《Food Control》：Recent Advances in Nanosensors for Food Safety: Principles, Applications and Future Perspectives
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纳米传感器通过纳米材料的高灵敏度特性实现食品病原体和化学污染物的快速检测，其便携性和多路检测能力可提升现场监测效率，但信号干扰和材料稳定性不足限制了实际应用。需结合AI与IoT优化数据分析与系统智能化，并通过标准化评估推动技术落地。
Sujia Jiao|Ting Zhang|Jiawei Liu|Yu Han|Qingchun Yin|Jing Wei|Long Wu
海南大学食品科学与工程学院，市场监督管理总局热带果蔬质量安全重点实验室，海口市，570228，中国
摘要：
为了解决传统食品安全检测的局限性，需要快速、灵敏且便携的分析技术创新。纳米传感器通过利用纳米材料的特定物理化学性质，成为检测病原体和污染物的强大工具。本文综述了纳米传感器技术的最新进展，涵盖了材料设计及其在监测多种食品安全指标中的应用。更重要的是，它探讨了纳米传感技术与人工智能（AI）、物联网（IoT）和芯片实验室（LOC）系统等新兴技术的融合。然而，本文也指出，纳米传感器从实验室环境向复杂食品基质的实际应用仍受到显著信号干扰和功能化纳米材料长期稳定性不足的阻碍。尽管这些智能平台具有实时决策的潜力，但它们在数据可靠性、标准化和监管接受度方面带来了新的复杂性。通过将当前传感器的性能与全球安全标准进行评估，本文强调未来的发展路径应优先考虑开发能够在实际食品加工条件下严格验证的、稳健、经济高效且可持续的传感平台。
引言
食品安全是一个与公共卫生和社会经济稳定密切相关的全球性挑战。食品供应链的日益复杂化和全球化增加了各个环节的污染风险，给公共卫生带来了巨大负担。根据世界卫生组织（WHO）的数据，不安全的食品每年导致约6亿例疾病和42万人死亡，同时还造成了巨大的经济损失（J. Kim等人，2025年）。威胁食品安全的因素多种多样，包括病原细菌、病毒和霉菌毒素等生物危害；农药残留、兽药和重金属等化学污染物；以及过敏原、食品新鲜度和变质问题、故意掺假等问题。随着食品供应链扩展到不同的气候条件、监管环境和加工方法中，对实时、可现场部署的多重分析平台的需求日益增长（Qiu等人，2022年）。因此，实施稳健且灵活的分析系统对于遵守严格的国际标准、保护消费者和维护品牌声誉至关重要（D. Zhu等人，2023年）。
传统的分析方法，如高效液相色谱（HPLC）、气相色谱-质谱（GC-MS）和基于培养的微生物学，仍然是食品安全确认分析的基石。然而，这些方法在现代监测系统中的有效性受到几个固有局限性的制约：（1）结果出具时间较长，分析工作流程需要数小时甚至数天，从而阻碍了在关键控制点的及时干预；（2）依赖于集中式的实验室设施，需要专门的设备和熟练的人员，以及昂贵的仪器，这限制了它们在资源有限或现场环境中的使用（Wen等人，2025年）；（3）多重检测能力有限，增加了成本、样品体积要求和整体分析时间；（4）破坏性取样会导致产品损失，这对于藏红花、松露和高端海鲜等高价值商品尤其不利（L. Hu等人，2024年）。因此，开发能够解决这些问题的新型分析平台至关重要。
在过去十年中，纳米传感器作为一种颠覆性替代方案应运而生，它们结合了具有优异表面积与体积比、可定制表面化学性质和量子限制特性的纳米材料。基于纳米酶的生物传感器整合了催化纳米材料（如金纳米颗粒（AuNPs）、碳纳米管、模拟过氧化酶的纳米酶以及生物识别元件（抗体、适配体、分子印迹聚合物），实现了（1）超高灵敏度，检测限通常可达到十亿分之一甚至单个分子水平，适用于黄曲霉素B1（AFB1）、有机磷农药和病原体衍生的核酸等目标（Suo等人，2025年）；（2）快速响应，能够在几分钟内完成检测，有助于在产品发布前及时识别危害（Xuan等人，2024年）；（3）多重检测能力，通过空间编码的纳米探针或微阵列架构同时量化复杂的污染物混合物，如农药混合物、重金属和细菌群落（M. Wang等人，2024年）；（4）便携性和经济性，得益于小型化、低功耗设备，支持在农场、边境检查站和移动枢纽等场所的现场部署（Y. Fang等人，2020年）。概念验证应用进一步证明了它们的实用性，包括用于苹果汁中展青霉素检测的电化学适配体传感器（Datta等人，2024年）、用于全乳中大肠杆菌O157:H7检测的荧光纳米珠（Z. Huang等人，2019年）、用于区分黄曲霉素亚型的表面增强拉曼散射（SERS）和磁松弛切换（MRS）技术（H. Cao等人，2024年），以及用于鸡肉中沙门氏菌检测的MRS技术（Shen等人，2022年）。总体而言，这些进展确立了纳米传感器作为下一代数据驱动、广泛可访问的食品安全治理系统的基础。
