综述：电化学食品检测中的基质效应：机制、缓解策略与未来展望

《Food Control》：Matrix effects in electrochemical food sensing: mechanisms, mitigation strategies and future perspectives

　　

摘要
电化学传感具有灵敏度高、响应快速、便携性好等优点，适用于食品安全监测。然而，在真实食品样品中，其可靠性往往受到由食品成分引起的电极污染、非特异性吸附、信号失真以及选择性降低等问题的破坏。本文综述了电化学食品检测中基质效应的机制及其对分析的影响，并评估了当前的缓解策略，包括抗污界面工程、选择性识别元件和比率型传感。此外，本文还讨论了这些策略在农药、抗生素、重金属和生物毒素检测中的应用。所综述的研究表明，没有任何单一策略能够有效地解决与基质效应相关的所有干扰问题。尽管每种方法都有其固有的局限性，但抗污界面可以提高操作稳定性，选择性识别可以增强目标物的辨别能力，比率型传感可以减少信号波动。因此，将这些策略相结合是实现复杂食品基质中可靠传感的一个有前景的方向。与以往主要关注灵敏度提高和信号放大的综述不同，本综述建立了一个以基质效应为核心的框架，旨在提高电化学食品检测的可靠性和实际应用性。

引言
食品安全一直是公众广泛关注和讨论的话题。食品从农田到餐桌的整个链条面临各种风险因素，包括农药和兽药滥用导致的化学残留、重金属离子的积累以及天然毒素的污染。根据联合国粮食及农业组织（FAO）的统计数据，全球每年农药使用总量已超过370万吨（FAO, 2024）。此外，世界卫生组织（WHO）已将农药中毒认定为重要的公共卫生问题，指出全球近20%的自杀事件归因于农药自杀，非故意的农药中毒也需要更强的公共卫生行动（WHO, 2021）。关于抗生素，其在畜牧业中的不当使用加剧了耐药菌的风险（Thornber等人, 2020）。这已成为一个重大的全球公共卫生威胁。即使是痕量的铅、汞等重金属也会在人体内积累，并与蛋白质和酶等生物分子发生相互作用，导致神经系统损伤、肝脏和肾脏功能异常、免疫功能受损以及生长发育受阻等健康问题（Singh等人, 2021）。此外，霉菌毒素通常具有肾毒性、免疫毒性和致癌性；它们能够与DNA和RNA结合，诱导基因突变。而且，由于它们难以代谢和分解，会在体内逐渐积累并造成持续性的损伤（Chandravarnan等人, 2022）。在这些毒素中，黄曲霉毒素B1（AFB1）被公认为毒性最强的致癌物；它已被国际癌症研究机构（IARC）列为1类致癌物，其存在与肝癌的发生密切相关（Xie等人, 2025）。根据WHO的最新估计，不安全食品每年在全球范围内导致约8.66亿例食源性疾病和152万例死亡，其中易感人群，尤其是5岁以下儿童，承受了不成比例的重负（WHO, 2026）。因此，实现对食品安全危害的快速、准确检测显得尤为重要。

目前，许多高效可靠的分析方法已成功应用于食品安全检测领域。传统的检测方法，如微生物培养、气相色谱-质谱联用（GC-MS）、液相色谱-质谱联用（LC-MS）、聚合酶链式反应（PCR）和酶联免疫吸附测定（ELISA），因其高准确度和重现性，是食品安全监测的重要工具（Pan等人, 2026）。然而，这些方法通常需要昂贵的实验室仪器、复杂的样品制备和受过训练的专业人员。这些要求限制了其在快速现场检测中的应用（Zhao, Zhou等人, 2025）。因此，具备快速响应、强抗干扰性和便携性的新兴检测技术受到了越来越多的关注。电化学传感技术凭借其快速响应、操作简便以及易于集成等优点，已成为食品安全分析中的重要分析工具（Dong等人, 2025）。

在电化学食品分析中，由复杂食品基质引起的基质效应是限制传感器在实际应用中可靠性的关键问题之一。除了目标分析物外，食品样品中通常含有蛋白质、脂质、碳水化合物、盐离子和天然色素等共存成分，这些成分可能会通过非特异性相互作用干扰电极表面或传感界面的电化学响应和信号传递（Wu等人, 2025）。这种干扰通常表现为电极污染、非特异性吸附、阻碍界面处的电子或离子传输以及背景信号漂移，进而导致检测灵敏度降低、选择性受损和分析结果出现偏差（Lenar & Paczosa-Bator, 2026）。因此，阐明基质效应的内在机制并开发有效的抗干扰策略，对于提高电化学食品传感在复杂样品中的分析可靠性具有重要意义。

