近年来，食品和水质安全问题频出，已经成为人 们关注的焦点问题，关系到广大人民群众的身体健康 和生命安全，是急需解决的头等大事。而对食品和水 质安全监测来说，如何获取第一手信息就显得非常重 要。实时、动态监测体系能够更加快速进行危害评估， 对食品和水质等各环节中化学污染物、食源性致病菌 以及食源性疾病可更好地实施布控和预防，及时发现 安全隐患，因此，打造这样一个监测系统是十分必要 的。然而，目前还没有一个真正意义上的全过程监测 系统问世。最近几年已经有大量关于食品和水质监测 的传感器被开发出来，这些仪器和系统都是各种交叉 学科融合的结晶，其中以融合纳米科技的传感器尤为 突出。 1 纳米传感器的优缺点

采用纳米技术开发新的食品和水质安全监测传 感器是目前的一个研究趋势，这是因为纳米尺度的监 测体系具有以下优点：（1 ）与传统材料相比，纳米材料 具有更高的面积/体积比，即在其表面进行监测功能化 修饰的效率更高^{[1, 2, 3, 4, 5]}；（2）因具有1~100 nm的体积使其 展现更高的灵敏度^{[6, 7, 8]}；（3）具有独特的光电性能^[9]；（4） 纳米材料的高弹性常数使其具有更快的反应速度； （5）对于同它们体积相似的物体可以进行高度密集的 小范围检测。通常用于生物传感器上的纳米材料有纳 米颗粒（如金、硅、磁复合材料、聚合物）^[10]、纳米线（如 金、聚合物、复合材料）、纳米多孔表面材料^[3]、碳材料 （大部分是纳米管），或者量子点等物质^[10]。然而，虽然 这些纳米材料具有许多明显的优点，但仍面临着一些 挑战。例如，纳米材料的高灵敏度来自于其纳米尺寸 的体积，然而因其体积过小（纳米级别），在与被检测 物相互作用时互相吸引碰撞的几率也大大减小。因 此，在利用纳米材料优点的同时还需要增加测量次数 和时间以弥补其不足，尤其是在使用纳米传感器进行 “痕量检测”（10^-6或10^-9）时，样品需经过预浓缩，否则 检测时间的延长可能会导致更强的背景噪音。遗憾的是，关于针对纳米传感器测试的预浓缩技术报道并不 多见，据我们所知，仅有数篇文献报道^{[11, 12]}。另外，还有 一些纳米传感器，如碳纳米管类传感器，因其纳米材 料是靠范德华力作用制备的^[13]，测试温度变化也可能 会对检测结果产生一定影响。

将纳米材料与导电聚合物复合在一起制备传感 器是目前研究的一个热点，这是因为该体系更易进行 功能化修饰，引入生物识别元素，进行电讯号的直接 传导及增强其生物的相容性^[8]。例如，导电聚合物纳米 颗粒^[4]和纳米线^[7]可进行分子印迹功能化应用，噬菌体 功能化应用（对沙门氏菌^[14]和大肠杆菌^[1] 检测），以及 抗体功能化应用（对病毒^[15]和细菌^[2]免疫检测）等。然 而，该传感器却难以适应复杂环境，这是由于：（1 ）大 多难溶于有机溶剂中；（2）机械性能差，且弹簧系数低； （3）电阻率高；（4）驱动电压高；（5）对环境条件，如湿 度、离子、酸碱度、二氧化碳含量等的变化敏感。

微/纳米流体技术或数字微/纳米流体技术为检测 微体积样品提供了可能，也为制备芯片实验室绘制了 美好的蓝图，基于芯片实验室的检测平台具有全自动 化多组分检测、高灵敏度、低成本以及易操作的特 点^{[16, 17]}，尤其是在对生物病原菌和寄生虫进行检测时 可以显著地减少样品用量，因此也就减少了人力对这 些病原菌或寄生虫进行辛苦的培育^[18]。在这些优点的 驱使下，近几年基于微/纳米流体系统的食品、水质传 感器不断涌现出来^{[19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27]}。然而这些设备使用起来相当 困难，其中严重限制其应用的问题是生物淤积以及如 何有效地实现宏观外部系统和芯片系统的衔接^[28]。 2 纳米传感器在食品和水质检测方面的应用

