通过比色与光热双响应实现宋内氏志贺氏菌检测，线性检测范围宽，检测时间15 min，食品相关测试条件下特异性高、信号稳定，双信号结构提升了结果可靠性，同时保留了POC应用所需的操作简便性。LF与免疫层析平台是食品安全领域志贺氏菌检测的主要便携式纳米颗粒方案，无论何种传感形式，生物靶标选择均为纳米颗粒生物传感的重要考量。
6. 6.
   志贺氏菌毒力标志物的纳米颗粒基生物传感器
   靶标选择直接决定纳米颗粒生物传感器在志贺氏菌检测中的性能表现。全细胞识别与毒力相关基因（尤其是ipaH）是志贺氏菌检测纳米颗粒生物传感器的核心靶标。无PCR形式与等温扩增方法也被报道，旨在降低传统实验室外的操作复杂度。ipaH因诊断相关性与志贺氏菌属水平鉴定的适用性，成为最常被选择的靶标，在所有志贺氏菌种中均存在，与非志贺氏菌肠道菌交叉反应性低，靶向ipaH的纳米颗粒生物传感器在生物与食品样品的DNA与细胞当量水平均表现出低LOD。spa基因作为替代毒力核酸标志物，相关报道数量有限，主要局限于AuNP基基因传感研究。基因水平靶标与全细胞靶标的检测逻辑存在固有差异：全细胞靶标通过直接识别完整细菌细胞（如宋内氏志贺氏菌、志贺氏菌属）实现检测，无需核酸提取，缩短样品前处理与检测流程，但信号响应可能受基质组成、生理条件或表面异质性影响；毒力标志物如ipaH的基因水平传感、spa基因传感及痢疾志贺氏菌DNA的PCR-free电化学基因传感则强调确证鉴定，不受细菌活力差异影响。部分纳米颗粒志贺氏菌生物传感器完全省略扩增步骤：未修饰AuNP光学基因传感器靶向spa基因，通过直接杂交实现无扩增检测；生物炭/MoS₂/AuNP电化学基因传感器实现痢疾志贺氏菌DNA的PCR-free检测；酶-free DNAzyme比色传感用于福氏志贺氏菌检测；AuNP修饰阻抗适配体传感器通过靶标诱导界面电子转移电阻变化实现痢疾志贺氏菌的直接全细胞检测，无需核酸扩增。这些无PCR形式减少了操作步骤、缩短了分析时间，契合食品相关志贺氏菌生物传感需求。生物靶标的分析价值无法脱离其检测所用的传感策略独立评估。
7. 7.
   志贺氏菌检测的多重与多模式纳米颗粒生物传感
   食品分析常需在含其它食源性病原体的样品中检测志贺氏菌，或基于多信号输出进行确证，因此多重与多模式纳米颗粒生物传感器被开发用于食品相关应用，强调复杂食品样品中的同时检测与独立信号读取，而非单一分析物LOD的进一步降低。AuNP辅助LFB用于多重核酸检测，与多重交叉置换扩增联用，通过空间分离的检测线产生志贺氏菌属与其它细菌靶标的可视化信号，分析过程中特异性得以保留；AuNP基LFA也用于污染食品样品中志贺氏菌属与沙门氏菌属的多重检测，获得多重可视化信号，未损害检测移动性与操作简便性。蛋白质与全细胞水平的多重检测通过免疫层析与微阵列技术实现：荧光微球标记的免疫层析试纸条检测食品样品中的福氏志贺氏菌，测试中可实现信号区分；介孔二氧化硅纳米颗粒辅助微阵列技术基于荧光信号实现包括志贺氏菌在内的多种食源性病原体的检测，功能化生物芯片与介孔二氧化硅纳米颗粒-链霉亲和素-抗体组装体耦合，实现多靶标捕获与荧光信号输出。多模式传感通过单实验中的多信号输出开展探索：截短适配体双信号夹心生物传感器为宋内氏志贺氏菌产生互补光学信号，降低复杂样品中结果解读的模糊性；UCNP基传感器阵列通过模式依赖性荧光响应而非单靶标定量，实现包括志贺氏菌在内的多种病原细菌的区分。
8. 8.
