《Journal of Food Composition and Analysis》：Recent advances in point-of-care testing for monitoring the freshness, safety, and quality of fish and fishery products: Analytical overview from biosensors to integrated lab-on-chip
编辑推荐：
这篇综述系统梳理了POCT（即时检测）技术在鱼类及水产品分析领域的最新进展，重点评述了基于电化学和光学原理的POCT方法，并深入探讨了纸基、聚合物基、微针基及织物基等新型芯片实验室（Lab-on-Chip）装置。文章强调了这些技术在检测重金属（如Pb2+）、生物胺、染料、毒素及抗生素残留等关键靶点方面的应用潜力，指出其在实现快速、现场、高灵敏度（检测限可达纳摩尔级别）检测方面的优势，同时分析了当前技术面临的挑战（如基质干扰、信号稳定性）及未来与人工智能（AI）、物联网（IoT）等新技术融合的发展方向。
1. 引言
鱼类作为人类饮食中高质量蛋白质和有益化合物的重要来源，其作用不可否认。然而，由于其独特的营养成分和水生环境的特定条件，鱼类极易受到微生物和非微生物分解。传统分析方法如原子吸收光谱（AAS）、电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）、气相色谱-质谱（GC-MS）、高效液相色谱（HPLC）和酶联免疫吸附测定（ELISA）虽被广泛应用，但其操作复杂、成本高、耗时长等局限性限制了实际应用。生物传感器作为一种高效的分析方法，因其便捷、可靠、准确等优势，在鱼类及水产品分析中展现出巨大潜力。即时检测（POCT）技术引入了便携式和现场传感方法，在资源有限的环境中尤其重要，可实现快速决策，确保鱼类的新鲜度和安全性，降低疾病风险，并建立消费者信心。
2. 基于电化学方法的即时检测
基于电化学的POCT设备通过将化学信息转化为电信号来实现检测，其工作原理涉及物理（质量传输）、化学（氧化还原反应、表面电子转移、电催化过程）和生物（生物识别元件的选择性）原理的协同整合。这些设备能够在采样点操作并快速获得结果，无需在实验室进行复杂的样品处理。智能手机的集成是电化学POCT的重要进展之一，其在控制电化学系统、数据传输和精确检测方面表现出高潜力。微流控技术是电化学POCT的主要实现平台，其在微尺度芯片上集成样品制备、反应、分离和检测，具有灵活的液体操控、低试剂消耗、一定程度的自动化和小型化等优点。
例如，一种基于微流控系统的新型电化学生物传感器被开发用于快速便携地测定有害金属Pb2+。该传感器采用三维银纳米颗粒-还原氧化石墨烯-Ni(OH)2/泡沫镍（3D Ag-rGO-f-Ni(OH)2/NF）复合材料，通过热毛细对流增强电化学信号，并与智能手机耦合，通过产生的温度梯度实时测量Pb2+，在鱼类检测中达到0.00566 μg/L的检测限。另一种经济实惠的纸基电分析装置用于定量鱼类中的酪胺，通过手工绘制的铅笔作为工作电极，酪氨酸酶作为生物识别元件，催化酪胺氧化为电活性产物o-醌，并通过计时安培法测量信号。
尽管电化学POCT设备在鱼类污染物检测方面取得了进展，但检测过程中目标物的长时间预浓缩问题仍待解决，需要开发新策略以实现快速分析。
3. 基于光学方法的即时检测
光学POCT平台通过化学相互作用、物理原理和生物识别机制将分子相互作用转化为可检测信号。物理原理包括光吸收、荧光发射和散射；化学过程如吸附、纳米颗粒聚集和衍生化调节光学响应。表面增强拉曼光谱（SERS）是一种常用且强大的光学技术，通过增强吸附在纳米材料表面的分子拉曼信号实现检测。然而，其在鱼类安全应用中也面临挑战，例如复杂基质（如蛋白质）的干扰。蛋白质在纳米材料表面形成的“蛋白质冠”会改变纳米材料的表面特性，影响其与目标的相互作用。