随着电化学传感器在复杂样品分析中的不断应用，基质效应对传感器性能的影响日益受到关注。如图1A所示，相关论文数量从2015年到2025年呈稳步上升趋势，凸显出学界对提高复杂基质中电化学传感准确性和稳定性的兴趣日益增长。值得注意的是，现有的综述主要关注提高电化学传感器的性能，特别侧重于纳米材料的功能化（Shi & Shen, 2026）、信号放大策略的开发（Yang, Gong & Zhe, 2026）、新型识别元件的设计（Li等人, 2026）以及电极界面的优化（Jia等人, 2016）。这一趋势也反映在图1B中，从2015年到2025年间从Web of Science检索到的综述文章主要集中在这些以性能为导向的主题上，而专门讨论基质效应的综述仅占很小的比例。以往的综述从不同角度论述了电化学传感。抗污综述主要集中在污损机制、抗污材料和界面工程（Gu等人, 2023；Jiang等人, 2020；Russo等人, 2021）上，而关于电化学食品传感器的综述则侧重于传感平台、目标分析物、功能材料和分析性能（Curulli, 2021；Dong等人, 2025）。比率型电化学传感作为提高食品分析中信号可靠性的一种策略也得到了综述（Hu等人, 2024），但以基质效应为中心探讨的综述在生物医学传感领域比在食品分析领域更为常见（Adil & Shamsi, 2025）。

因此，尽管以往的综述已经探讨了抗污界面、表面修饰材料和样品预处理策略，但仍缺乏一篇系统且有针对性地综述，能够全面总结复杂样品体系中基质效应的来源、基本机制、对分析的影响及其缓解策略。为填补这一空白，本综述探讨了电化学食品分析中基质效应的来源、其内在机制及其对分析性能的影响，同时综合了针对复杂食品样品所开发的主要缓解策略。首先，本文讨论了基质效应的起源及其对电化学传感性能的影响。随后，重点介绍了关键的缓解策略，包括抗污界面、选择性识别元件和比率型信号输出，以及它们的机制和设计原则。如图1C所总结的，代表性的缓解策略包括抗污界面、选择性识别元件和比率型信号输出，这些策略共同提高了复杂食品基质中电化学传感的可靠性。进一步比较了涉及农药、抗生素、重金属离子和生物毒素的代表性应用，以评估它们在复杂基质中的性能。最后，概述了抗干扰电化学传感器当前的挑战和未来展望。

章节摘要
基质效应对电化学传感器的影响
基质效应是电化学食品分析中系统性干扰的主要来源。当复杂食品基质破坏了分析物浓度与所测电化学信号之间的定量关系时，基质效应便会产生（Curulli, 2021）。基质效应并非单一类型的干扰，而是源于几种不同但往往同时发生的多种过程。蛋白质和脂质可以在电极表面吸附、聚集或沉积，导致电极污染。
电化学界面功能化
尽管样品预处理可以减少基质干扰，但残余成分仍可能非特异性地吸附在电极表面，阻碍分析物到达传感位点，造成电极污染。引入抗污层可以限制干扰物质的传输和吸附，从而减少表面污损并提高传感器性能（Gu等人, 2023）。然而，抗污界面工程应当在抵抗非特异性吸附与传感性能之间取得平衡。
食品污染物的电化学检测
食品污染物是食品安全的主要问题，因为它们可以沿食物链积累并威胁人类健康。常见的污染物包括农药、抗生素、重金属和生物毒素。复杂食品基质中含有蛋白质、脂质、结构类似物以及其他干扰成分，这些成分可能导致信号偏差、灵敏度降低和检测结果不可靠。因此，最大限度地减少非特异性吸附并提高选择性对于电化学
挑战与未来展望
近年来，电化学传感策略在缓解基质效应方面取得了显著进展，通过抗污界面、高特异性识别元件和比率型信号输出，明显提高了复杂食品基质中的检测性能。然而，电化学传感器在真实食品样品中的实际应用仍面临挑战。
(1) 平衡抗污性与传感性能仍然具有挑战性。抗污界面有效地抑制了非特异性吸附。
结论
总之，基质效应已成为限制电化学传感器在真实食品样品中实现准确稳定性能的关键因素。近期在抗污界面构建、特异性识别元件开发以及自校正信号生成方面的策略，显著提高了传感器在复杂食品基质中的性能。然而，食品基质的高度异质性仍然要求更高的稳定性、广谱适应性和实际应用性。

CRediT作者贡献声明
Lijuan Huang：撰写——初稿、方法论、概念构思。Jing Yang：撰写——初稿、方法论、概念构思。Yi Zhong：验证、概念构思。Xu Gong：验证、概念构思。Huichuan Hejiang：验证。Shuai Wang：验证。Huashe Xin：概念构思。Taotao Zhe：撰写——审稿与编辑、监督、资金获取。

利益冲突声明
作者声明他们不存在已知的、可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢
我们感谢广西大学高层次人才项目（编号：ZX01080030524004）和广西自然科学基金（编号：2026GXNSFBA00640301）的资助。

Lijuan Huang | Jing Yang | Yi Zhong | Xu Gong | Huichuan Hejiang | Shuai Wang | Huashe Xin | Taotao Zhe
广西大学轻工与食品工程学院，中国南宁，530004