   真实食品基质中志贺氏菌检测的纳米颗粒基生物传感器
   真实食品样品验证覆盖肉类（鸡肉、牛肉、猪肉）、海鲜（鱼、虾、鱿鱼、蛤蜊、熏三文鱼）、乳制品（牛奶、脱脂牛奶）、生鲜农产品（生菜、卷心菜、苹果、海带）及加工食品（面包、果冻、金枪鱼罐头、巧克力）等广泛品类，表明纳米颗粒生物传感器可在食品固有复杂性与基质干扰下保持高灵敏度、选择性与稳健性。属水平志贺氏菌传感器多用于鸡肉、牛奶、牛肉、海鲜的筛查场景，以荧光或LFA平台为主，LOD约10–30 CFU mL^?1，检测时间≤60 min，适配快速现场监测；种特异性传感器（福氏志贺氏菌、宋内氏志贺氏菌、痢疾志贺氏菌、鲍氏志贺氏菌）通常表现出更低LOD与更宽线性范围，反映适配体或抗体识别元件的高亲和力与特异性。福氏志贺氏菌与宋内氏志贺氏菌在真实食品中评估最为广泛：牛奶、鱼、生菜中福氏志贺氏菌检测通过LSPR与SERS/荧光构型可达单细胞当量CFU mL^?1水平，检测阈值低于比色分析；金枪鱼罐头、鸡肉、牛奶、果蔬中宋内氏志贺氏菌检测通过LSPR与SERS构型LOD为4–10 CFU mL^?1；痢疾志贺氏菌传感器多为电化学类型，LOD稍高（8–100 CFU mL^?1），但在水、牛奶、鸡蛋、肉制品中仍保持高效；LF免疫分析在增菌步骤辅助下灵敏度可接受，但鲍氏志贺氏菌检测报道有限，主要关联定性或半定量筛查。不同传感模式的分析行为存在差异：荧光、上转换荧光、LSPR、SERS等光学传感器通常线性范围更宽、LOD更低，源于等离子体纳米结构、AuNP、UCNP、纳米酶的信号放大效应，对牛奶、贝类、即食食品等基质中的蛋白质、脂质及共存成分的干扰耐受性更强；电化学传感器平衡了分析灵敏度与使用便捷性，以EIS或DPV为基础，基于纸基或AuNP修饰电极，具备移动性、基质抗干扰性，检测时间30–40 min，LOD通常高于光学输出；LFA优先保障简便性与速度，5–10 min内获得可视化读数，极低靶标浓度下灵敏度有限，但纳米酶、磁分离流程与信号放大纳米材料的应用显著提升了灵敏度，海鲜与加工食品检测水平可与复杂技术媲美。纳米材料选择对真实食品样品检测结果影响显著：MNP基传感平台在蛋白质或脂质富集的食品基质（乳制品、肉制品）中优势突出，磁分离与预浓缩可在信号检测前降低基质干扰；UCNP支持近红外（NIR）激发，降低食品自发荧光干扰；等离子体纳米材料（AuNP）、银基结构、金铜双金属纳米颗粒（AuCu）纳米簇通过LSPR或SERS效应提升光学响应性，志贺氏菌线性检测范围达10²–10⁷/10⁸ CFU mL^?1；牛奶、鱼、生菜中最高效的传感系统（SERS、LSPR、DNA walker双模式）LOD低至1–5 CFU mL^?1，多数检测60 min内完成；LFA与基础比色传感器20–40 min内产生结果，复杂多模式或DNA基系统可能需180 min但灵敏度更高；多数系统在多种基质中回收率约90–110%，适配体与抗体系统对多病原体环境中靶标志贺氏菌种的区分能力优异，交叉反应性极低。对比分析表明，单一生物传感器形式无法适配所有食品检测场景：光学平台LOD最低，支撑复杂基质中的确证分析；电化学系统平衡了灵敏度与操作简便性，适配常规与便携式检测；LFA虽分析灵敏度较低，但支持资源有限场景下的快速初步筛查。因此，生物传感器平台选型需兼顾LOD等分析性能指标与应用需求（检测时间、便携性、基质复杂度）。
9. 9.