例如，一项研究揭示了蛋白质冠形成对SERS生物传感器检测鱼类中孔雀石绿的影响。鱼类蛋白质在金纳米颗粒（AuNPs）表面的吸附阻碍了孔雀石绿的吸附，降低了SERS信号强度，导致在鱼类提取物和纯溶液中的检测限存在显著差异（分别为740 μg/L和0.42 μg/L），显示出严重的基质效应。为减轻基质效应，研究将薄层色谱（TLC）与SERS技术结合，用于现场测定组胺。硅藻土TLC板用于从鱼类中分离组胺，提取的组胺与荧光胺（FSA）反应形成荧光衍生物进行视觉定量，结合便携式拉曼设备，检测限达9 μg/L。
为提高准确性和可靠性，双模式传感策略被开发利用。例如，一种基于AuNPs@MIL-101纳米杂化物的灵敏选择性荧光-SERS双模式适体传感器，用于便携超灵敏定量河豚毒素。该传感器利用标记了花菁3（Cy3）的适体作为信号报告分子和识别元件，目标物结合导致Cy3-适体复合物释放，产生SERS信号关闭和荧光信号开启的互补响应，检测范围0.01至300 ng/mL。另一种新型便携式双模式比色-荧光适体传感器利用三维纸基微流控芯片，通过银纳米颗粒（AgNPs）聚集和Mg, N掺杂碳点（N-CDs）与AgNPs之间的内滤效应（IFE），结合智能手机识别，实现了对磺胺二甲氧嘧啶的POC定量，检测限低至0.21 ng/mL。
光学生物传感器在鱼类及水产品现场分析中前景广阔，但需进一步改进快速数据处理和解释能力，并扩大可检测分析物的范围。
4. 鱼类即时分析的最新进展
4.1. 低成本芯片实验室装置
纸基芯片实验室装置的出现为鱼类及水产品分析引入了经济、简单的POCT方法。纸张固有的良好干湿强度及优异的自然毛细效应，使其能够在无需外部注射泵的情况下实现液体自主渗透。通过蜡打印、紫外光刻、丝网印刷、激光处理和喷墨打印等技术在纸基材料上图案化疏水屏障，可以定义亲水测试区。分子印迹聚合物（MIPs）的集成可进一步提高选择性。MIPs是通过在目标物（作为模板）存在下聚合功能单体而创建的合成聚合物，在去除模板后形成与目标物形状和大小互补的特定结合空腔，模拟抗体-抗原相互作用，且具有在极端pH和温度条件下的高稳定性。
例如，一种图案化纸基芯片实验室装置结合MIPs和碳量子点（CQDs），用于现场检测鱼样品中的组胺。MIPs用于从罐头金枪鱼中高效提取组胺，修饰有CQDs的传感区在目标物存在下产生光学信号，通过智能手机捕获，检测限达14.04 mg/kg，回收率91.91%至94.41%。最近，一种基于频率偏移的无电子传感器被开发用于快速现场测定次黄嘌呤（HXT）。通过激光碳化纸张表面，工作线圈涂覆pH敏感聚合物，与HXT反应后聚合物降解，改变工作线圈的电磁特性，通过无线阅读器测量频率差异。
尽管图案化纸基装置功能强大，但其复杂的制备方法可能限制应用。近年来，无图案纸基生物传感器受到关注。例如，一种无图案纸基生物传感器用于快速简单检测HXT。将黄嘌呤氧化酶和辣根过氧化物酶（HRP）固定在壳寡糖乳酸（COL）修饰的硝化纤维素膜上，酶促反应导致颜色变化，可肉眼定性观察或智能手机定量分析，检测限为8.22 μM，线性范围0.01至0.16 mM。为应对鱼类腐败过程中产生的多种生物胺气体，多路检测显得尤为重要。一种经济便携的智能手机辅助荧光和比色双模式纸基生物传感器被开发用于现场实时监测鱼类新鲜度。苯并[h]色烯衍生物（BCN）负载于滤纸上，用于捕获尸胺（Cad），形成希夫碱衍生物，引起显著的比色和荧光变化，通过智能手机测量RGB值，并与总挥发性盐基氮（TVB-N）含量建立工作曲线，评估鲑鱼新鲜度。另一项研究将铜基金属有机框架（CuMOF）涂覆于均匀纤维素基质上，制备稳定低成本的固态传感器薄膜，用于现场测定挥发性氮硫化合物，通过Cu-S键和Cu-N配位产生比色和荧光信号，颜色变化指示鱼类新鲜度（新鲜：白至黄；半新鲜：奶油色至橙色；变质：棕色）。
