用于易腐食品现场新鲜度监测的纸质传感器进展

《TRAC-TRENDS IN ANALYTICAL CHEMISTRY》：Advancements in paper-based sensors for on-site freshness monitoring of perishable foods

　　

• 综述了近期基于纸张传感器在易腐食品新鲜度检测方面的研究进展。
• 涵盖了比色法、荧光法、电化学法及多通道系统。
• 比较了功能材料修饰纸张的制备方法。
• 批判性地讨论了新鲜度监测所面临的挑战与未来展望。

## 引言

在全球化和现代食品系统日益复杂的驱动下，对快速食品新鲜度监测技术的需求大幅增加[1]。在生产、加工、运输、储存和零售各环节中，易腐食品——包括水产品（如虾、三文鱼、鲈鱼和罗非鱼）、肉制品（如猪肉、鸡肉和牛肉）、奶制品以及新鲜水果（如苹果、梨、葡萄和香蕉）——持续暴露于环境波动和微生物污染之下，这些因素加速了品质劣化并缩短了保质期[2]。这不仅导致了近三分之一的全球食物浪费（每年约13亿吨）[3]，造成每年约一万亿美元的直接经济损失[4][5][6]，而且由于食源性病原体的增殖和毒性代谢物的积累，也带来了严重的公共健康威胁[7][8]。因此，传统的静态保质期标注系统已不足以实现有效的风险管理，凸显了开发快速、便携、低成本且可进行原位监测技术的迫切需求，以实现易腐食品新鲜度的动态、连续和高保真追踪[9][10]。

食品腐败是一个复杂且动态的过程，主要由微生物增殖[4]驱动，同时伴随酶促反应、ATP降解、脂质氧化和蛋白质分解，每种机制在不同食品基质中均会产生不同的生化标志物[11][12]。在水产品和肉制品中，腐败过程通常伴随着生物胺[13][14]、挥发性盐基氮（TVB-N）[15][16]、吲哚[17]和次黄嘌呤（Hx）[18]的生成。这些标志物主要来源于储存期间的蛋白质降解、微生物代谢和ATP分解代谢。对于奶制品而言，pH变化是微生物活性和产品稳定性的关键指标[19]。在水果和蔬菜中，糖类、醛类、过氧化氢和乙烯等代谢物与成熟过程密切相关[20][21]。这些特征性化学生物标志物共同构成了评估食品新鲜度的关键分析靶标。

传统的食品新鲜度监测方法主要包括感官评价和理化分析[22][23]。感官评价依赖于食品腐败引起的质地、气味等感官特征的变化[24]。然而，由于评价者之间的个体差异以及缺乏标准化的评估标准，感官分析往往难以提供准确可靠的新鲜度评价。理化分析方法涵盖微生物检测、化学分析和现代仪器技术。微生物检测方法已在食品实验室和质控部门中得到广泛应用[25]。然而，这些方法通常涉及较长的检测周期和复杂的样品前处理步骤，不适合快速原位新鲜度评估。更重要的是，其时效性有限，无法对食品新鲜度进行持续监测。气相色谱-质谱联用技术可分析挥发性腐败相关化合物以评价鱼类新鲜度[26]。尽管这些方法具有较高的分析精度，但通常需要昂贵的仪器设备和经过培训的专业人员，从而限制了其在快速现场检测中的实际应用。因此，开发适用于快速监测和原位检测的便携式分析平台具有重要意义[27][28]。

近年来，功能性纳米材料和传感策略的显著进展为快速监测提供了重要的技术基础[29][30][31]。作为具有天然类酶催化活性的纳米材料，纳米酶在传感技术领域展现了范式转变的潜力[32]。碳基纳米材料，包括石墨烯、碳纳米管和碳点，凭借其出色的机械、化学和电学性能，已成为优异的电化学修饰剂，显著提高了电化学传感器在污染物检测中的灵敏度、选择性和稳定性[33][34]。类似地，二维层状MXene基材料在合成二维材料中具有极高的电导率，并通过其丰富的表面官能团和强催化活性，在目标物的电化学检测中展现出卓越的普适性[35]。各种便携式传感技术，包括比色法、荧光法、电化学法、表面等离子体共振法、化学发光法、微流控法和表面增强拉曼散射（SERS）法，已成功开发用于食品污染物的原位监测，凸显了按需检测策略在食品质量与安全评估中的巨大潜力[36]。这些先进的传感材料和便携式检测策略为下一代食品新鲜度监测平台的开发提供了宝贵的技术启示和方法学基础。