   挑战、局限与未来展望
   尽管志贺氏菌检测纳米颗粒生物传感器取得显著进展，仍面临诸多挑战，制约其在常规食品安全监测中的广泛应用。首要短板是实验室性能与实际适用性的差距：多数平台在受控条件下灵敏度优异，但复杂食品基质中的脂肪、蛋白质、盐分及固有微生物群会干扰分析性能；表1汇总回收率虽普遍可接受（约90–110%），但基质特异性效应在传感器类型与食品类别间标准化不足，阻碍直接对比与法规转化。检测整合与日常操作仍存问题：光学传感技术（双模式荧光检测、LSPR、SERS）依赖特定纳米材料修饰、多阶段制备或专业技术光学设备，限制规模化与低成本应用；LFA等快速工具虽便携易用，但志贺氏菌LOD较高，需结合增菌流程、信号放大或纳米酶辅助增强，因此需在传感器设计中平衡分析灵敏度与易用性。靶标选择也存在局限：全细胞检测虽支持直接识别，但结果受活的非可培养细胞、表面异质性与生理条件影响；靶向ipaH等毒力标志物的基因水平检测特异性优异、结果可重复，但常需DNA提取或额外处理，阻碍实验室外的快速应用；无PCR基因传感系统虽简化了流程，但报道数量有限，需在多样食品基质与污染条件下进一步验证。不同研究在线性范围、LOD、检测时长与验证方法的显著差异也阻碍了有意义的对比，统一评估标准的建立将提升研究间可比性，促进实际食品样品应用的法规考量。多重与多模式系统的整合是潜在方向，可提升结果可靠性，实现单检测中多种食源性病原体的并行筛查与确证。未来研究需聚焦分析性能、测量一致性、长期储存与重复使用稳定性及规模化可行性；多数纳米材料传感器短期灵敏度优异，但批次间重现性与长期稳定性数据匮乏。不同传感平台的局限需针对性研究：光学生物传感器面临仪器复杂、纳米材料精密工程依赖、现场常规部署规模化受限等挑战，未来需聚焦简化光学构型、开发稳定低成本纳米材料、集成微型检测系统以实现便携化；电化学生物传感器虽适配现场应用，但受电极污损、复杂基质中信号不稳定、表面修饰变异等问题影响，需开发抗污电极材料、标准化制备方案、提升真实样品条件下的长期稳定性；LF系统受低细菌浓度下灵敏度不足限制，制约确证分析角色，未来需探索信号放大策略、整合核酸扩增方法、提升定量读数能力。所有平台均需强化多样真实食品基质验证、建立标准化性能标准、推动实验室设计向常规食品安全监测可用的规模化用户友好系统转化。杂化与分级纳米颗粒为未来志贺氏菌传感器提供了可行路径：两种以上纳米材料有序多级组装可将靶标捕获、信号放大与转导整合于单一传感系统，其高比表面积、可调孔隙率与高效电荷转移可提升探针负载量、生物分子接触与信号强度，降低复杂食品样品基质干扰，支撑更灵敏、多重、稳定的常规食品分析，但大规模应用前需验证制备重现性、材料稳定性、成本与真实基质分析性能。人工智能（AI）与机器学习（ML）可提升纳米颗粒生物传感器的数据分析性能，通过卷积神经网络处理图像读数、支持向量机与随机森林分类光谱或电化学数据、从噪声背景中提取信息特征，在SERS食源性病原体分析中已展现出提升细菌区分度与分析准确性的潜力；AI辅助分析还可降低主观视觉解读偏差，通过智能手机与POC设备实现快速分析，耦合云与物联网（IoT）系统可支撑污染趋势分析、实时风险评估与大规模食品监测，但需大规模标注数据集、一致信号质量、标准化光谱库及跨食品基质、仪器与实验室的验证，同时需关注数据集偏移、模型偏差、可解释性与法规评估问题，当前AI与ML应作为信号分析、分类与风险评估的互补工具，样品前处理、生物传感与确证流程仍是志贺氏菌检测的分析基础。未来开发需更强调规模化制备、标准化制备方案与质量控制生产，提升重现性与商业化转化；低成本传感材料、简化制备流程、高通量制造兼容性、用户友好设备形式可在保留分析性能的同时降低生产成本；自然污染食品样品的标准化验证、活菌与死菌区分、跨平台一致性提升也需重点关注；分子印迹聚合物、多肽、工程化亲和探针等低成本可规模化合成识别元件的验证将支撑实际部署。上述进展将加速纳米颗粒生物传感器在食品安全监测中的法规认可与常规应用，推动其从概念验证向常规监测工具的转化。
10. 10.
    结论
    本综述系统梳理了食品安全领域志贺氏菌属检测纳米颗粒生物传感器的最新进展。纳米颗粒的应用提升了光学、电化学及杂化生物传感器在真实食品基质中诊断志贺氏菌污染的灵敏度、选择性与信号转导能力。电化学与LF系统操作简便、便携性强，适配现场筛查；荧光、SERS、LSPR等光学技术LOD最低，在复杂食品样品中性能优异。全细胞识别无需复杂样品处理，实现快速简便检测；靶向稳定毒力标志物（主要为ipaH）的基因水平方法支撑属水平精准鉴定。多食品基质验证结果表明，该类传感器回收率可接受、交叉反应性极低，与参考方法结果一致性高，印证了其实际应用价值。纳米颗粒生物传感为食品体系志贺氏菌监测提供了高效适配的解决方案，为实验室生物传感成果向食品安全监测应用的转化提供了清晰路径。