尽管纸基芯片实验室装置成功应用于鱼类分析，仍面临一些挑战。虽然其成本相对较低，但加工技术及功能试剂或纳米材料是决定其制造成本的重要因素。光刻和激光处理对于大规模开发而言仍较昂贵。为提高稳定性，研究尝试通过表面修饰创建可拆卸传感区和使用不同识别区域，未来有望开发全改性纸张以获得稳定基底。结合人工智能（AI）以实现高灵敏度检测和加速样品分析是该领域的另一个热点。
4.2. 具有穿透能力的芯片实验室装置
某些污染物（如重金属）不仅存在于鱼类表层，还会污染深层组织。大多数已开发的传感器缺乏穿透样品的能力是其重要局限之一。近年来，微针阵列在鱼类及水产品分析中的应用引入了微型针头，可从样品组织中提取生物标志物。这些方法基于创建微尺度通道的原理，能够穿透组织表面而不造成显著结构损伤。这些微通道促进组织间液的直接扩散或毛细管传输。丝素蛋白和纤维素基微针因其能创建垂直流体传输路径且无需样品制备而备受关注。
例如，一种新型丝素蛋白基比色微针贴片被开发用于有效检测包装鲑鱼样品的腐败情况。微针阵列通过模塑法制备，并修饰pH敏感染料（溴百里酚蓝，BTB）以呈现视觉颜色变化。微针穿透保鲜膜，从鲑鱼中提取组织间液。挥发性盐基氮（TVB-N）的提取扩散至丝素蛋白甲基丙烯酰水凝胶中，改变pH，引发BTB颜色变化（黄色：新鲜；黄绿色：中等；绿色：变质）。TVB-N含量与RGB值之间存在稳健的线性关系。另一例子是制备了一种经济快速的纤维素基微针，用于传感鱼类样品中的重金属。通过模具制备的纤维素基微针修饰有特定试剂，可直接与从鱼类组织中吸收的重金属反应，通过智能手机测量RGB值，对Cu2+、Cr4+和Ni2+的检测限分别为0.6 mg/L、0.2 mg/L和0.3 mg/L。最近，一种玻璃化丝素蛋白微针阵列与纸基芯片结合，用于组胺的比色检测。无需外部泵，直接提取含有组胺的组织间液并传输至纸基芯片进行分析，纸表面颜色变化是检测原理。
比色法作为微针传感器中的常用技术，也已扩展到鱼类分析，但其灵敏度低于电化学或荧光检测方法，因此推动了荧光和电化学微针传感器的发展。例如，开发了一种基于异硫氰酸荧光素（FITC）和罗丹明B（RhB）的比例荧光微针传感器，用于快速直接定量生肉新鲜度监测中的生物胺。指示剂（FITC）和内标（RhB）嵌入丝素蛋白甲基丙烯酰（SilMA）水凝胶基质中，水凝胶促进生物胺从肉类样品中快速扩散。生物胺渗透显示FITC与生物胺的选择性反应，从而改变荧光信号，而RhB的参比信号保持恒定，FITC与RhB的比率用于测量目标物浓度。另一个例子是制造了一种使用适体的荧光适体传感器，用于选择性检测鱼类样品中的抗生素残留。多孔微针具有高液体吸收性和大表面积，用于固定适体。检测原理是目标物存在时SYBR green从适体上释放，导致荧光信号降低，检测限达5.99 nM。
尽管微针分析在鱼类直接、微创分析中扮演重要角色，其大规模应用仍受成本、可及性和可重复使用性因素的挑战。硅和金属模板的应用会增加制造成本。为此，一些研究开发了基于可负担聚合物和可生物降解材料与可扩展模塑或3D打印技术集成的微针传感器，以降低成本并促进一次性生产。这些分析方法因其无需样品制备即可现场分析的能力而表现出优异的可及性。此外，它们与智能手机比色和荧光读出的高度兼容性使其成为测试鱼类组织的理想选择。为进一步提高可及性，无电源检测系统和标准化智能手机接口将在未来研究中发挥重要作用。
4.3. 柔性芯片实验室装置
柔性电子POCT设备的进展在鱼类及水产品分析领域广泛推进，因其具有在这些产品不同部位广泛应用的潜力。这些设备降低了鱼类内部损伤的风险，并为这些产品的连续分析提供了微创技术。聚合物和织物材料作为两种常见材料，已被广泛用于创建用于户外和可穿戴应用的柔性电极。通过直接激光写入技术生成柔性电极是创建高效基底的热点领域。
