综述：用于食品质量、危害及环境综合监测的先进纳米传感器

《Food Research International》：Advanced nanosensors for integrated food quality, hazard, and environmental monitoring

　　

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  纳米技术正在推动敏感且多重的食品质量/安全监测。
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  平台选择应受分析物特征和食品基质复杂性的指导。
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  没有单一的纳米传感平台能对所有食品污染物普遍达到最优。
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  商业部署仍受限于法律、制造和验证方面的挑战。
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  未来的进步取决于将先进纳米材料与人工智能相结合。

引言

纳米技术（NanoT）是一个多学科领域，致力于纳米尺度（1–100 nm）材料的制造、操纵、表征和生产（Abedi-Firouzjah 等，2025 年；Ashfaq 等，2022 年）。该领域的关键特征基于纳米颗粒（NPs）和纳米材料（NMs）的高比表面积，这使它们与较大的对应物相比表现出增强的性能。通过将材料转化为纳米尺度，在生物和化学活性或量子及物理化学性质（如扩散性、溶解度、生物利用度、中毒、光学、热力学和磁性）方面表现出显著变化（Zhou 等，2023 年）。食品安全保障和质量评估仍然是全球关注的重大课题，需要在整个食品生产链中进行持续监测。食品安全战略旨在通过处理农业生产、管理水资源和检测食源性危害来确保营养丰富的食品供应（Tarannum 等，2024 年；Zhou 等，2023 年）。在食品加工领域，NanoT 提供了创新解决方案，例如纳米封装系统，以增强风味保留并开发新的烹饪产品（Onyeaka 等，2022 年）。此外，NanoT 在食品包装解决方案中的应用，包括智能、活性、抗菌和屏障包装，拓宽了在更长时间内确保食品安全和质量的范围（Abedi-Firoozjah 等，2025 年）。源自 NanoT 的最有前景的技术之一是纳米传感器（NSRs）。NSRs 可以检测食品链中食品污染物、添加剂、过敏原、化学残留物、水分、脂质以及腐败过程中释放的各种气体。这将允许进行追溯，减少食品浪费，同时使食品生产者、零售商和消费者受益。除了应用于化学和生物危害的监测外，NSRs 还被用于评估食品新鲜度、腐败率、保质期估算和包装耐用性。劣化过程中释放并改变包装系统内部 pH 值、水分含量和气体成分的化合物可以发出质量恶化的信号（Batool 等，2022 年）。目前的目标是确保在食品行业中使用安全先进的 NanoT，专注于通过安全可持续的食品和 improved 功能特性为消费者提供服务（Shafiq 等，2020 年）。

腐败带来健康风险，并导致生产者、加工者、零售商和消费者遭受重大的经济损失。传统分析技术，如感官评价、色谱法、微生物培养和化学测定，在可靠性方面是高通量筛选的金标准。然而，它们通常是破坏性的，并且在周转时间、资源密集型和复杂的样品前处理，以及需要熟练人员和专用分析仪器方面遇到限制。此外，这些方法的高成本使其不适合快速、实时和现场部署（Liu 等，2026 年；Nath, 2024 年）。NanoT 的最新进展加速了 NSRs 的开发，强调其小规模、快速筛选和便携特性。其核心是先进的 NMs，这是优化性能、目标选择性和信号响应性的关键（Rani 等，2025 年；Zhou 等，2023 年）。多年来，研究一直集中在工程化先进 NMs 以提高分子识别和信号转导过程的准确性和可靠性（Darwish 等，2024 年）。总体而言，NSRs 克服了传统分析物检测设备的 shortcomings。它们的成本效益、操作简便性、分析选择性和灵敏度使得 NSR 市场得以扩展。化学传感器中较大的表面积意味着对目标分子的暴露和检测增加（Ally & Gumbi, 2023 年；Pisoschi 等，2025 年）。此外，将多种 NMs 组合成混合纳米结构创造了具有增强分析性能的协同传感平台。将生物识别元件与先进 NMs 相结合，扩大了提高灵敏度和响应时间的机会（Silme & Baysal, 2020 年）。然而，严格的验证协议、常规应用的可扩展性、安全性和监管评估对于其持续发展和实施至关重要（Mohammadi & Jafari, 2020 年；Zhou 等，2023 年）。公共卫生实验室与 PulseNet 和疾病控制与预防中心合作，对于检测食源性爆发和确保安全至关重要。他们提供关键、准确的测试以识别污染物并保护公众健康（D'Mello, 2003 年；Heikal & Abdel-Aziz, 2021 年）。