目前开发出的食品、水质传感器已被用于检测多 种潜在危害，如图 1所示。例如，在美国，弯曲杆菌、沙 门氏菌、李斯特菌以及大肠杆菌等被认为是食品中的 首要致病菌^[29]，针对这些细菌的传感器研究已经有很 多。在世界范围内，通过水介质传播疾病的病原菌有霍乱弧菌O139、肠出血性大肠杆菌O157颐H、抗氯隐 孢子虫或抗药性绿脓杆菌等^[30]，在人口增长、迁移以 及社会经济动荡时期时有爆发。与此同时，毒素传感 器也要相应地进行深入研究^{[31, 32]}，虽然食品杀菌方法 可以消除很多蛋白毒素，但是有一些热稳定的毒素如 真菌毒素和贝类毒素等即使在煮熟的食品中仍然存 在。近年来，关于蓖麻毒素可被用作生化武器对人类 造成危害的争论一直存在^[33]，因此，对新型蓖麻毒素 传感器的开发也屡见报道^{[34, 35, 36, 37]}。另外，对食物或水源中 的农药污染检测也是重中之重^{[38, 39]}，因为这些污染在 环境中会持续地产生毒性^[40]。因此，针对污染物的多 样性，食品和水质传感器的开发既要做到具有针对 性，又要能够对食物源头和环境等进行监测，同时所 开发的传感器更要易于操作。

图 1 目前开发出可用于食品、水质检测的传感器

图选项

敏感的配体是制备食品、水质传感器的必须物 之一。目前大部分的配体都是生物配体和化学配体， 例如生物催化剂（“锁-钥”模式）^{[24, 41]}和受/配体吸 附^{[2, 3, 5, 9, 18, 23, 27]}技术是较常用的研究技术，它们可对分 子进行高选择性识别。此外，细胞中通过生化途径产 生的细胞响应也可作为检测病原菌和毒素的工具， Banerjee 等^[42]对此进行了较详细研究。采用噬菌体的 展示技术对细菌进行检测的方法也有很多报道^{[1, 43]}。 最近，采用融合适体^{[44, 45]}和分子印迹^{[4, 7]}等技术的非生 物仿生学食品、水质传感器也成为研究热点。然而，一 些基于待测物物理特性的配体还很少有人开发，这恰 恰是未来研究的重点。制备传感器的一般步骤是将含 有配体的材料均匀覆盖到传导装置表面，进而使这些 装置对某些特定的生物或化学物质产生信号。物理型 传感器一般是采用通过对样品特性进行直接检测的 方式，若特征明显，则检测结果可作为鉴别被测物的 方法。该方法是对一般使用的化学方法，如酶转化、 受-配体结合、适体或分子印迹的纳米材料等的进一 步补充，一般来说远程检测手段都属于这个范畴。

通过自组装方法制备稳定和耐用的功能化识别 薄膜也是目前研究的热点，但是还存在许多挑战，因 此大家将兴趣转为研究材料内部如待测物独特的光 谱或者热指纹特性等的响应。Wig 等^[46]通过光热辐射 和热处理过程制备出了非功能化识别的微悬梁臂，并 对炭疽杆菌进行靶向检测。类似的实例还有采用微换 热器对化学武器进行检测^[47]，以及采用微量热传感器 来检测热源或者爆炸源等^{[48, 49]}。然而迄今为止，这些方 法在食品或水质检验方面的应用实例并不多见。

理想的传感器应基于材料对识别元素最原始的 响应，经过扩大和过滤，然后产生最低可检测到的信 号（检测限）。目前检测器敏感性和识别准确性之间 的不匹配可能导致检测过程异常灵敏（艾克^[50]和仄 克^[51]级的检测限），但识别系统却无法识别，例如，表 面声波（SAW）、石英晶体微天平（QCM）、微悬梁臂、 表面等离子共振（SPR），以及其他一些高灵敏度传感 器需要配备相应的化学和物理识别系统，因此，未来 的研究方向之一是要向着消除传感器和识别器之间 的不匹配来进行。最近一些研究结果表明，虽然高灵 敏度的检测器和稳定灵敏的识别元素都可获得，但 是它们之间的通讯问题还需进行深入研究^[52]。表 1 列 举了一些对电化学、电磁学、热力学以及纳米力学性 能等环境变量敏感的材料研制而成的食品或水质纳 米传感器。