在此技术背景下，基于纸张的传感器凭借其低成本、高柔韧性、便携性、易制备性、固有的生物可降解性和一次性使用特性，已成为食品新鲜度监测领域的关键研究焦点[37][38][39]。这些传感器无需复杂仪器即可实现快速原位分析，在易腐食品的分散式监测应用中展现出巨大的潜力[40][41]。重要的是，基于纸张的平台可作为多功能换能基底，用于整合上述传感机制，而其多孔纤维结构有助于试剂固定、毛细管驱动运输、微流控操控以及功能纳米材料的集成。迄今为止，基于纸张的传感器的信号转导机制已演变为三种主要模式：无需仪器的比色法视觉分析[42]、具有高信噪比和优异灵敏度的荧光法[43]，以及可实现准确独立定量检测的电化学法[44]。与此同时，集成双模或多模网络的多通道基于纸张的传感器因能够提供互补的诊断信息而受到广泛关注[45][46]。通过与智能手机辅助分析算法[47][48]和柔性印刷电子[49]的无缝集成，基于纸张的传感器正从传统的侧向层析试纸条演变为数据驱动的集成智能无线传感标签，例如近场通信使能的平台，最近报道的用于基于移动设备的腐败监测的微型无线传感器即为代表性案例[50]。除传感机制外，制备策略在决定基于纸张的传感器的分析性能、运行稳定性、可扩展性和商业化潜力方面也起着决定性作用[51][52]。目前，浸渍法、滴涂法和丝网印刷法等制备方案已被广泛用于构建低成本、可放大且具有增强分析性能的基于纸张的传感平台[53][54]。

已有若干综述从不同角度聚焦于食品新鲜度监测、智能包装或分散式食品分析。它们总结了基于纸张传感器和智能手机诊断的智能可生物降解包装、基于纤维素用于分散式食品安全与真实性分析的检测平台，或特定的传感材料如荧光共价有机框架和比色金属有机框架[53][55][56][57][58][59]。然而，这些综述主要侧重于包装概念、特定材料类别、通用纤维素基分析器件或单一传感模式，而非系统地整合专门用于原位新鲜度监测的基于纸张的传感器的技术特征和分析性能。特别是，对传感模式、纸张基底、功能识别/转导元件、制备策略、分析性能、食品基质和实际应用性的全面比较仍然不足。

为弥补上述空白，本综述建立了一个系统框架，将传感机制、识别/转导材料、纸张基底、制备策略、分析性能和食品应用连接起来（图1）。根据检测靶标、基底材料、制备方法、灵敏度、回收率、食品基质和实际应用性，对代表性研究进行了比较和讨论，同时从灵敏度、选择性、稳定性、集成性和可扩展性等角度进一步评估了新兴的传感模式和使能技术。本文还给出了当前面临的挑战和未来展望，特别强调了多功能纳米材料、集成采样-分析系统、数字化、食品接触安全性和可规模制造等方面。除为食品安全研究人员提供直接的技术指导外，本文总结的基于纸张的设计原则和功能制备策略还可能启发性地拓展至更广泛的科学领域，包括柔性电子、全生命周期环境监测和即时检测（POCT），从而为下一代易腐食品集成化智能预警平台奠定系统层面的理论框架。

## 章节摘要

**基于纸张的传感器在易腐食品新鲜度检测中的应用：概述**

为实现快速、低成本和原位的食品新鲜度监测，研究人员针对不同食品系统开发了多样化的基于纸张的传感策略。具体而言，在表1中，按照识别/转导元件、靶标、纸张材料、制备方法、检测限、线性范围、回收率和食品基质等方面，对代表性的基于纸张的新鲜度传感器进行了系统比较。在表2中，按照主要的制备策略对基于纸张的传感器进行了分类整理。

**基于纸张的食品新鲜度监测传感器**

现有的基于纸张的传感器采用比色法、荧光法和电化学法检测机制来定量分析鱼类、肉类和奶制品等各种食品中的腐败指标。其简单的制备方法和快速的响应使其特别适用于易腐食品的原位监测。

**基于纸张的传感器的制备策略**

制备方法关键性地决定了基于纸张的传感器的分析性能、重现性和可扩展性。本文重点介绍了几种代表性的制备策略，包括浸渍法、滴涂法和丝网印刷法。

**结论与展望**

基于纸张的传感器凭借其低成本、便携性、柔韧性和原位分析能力，已成为易腐食品快速新鲜度监测的重要平台。本综述系统总结了近年来基于纸张的传感器在食品新鲜度监测方面的研究进展，涵盖了比色法、荧光法、电化学法、多通道法及其他新兴传感策略，同时介绍了代表性的制备方法，如浸渍法、滴涂法等。

## CRediT作者贡献声明

Rui Feng：撰写—原稿、可视化、调查、形式化分析、概念化。Jiaxin Hu：方法论、概念化。Jiao Li：方法论、调查。Jianan Sun：资源、方法论、概念化。Mengqi Yu：方法论、调查、概念化。Shutong Zhang：方法论、调查。Xiangzhao Mao：撰写—审阅与编辑、监督。Sai Wang：撰写—审阅与编辑、监督、项目管理、调查、资金。

## 利益冲突声明

? 作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些可能影响本文报告的工作。

## 致谢

本工作得到国家自然科学基金（32372272）、山东省泰山学者项目（tsqn202408065）和国家农业科技创新体系专项经费（CARS-47）的资助。

Rui Feng | Jiaxin Hu | Mengqi Yu | Shutong Zhang | Jiao Li | Jianan Sun | Sai Wang | Xiangzhao Mao