在此，将讨论关于检测食品腐败中涉及的成分和化合物的最新研究，包括生物的如病原体、毒素、过敏原，以及化学的如农药、重金属或其他化学品。最后，它解决了 NMs 合成、器件制造和鲁棒性方面的关键挑战，以实现实际应用，并为未来发展提供简明的展望。

章节摘要

纳米传感器的设计与制造特征

由 NMs 组成的 NSRs 具有独特的光学、磁性、催化和机械性能特征（Adam & Gopinath, 2022 年；Yang & Duncan, 2021 年）。大多数传感器由两个主要部分组成：一个传感部分，用于检测某些分析物的存在、活性、组成和/或浓度；以及一个转换器，将测量信号（电、化学、光学或热）转换为有用的分析信号（Tarannum 等，2024 年）。根据这个定义，

食源性病原体和生物膜

食品感染/中毒的主要原因是食品中存在病原细菌。许多这些病原体通过直接接触食品和水传播给人类（Shahrashoob 等，2025 年）。检测食品中病原细菌的方法通常包括收集大量样品、分离细菌以及随后的检测。食品样品很复杂，有时细菌负荷非常小。因此，

农药

农药是用于预防、监测、减少有害生物并杀死害虫和杂草以增加农业生态系统生产力的物质（Sharma 等，2023 年）。它们分为几组，包括氨基甲酸酯、有机磷酸酯、有机氯、拟除虫菊酯、杀菌剂、除草剂和杀鼠剂（Karamdoust 等，2023 年）。在这些组中，有机磷酸酯是使用最广泛的农药（Chelliah 等，2021 年）。在农作物上使用农药具有例外

工业实施面临的挑战与未来展望

尽管传感器取得了显著进展，但挑战依然存在。NMs 的高表面积、导电性和催化性能提高了 NSRs 检测生物分子和化学物质的能力，使它们成为有前途的工具。然而，未解决的问题需要持续研究以充分发挥其潜力。开发具有更广泛分析物检测、增强灵敏度和选择性的 NSRs 至关重要。将这些传感器与支持物联网、无线通信、自动化的设备相结合，

市场机遇与消费者视角：纳米条形码示例

新的市场趋势使得有可能提出一种通过纳米条形码设计方面的持续努力来保障食品安全、生物检测和控制的有力策略。纳米条形码是一种纳米级的可读结构，编码了不同的元素以形成各种特性的条形码（Awlqadr 等，2025 年）。它们由两个含荧光基团组成，包含两种单链寡核苷酸变体，一种用于放大荧光强度，另一种用于辅助

纳米传感器的监管方面与可操作途径

农业和食品中 NSRs 的关键担忧源于对其长期环境和健康影响的机制知识有限，尽管可能存在像增强食品质量和过程性能这样的技术优势。对食品生产中 NanoT 的安全考虑和消费者风险感知仍然不足。NPs 在生物微环境中的动态物理化学行为，结合描述符的异质性，削弱了监管努力，

结论与未来展望

NanoT 正处于顶峰，并通过保证有希望结果的关键应用来应对当前问题。在这个研究和开发的新领域，NSRs 帮助提供方便、高速和超灵敏的食品评估。灵敏度、可调性或选择性等特征，以及广泛可用的 NMs 是使该技术区别于更传统技术的特性之一。不同类别的 NSRs 共享基本工作流程

CRediT 作者贡献声明

Fuyuan Zhang: 写作 – 初稿，方法论，调查，形式分析。P. Barciela: 写作 – 初稿，软件，调查，数据整理。Reza Abedi-Firoozjah: 写作 – 初稿，软件，方法论，数据整理。A. Perez-Vazquez: 写作 – 初稿，调查，形式分析。M. Carpena: 写作 – 初稿，调查，形式分析。Fahrul Nurkolis: 写作 – 初稿，调查，数据整理。M.A. Prieto: 写作 – 审阅

未引用参考文献

Madanayake 等，2025 年

竞争利益声明

作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本论文中报告的工作。

致谢

作者感谢 中国科学技术部“一带一路”创新人才交流外国专家项目（DL2023003001L）。

Fuyuan Zhang|P. Barciela|Reza Abedi-Firoozjah|A. Perez-Vazquez|M. Carpena|Fahrul Nurkolis|M.A. Prieto|Xianghong Wang|Seid Mahdi Jafari