本文全面概述了纳米传感器在食品安全领域的最新进展，涵盖了其基本原理、纳米材料类型和检测机制。它探讨了纳米传感器在检测食源性病原体、化学污染物、过敏原和变质指标方面的广泛应用，特别强调了实时和现场检测平台（图1）。讨论还扩展到了基于智能手机的传感、芯片实验室设备、AI和IoT等新兴创新，以促进智能食品监测系统的发展。最后，本文批判性地评估了这些纳米传感技术的优势和当前局限性。虽然已有许多优秀的综述讨论了纳米传感器的合成和化学性质（W. Wang等人，2025年；Yohan等人，2025年；Y. Zhao, Yang等人，2025年），但在将实验室规模的性能与实际监管要求和现场测试稳定性之间仍存在差距。本文通过提供针对国际食品安全标准（如欧盟标准）的传感器性能关键基准评估，与其他文献区分开来。此外，它还提出了AI和IoT集成在数据可靠性和自我校准方面的新视角，解决了复杂食品供应链中经常被忽视的传感器重复性和基质干扰问题。
纳米传感器定义
纳米传感器是一种集成的分析装置，其中至少有一个功能组件（如生物识别受体、换能器或信号处理器）的尺寸小于或等于100纳米。这种纳米级架构使其具有出色的灵敏度和特异性。结构上，纳米传感器由三个协同工作的模块组成：（1）生物识别受体，包括抗体、适配体或分子印迹聚合物，能够选择性地结合目标分析物；（2）
食源性病原体的检测
食源性病原体是全球食源性疾病和安全事件的主要原因之一（Mather等人，2024年）。常见的病原体包括沙门氏菌、大肠杆菌 O157:H7、单核细胞增生李斯特菌、金黄色葡萄球菌和副溶血性弧菌（Gao等人，2024年）。传统的检测方法如平板培养、ELISA和PCR具有高准确性，但耗时且劳动密集，不适合快速或现场筛查（J.-H. Kim & Oh，2020年）。近年来，
基于智能手机的纳米传感器
尽管纳米传感器具有出色的灵敏度和选择性，但由于长期以来依赖于复杂且昂贵的实验室仪器，其在现场和即时护理应用中的广泛应用受到限制。智能手机的普及为克服这一挑战提供了理想的解决方案。通过将纳米传感器的强大分析能力与智能手机的高分辨率摄像头、强大的处理芯片和广泛的连接性相结合，
纳米传感器的优势和挑战
纳米传感器在食品安全监测中具有显著优势，因为它们具有出色的灵敏度、快速响应和微型化特点。它们的高表面积与体积比以及独特的光学、电子和催化性质使得能够检测到传统方法经常遗漏的微量污染物。与传统分析技术相比，纳米传感器所需的样品体积更小，预处理要求更低，并能提供近乎实时的结果，因此非常适合未来展望
未来食品纳米传感技术的发展应从实验室中的完美原型转向现场使用的稳健分析工具。未来的研究应优先考虑在高温巴氏杀菌、酸性发酵或冷链物流等实际食品加工条件下的验证，以确保传感器的结构完整性和功能准确性。
为了促进监管批准和市场应用，建立标准化的评估协议至关重要。
CRediT作者贡献声明
Jiawei Liu：撰写——审稿与编辑、资源管理、方法学研究、调查。
Yu Han：验证、监督、软件开发、资源管理。
Sujia Jiao：撰写——初稿撰写、方法学研究、数据管理、概念构思。
Ting Zhang：撰写——初稿撰写、软件开发、调查、数据管理、概念构思。
Long Wu：撰写——审稿与编辑、验证、监督、软件开发、资源管理。
Qingchun Yin：撰写——审稿与编辑、验证。
未引用的参考文献
Cao等人，2024年；Dong等人，2024年；Jiao等人，2024年；Li等人，2025年；Li等人，2025年；Liu等人，2024年；Liu等人，2024年；Meng等人，2024年；Wang等人，2024年；Wang等人，2024年；Wang等人，2024年；Wang等人，2024年；Wang等人，2024年；Wang等人，2024年；Yang等人，2025年；Yang等人，2025年；Zeng等人，2024年；Zhao等人，2025年；Zhao等人，2025年。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（42388101和32360622）、海南省院士创新平台（YSPTZX202152）的专项研究基金、市场监督管理总局热带果蔬质量安全重点实验室的开放项目（KF-2025001）以及湖北省自然科学基金（2024AFB426）的支持。
