用于食品掺假检测的生物传感器：全面综述

《Food Control》：Biosensors for the Detection of Food Adulteration: The Comprehensive Review

　　

摘要

食品掺假是危害食品安全、公共健康和消费者信心的关键问题。在食品产品中故意或无意使用劣质或危险物质可能导致严重的健康危害、经济损失、供应链中断等。传统分析方法，如高效液相色谱法（HPLC）、气相色谱-质谱联用法（GC-MS）、聚合酶链反应（PCR）和酶免疫测定法，虽然准确，但由于成本高、分析时间长且程序劳动密集，在实时检测甚至现场感染部位的检测方面应用有限。生物传感器已成为一种强有力的替代方案，能够快速、灵敏、选择性和经济地检测各种食品基质中的各种掺杂物。本综述详细介绍了不同生物传感技术的现状，从电化学到光学，以及它们与由酶、抗体、适配体、DNA和分子印迹聚合物组成的复杂生物识别元件的耦合。我们讨论了重要的设计原则、识别-转换机制以及检测食品样品中农药、抗生素、重金属、掺假肉类物种和真菌毒素的代表性应用。此外，我们介绍了食品安全领域的一些最新发展，如基于纳米材料的改进生物传感器、微流控系统、基于智能手机的读数、新型适配体、人工智能数据分析等，这些正在改变食品安全监测。本综述批判性地评估了标准化、基质干扰、多重检测、长期稳定性和制造工艺可扩展性等挑战。总体而言，本综述旨在为研究人员、行业利益相关者和监管机构提供对生物传感技术在食品掺假检测中的综合理解，并确定未来向可靠、快速和可现场部署的食品安全监控（SDG3）发展的关键机遇。

章节摘要

引言

食品掺假被定义为在食品产品中故意或无意添加外来、劣质或不需要物质，是全球食品安全的主要威胁之一（Anagaw et al. 2024）。这种普遍的做法以百万种方式表现出来，包括将产品与更廉价的替代品混合、替换原料、用欺骗性包装掩盖劣质产品、故意引入危险成分等，

生物传感器架构

生物传感器由三个基本组件组成，即：(1) 生物受体或生物识别元件，能特异性结合或与目标分析物相互作用；(2) 换能器，将生物相互作用转换为可测量的信号；以及 (3) 信号处理和读数系统，用于测量和报告结果（图1）（Wu et al. 2025）。生物受体是关键因素，它决定了生物受体的特异性和选择性，而换能器决定了

DNA生物传感器

基于DNA的电化学生物传感器通过核酸杂交快速识别物种特异性掺杂物（Hartati et al. 2023）。DNA碱基之间互补碱基配对的独特性质被用于在这些类型的传感器中识别掺假物的靶序列，相较于基于蛋白质的方法，这类传感器因DNA天然稳定且易于操控而具有优势。此类策略的一个例子是无标记电化学生物传感器

基于表面等离子体共振的生物传感器

表面等离子体共振（SPR）生物传感器现已代表生物分子相互作用的极高精度生物传感器，如食品掺假、牛奶掺假及其他食品安全参数（Paswan and Basu 2025）。基于SPR的生物传感芯片可以相对快速、准确和便携，是创建现场诊断工具的关键。这些传感器具有巨大潜力，已被证明对快速、精确且紧凑的现场诊断和质量

原理与优势

适配体已成为食品安全中最有前景的生物识别元件之一（Cong Wang et al. 2025）。通过SELEX技术获得的单链DNA或RNA配体具有与抗体相当的亲和力和增强的化学稳定性，并且易于合成，增加了靶标选择的灵活性（Cong Wang et al. 2025）。该领域的主要进展集中在食物污染特异性适配体的系统设计上，

原理与优势

新型分子印迹聚合物是生物传感器发展的范式转变，其特征是高选择性、高稳定性以及易于通过大规模生产进行开发（Gao et al. 2020）。它通过形成具有模板形状空腔的聚合物基质来工作。这些空腔利用互补的形状和功能特异性地第二次结合原始分子（Peng et al. 2022）（图2）。MIPs模拟抗体、酶和其他生物分子，并识别，

二维纳米材料

使用二维纳米材料已被证明是在灵敏度和选择性方面增强生物传感器的卓越平台（Raja et al. 2021）。与其他类型的维纳米材料相比，这些材料具有更大的表面积比，使其在提高生物传感器的灵敏度、选择性和重现性方面更加有效（Raja et al. 2021）。基于二维纳米材料创建用于检测食品毒素的电化学生物传感器已

基于纸张的电化学生物传感器

基于纸张的电化学分析设备（e-PADs）在食品安全样品分析中具有众多独特优势：微型化、低样品消耗、廉价的大规模制造、毛细管驱动的液体流动和试剂保持等（Kuswandi, Hidayat, and Noviana 2022）。大多数电化学生物传感器都是基于纸张的，可以检测食源性病原体和其他污染物（Kuswandi, Hidayat, and Noviana 2022）。设备的设计（2-D或3-D结构）

应用：肉类鉴定与掺假检测

肉类产品掺假是最常见且最重要的食品安全问题，使该领域成为使用生物传感器的非常关键的领域（Y.-C. Li et al. 2020）。在这方面，系统地比较了DNA、蛋白质和代谢物的破坏性和非破坏性检测方法（Y.-C. Li et al. 2020）。因此，生物传感器和生物芯片可被视为即将在未来肉类掺假检测中实施的工具（

与人工智能和高级数据处理集成

生物传感器与人工智能结合（Nagamalla et al. 2022）可以在食品安全监管领域划定新的边界（Zhang, Yang, and Zhu 2024）。多参数、多模态技术，即利用生物传感器与人工智能网络，使得能够几乎即时地检测食品污染物，且具有显著更高的准确性（Zhang, Yang, and Zhu 2024）。结合与食品质量相关的

当前挑战

尽管在理论领域已取得重大进展，但生物传感器面临许多技术和实际限制，限制了其在食品安全应用中的广泛使用。标准化与验证：由于缺乏标准化的协议来控制开发水平、验证和评估水平，跨研究重现性的缺失以及新型生物传感器获得监管许可的限制等问题随之产生（Wu et al. 2025）。开发

结论

生物传感器是食品安全监测的范式转变传感器，为食品掺假的传统分析应用提供了快速、灵敏、特异性和经济性的替代方案。将各种生物识别因子，如酶、抗体、适配体和分子印迹聚合物，与新型转换方案，如电化学、光学和新型模态相结合，创造了一个高度多样化的传感平台阵列，可用于

CRediT作者贡献声明

Ganesh Kumar A：撰写——审稿与编辑，形式分析。Sankarganesh P：撰写——审稿与编辑，撰写——原始草稿，项目管理，方法论，调查，形式分析，数据管理，概念化

未引用参考文献

Chen et al., 2025; Dong et al., 2023; Dong et al., 2024; Eltom et al., 2026; Fan et al., 2025; Li et al., 2024; Li et al., 2022; Liu et al., 2025; Niu et al., 2026; Paniel and Noguer, 2019; Sharma et al., 2024; Soon-Sinclair et al., 2023; Sun et al., 2024; Wang et al., 2022; Wang et al., 2025; Wang et al., 2023; Zhang et al., 2024; Zheng et al., 2020.

利益冲突

所有作者声明不存在利益冲突

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利益冲突声明

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A. Ganesh Kumar | P. Sankarganesh