《Trends in Food Science & Technology》：Advances and prospects of self-calibration and self-validation biosensors for foodborne biotoxins determination: from single-mode to multi-mode strategies
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基于自校准与自验证技术的生物传感器在毒素检测中的发展及优势分析
张洪梅|韩向鹏|梁一帆|杨金毅|沈玉东|雷洪涛|徐振林|王宏
华南农业大学食品科学学院，广东省食品质量与安全重点实验室，广州510642，中国
摘要：
背景
食品中存在的生物毒素具有很高的致死性和致病风险，对人类健康构成严重威胁，因此需要有效的检测方法来保障食品安全。作为一项新兴技术，生物传感器凭借其快速、灵敏和智能的特性展现出广阔的应用前景。然而，对于生物毒素的检测来说，复杂的食品基质以及微量成分给传统生物传感器带来了挑战。自校准和自验证功能的生物传感器是一种变革性策略，能够克服基质和环境干扰的影响，从而实现高精度和可靠的生物毒素检测。
范围与方法
本文综述了集成自校准和自验证功能的生物传感器在生物毒素检测中的应用，并系统地探讨了这些传感器的原理及其从单模到多模的设计范式。在此基础上，总结了它们在具体生物毒素目标检测中的应用效果。同时，我们还分析了当前研究中面临的主要问题，并提出了突破生物毒素检测技术瓶颈的新思路。
主要发现与结论
自校准和自验证功能的生物传感器开创了可靠生物传感的新范式。从单模到多模的技术发展显著提升了其抗干扰性能，并显著增强了信息输出，进一步提高了分析结果的准确性和可靠性。此外，材料工程、电子学、计算机科学和微/纳米技术等跨学科领域的协同作用将推动生物毒素传感平台的创新进展。
引言
生物毒素是由动物、植物和微生物等生物体产生的天然有毒化合物（X. Tang等，2023；Z. Wang等，2023），目前已发现超过2000种不同的生物毒素（Tiantian Li，2019）。生物毒素通过食物链传播对公共健康构成重大威胁，其中微生物毒素和海洋毒素是两大主要关注类别（J. F. Hu等，2025；Jiang等，2024）。微生物毒素具有高毒性、致癌性和生殖障碍（N. Dong等，2023；Zinedine, Soriano, Moltó, & Ma?es，2007）。例如，黄曲霉毒素B1（AFB1）被归类为一类致癌物（Y. Lu等，2023），约28.2%的肝癌病例由AFB1引起（Y. Liu & Wu，2010）。肉毒杆菌神经毒素（Bo NTs）被美国疾病控制与预防中心（CDC）列为A类生物战剂（Janik, Ceremuga, Saluk-Bijak, & Bijak，2019）。海洋毒素包含超过1000种变体，但只有少数几种得到了充分研究（C. Lin等，2015）。关键的海洋毒素包括石房蛤毒素（STX）和河豚毒素（TTX），这些毒素可导致呼吸衰竭甚至死亡（Kalaitzis, Chau, Kohli, Murray, & Neilan，2010；Thottumkara, Parsons, & Du Bois，2014）。因此，建立准确、实时和现场检测方法对于合理管理和控制生物毒素中毒至关重要。传统方法如高效液相色谱（HPLC）和质谱（MS）存在设备成本高、样品预处理繁琐以及需要专业人员的缺点（Ahuja等，2023；X. Tang等，2023）。