例如，开发了一种新型水凝胶涂层柔性pH传感器系统，用于鱼类腐败过程中TVB-N的实时便携检测。通过激光在聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）表面蚀刻和图案化氧化铟锡（ITO），创建传感区和导电区。氢基底在改性PET层上的存在引入了TVB-N的吸收层。目标物加入系统后，氢pH值的变化改变电位变化，通过柔性无电池电子系统传输。类似地，构建了一种柔性3D多孔石墨烯纳米酶电极，用于快速简便地定量黄嘌呤（XT）和次黄嘌呤（HXT）。通过激光写入在聚酰亚胺表面创建石墨烯，石墨烯电极表面催化XT和HXT的电化学氧化反应，产生可测量信号，伏安法测定与目标物浓度成比例的氧化还原电流。
除了应用激光引入柔性芯片实验室装置外，蜡印法也已应用于柔性生物传感器。例如，制造了一种新型织物基微流控装置，用于现场、无酶检测组胺。通过蜡印在亲水织物上图案化疏水屏障以设计微流通道，并使用碳墨水丝网印刷三电极系统。工作电极表面修饰碳纳米点/壳聚糖以改善电子转移。目标物存在时，电化学发光（ECL）信号的差异被测量，检测限为0.82 μg/L，线性范围1.0至1000.0 μg/L。
虽然柔性芯片实验室装置为渔业产品引入了出色的传感平台，但这些传感方法的成本取决于基底和制造技术。特别是，使用可负担的基底（如聚合物和纺织品表面）允许可扩展和低成本的批量生产。然而，为实现可重复使用传感方法，它们必须进行调整。换言之，由于大多数开发的柔性芯片实验室装置设计为一次性使用，开发坚固且可清洗的聚合物层可以提高这些方法在实际应用中的可重复使用性。
5. 鱼类及水产品即时检测的未来展望
尽管鱼类及水产品分析取得了最新进展，POCT设备仍处于早期阶段。在几个关键领域的进一步探索可以增加其在现实场景中的实际应用。获得国际机构的标准验证和监管批准可以促进广泛采用。此外，人工智能（AI）和物联网（IoT）的集成是其未来前景的另一个重要方面。这些方法在这些传感器中的实施可以提高供应链的准确性和实时监控。
前进之路涉及先进纳米材料、高特异性识别元件及其在芯片实验室设备中实施的协同整合。具体而言，适体和MIPs可以提高传感方法的选择性和稳定性。此外，新兴POCT技术的应用，如基于规律间隔成簇短回文重复序列（CRISPR）、基于纳米酶的生物传感器，可以增强电化学和光学生物传感器在鱼类及水产品分析中的性能。CRISPR/Cas系统基于附带切割活性运行，将核酸信号转换为简单的光学和电化学信号。值得注意的是，这些系统可用于病毒病原体鉴定。此外，具有酶模拟活性的各种纳米材料和材料表现出优异的催化活性、稳定性和可调活性。用纳米酶替代酶可以提高信号稳定性和保质期，特别是在资源有限的环境中。因此，将这些新兴POCT技术与电化学和光学传感器集成是未来的关键方向。
6. 结论
总之，鱼类及水产品POCT的最新发展代表了检测限在纳摩尔至微摩尔水平的快速现场检测方法。本综述重点关注电化学和光学POCT设备的显著最新进展，从经济型芯片实验室设备到具有穿透能力和灵活性的精密聚合物基和纺织品基芯片实验室平台。纸基装置因其经济性（通常每次检测1至5美元）、可丢弃性和简单性而脱颖而出。有趣的是，其通过毛细作用进行流体吸收的能力，无需样品制备和净化，使纸基芯片实验室成为分析鱼类及水产品的热点。另一方面，其应用受限于灵敏度较低（通常在微摩尔范围）和机械强度差。聚合物基芯片实验室装置提供了优异的功能性、精度和耐用性。与纸相比，聚合物由于可以清洁而能够重复使用，这反过来降低了应用的长期成本。某些聚合物基芯片实验室装置对化学肉类腐败指标和抗生素残留的检测限达到纳摩尔范围。此外，广泛的材料选择可以为各种条件引入不同的聚合物基底。然而，必须考虑高成本和可重复使用系统的复杂性。其他类型的芯片实验室，如微针和织物基芯片实验室装置，分别具有穿透鱼类组织的能力和灵活性等特定特征。微针方法的应用因其检测鱼类组织污染的能力而凸显。它们可用于快速提取分析物，最大限度地减少侵入性，并与可穿戴传感器集成。