表1 可应用于食品、水质传感器的潜在的传导方法和传导平台

表选项

开发食品或水质传感器的最终目标是建立区域 化的动态监测系统，这些监测系统可以分布在农田 中、食品加工厂以及消费场所等。但在现实世界中建 立这样的系统却是困难重重。例如，食品和饮料的成 分复杂，其中所包含的蛋白质、脂肪、碳水化合物、添 加剂以及在生产制造或消费过程中产生的污染都需 要考虑进去，另外食品或水中的化学或生物污染物也 不均匀。譬如小剂量的有害菌（10~10000个）就会对人 体产生相当大的伤害，但相同量的益生菌株则不会产 生危害，而且这2种类型的细菌经常是同时存在的[41]。 农田、工厂或运输集装箱等多变的环境因素也可能干 扰到传感器检测的稳定性，因为这些地点的温度、压 力、机械性能、化学因素以及电磁因素的变化情况很 难掌握。即使是使用热稳定的传感器，因食品状态如可 能是固体或液体等不同，也要求传感器能够适应一定 的范围。而不同的是，在实验室环境下，食物或水质样 品大多会进行前处理，以便使之适应传感器的检测。

虽然传感器普遍具有很高的灵敏度，但对待测物 的选择性则很差。通常情况下传感器对环境因素的改 变会产生不同程度的响应，或者在相同刺激下识别元 素将响应传导给传感器。样品—传感器之间的传导一 定要同环境因素区别开来，这样就可最大限度地减少 “假阳性”，在增加结果可信度的同时也使定量更为准 确。例如，在温度变化下一些特性，如导电性、弹性、膨 胀系数、阻尼、表面张力、电介质功能、能带隙、噪音等 发生变化的传感器和/或识别元素必须不能影响到对 温度敏感的食品或水样。即使是在相同温度下，pH值、亲水/亲油性的改变以及机械性能的改变也会对 传感器产生影响[14]，因此，理想的传感器需要只对识 别元素产生响应而不会被环境所影响。这对于开发可 移动检测装置来说就是较大的挑战。

随着检测手段不断增多，检测条件也开始变得更 加宽松，食品或水质传感器装置可以在现实环境中直 接应用于样品检测，例如直接对西红柿[53]、牛奶[54]、牛 肉[55]以及菠菜[56]等检测。Horgan 等[57]认为虽然新的检 测方法在选择性、灵敏度和检测限方面都有明显提 高，但是对于检测器的评估还需考虑一些组织和机构 如临床实验室标准化协会等的意见。食品或水质传感 器也要经由受试者工作特征（ROC）分析来评估，这与 采用ROC 评估免疫生物传感器在医学中的应用类 似[58]。一个理想的食品、水质传感器应该具有良好的 ROC 曲线，并且适用于任何场地或环境。 4 展望

未来的研究应将传感器平台和识别元素更加紧 密地结合起来，更加注重传统分析方法和纳米化非 传统方法的结合。为了适应食品和水质检测中污染 物种类繁多的情况，未来开发的传感器应融合光 学、机械学以及化学模型为一体，更大程度地扩展 其检测范围，同时新型物理型（非受体）检测器也应 大力开发。在食品或水质传感器方面的研究成果对 于食品科学、粮食安全、农业生产率以及质量方面[58] 都会有着极大的促进作用，而且这些研究对于实现 食品工业的纳米化，制备纳米食品方面也有着良好 的推动作用[59]。另外，在纳米科技领域的任何突破性 发现都可能用于食品、水质传感器开发，这些发现 或多或少的能给打破传感器使用中的某种局限提供 方法。

模仿人类嗅觉的“电子鼻”也是目前研究的热点 之一[55]。通过分子识别（锁-钥分子配对或电子量子轨 道程序[60]）来进行检测的“电子鼻”可以将可食用的和 不可食用的食材分开，用于防止食物早期腐害。在未 来的个人消费领域，它可以组装到一些常见的装置 上，例如冰箱温度感应器、婴儿用品或者手机上来辨 别食材的新鲜程度。 5 结论

目前食品和水质传感器的发展仍面临着多方面 挑战。虽然在实验室里其选择性和灵敏度已经取得了 很大进展，但是仍很少有将其置于现实环境中进行检 测的报道。在未来的研究中，不仅应加强对传感器的 基础研究，尤其是将传感器的灵敏度和识别元素对于 待测物的识别效率匹配起来，同时减少环境因素对于 传感系统的影响，而且更重要的是开发出适用于各种 环境的检测终端。