生物传感器因其在生物毒素检测中的潜力而受到广泛关注，尤其是用于即时检测（POCT）。然而，生物传感器容易受到干扰和信号波动的影响，导致准确性和可靠性降低（Z. Li等，2024；Niu等，2024；L. Zhu等，2024）。为了解决这些问题，提出了自校准生物传感器（Jigyasa & Rajput，2022；L. Wu等，2017；Yi等，2023），这种传感器通过内置参考信号实现比率信号传输，从而消除系统误差并显著提高检测精度。为了避免假阳性/假阴性结果，还开发了自验证生物传感器（Mansouri, Alharbi, & Alqahtani，2025；Wei, Zhu, Zhang, Liu, & Sun，2024；X. B. Zhang等，2022）。该技术结合多功能纳米材料和多种信号转导机制，生成两个或多个独立信号以实现交叉验证，确保所有信号响应一致时结果可靠（Y. Guo, Z. Zheng等，2025；J.-Y. Li等，2025；Yang等，2025）。这些机制推动了传感策略从单模向多模的飞跃。单模检测省时高效（Liang等，2025；S. Liu等，2024），比率信号可以提高准确性和稳定性，并增强微弱信号的变化检测能力（Abedi-Firoozjah等，2024；X. C. Zhang等，2025）。此外，双模和多模检测技术提高了可靠性、抗干扰性能、稳健性和实用性（J. R. Lin等，2025；Yuan等，2025）。尽管最近的生物毒素检测研究主要集中在单模生物传感器（Stephanie等，2025；P. Wei等，2025）或双模和多模检测方法（Jiao等，2025；X. Liu等，2025），但系统性地讨论这些方法中的自校准和自验证机制仍较为缺乏。
在本综述中，我们阐明了近年来用于生物毒素检测的自校准和自验证生物传感器的原理和构建机制。基于此，通过不同技术设计了单模、双模和多模生物传感器，如图1所示。表1、表2、表3和表4系统比较了这些新型生物传感器在单模和多模检测中的基本原理、实际应用和性能优势。同时，也批判性地分析了当前的技术局限性和挑战，并展望了未来研究方向，为精确可靠的生物毒素检测提供了新的视角。
自校准原理
自校准的原理在于在同一传感平台上集成一个对目标生物毒素保持恒定的内部参考探针（Nirala, Sadhasivam, Singh, Sionov, & Shtenberg，2025；Y. Zhao等，2025）。自校准旨在补偿测量过程中出现的系统偏差（He, Dong, Li, Liu, & You，2025）。这个内部参考信号对环境干扰（如温度、pH值等）敏感。
自验证原理
自验证生物传感器基于检测系统的功能完整性和结果的可信度，通过两个或多个独立信号之间的交叉验证来实现（Yu Li, Qi, Chen, Peng, & Wang，2025；L. Zhao等，2024）。与自校准不同，自验证关注识别元件是否有效工作以及信号转导过程是否正常完成。
自校准和自验证生物传感器的层次化传感模式
将原理应用于实践，本节回顾了自校准和自验证在多种传感模式中的应用。讨论内容按可靠性提升的层次结构展开：从提高精度的单模自校准开始，到确保结果有效性的双模自验证系统，最终实现结合这两种功能的多模平台，以达到最高的可靠性。
结论、挑战与展望
解决生物毒素污染问题的关键在于改进和创新分析检测方法，以克服基质干扰、非特异性吸附以及导致错误结果的严重问题。本文综述了从单模到多模策略的自校准和自验证生物传感器的原理和优势，比较表明多信号协同输出优于单信号检测。
未引用参考文献
Guo等，2025a；Guo等，2025c；J等，2022；Li等，2025a；Li等，2025b；Li等，2024a；Li等，2025c；Li等，2025d；Li等，2025e；Li等，2023；Li等，2024b；Li等，2024c；Li等，2025f；Li等，2024d；Liu等，2025a；Liu等，2025c；Sun等，2025；Sun等，2025；Sun等，2023；Tiantian Li和Liu，2019；Wang等，2025a；Wang等，2025b；Wang等，2025c；Wang等，2025d；Wang等，2025e；Wei等致谢
本研究得到了中国广东省重点研发计划（2025B0202120001）、国家自然科学基金（32572714）、广东省科技计划（2023A0505090008）以及广东省珠江学者计划（2017）的支持。
