综述：针对食品中农药和兽药残留的新早期预警策略：过去五年中纳米材料介导的生物传感器研究进展

《TrAC Trends in Analytical Chemistry》：New Early Warning Strategies for Pesticide and Veterinary Drug Residues in Food: Research Progress of Biosensors Mediated by Nanomaterials in the Past Five Years

综述纳米材料传感器（NBS）在农药及兽药残留快速检测中的应用，涵盖材料类型、信号机制（电化学/荧光/色度/SERS）及检测技术，分析其高灵敏度与便携性优势，指出技术标准化与集成化发展方向。

　　
农药及兽药残留快速检测技术发展现状与趋势分析

一、研究背景与核心问题
随着现代农业和畜牧业的规模化发展，农药及兽药残留已成为全球关注的食品安全问题。传统检测方法如色谱-质谱联用技术虽然具有高灵敏度和特异性，但存在设备庞大、操作复杂、检测成本高等显著缺陷。特别是在基层监管场景中，这些技术难以满足快速筛查、便携检测的需求。基于纳米材料的生物传感器（Nanomaterial-Based Sensors, NBS）因其独特的物理化学性质，成为突破传统检测瓶颈的关键技术方向。

二、纳米材料传感技术体系架构
1. 材料分类与特性
研究系统梳理了四大类纳米材料的应用特征：
- 有机纳米材料：具有生物相容性和可功能化特性，常用于构建分子识别界面
- 碳基材料（石墨烯、碳纳米管等）：表现出优异的电子传输能力和表面吸附特性
- 无机纳米材料（MXene、Mo2C、Fe3O4等）：具备量子尺寸效应和丰富的表面官能团
- 复合型纳米材料：通过多组分协同增强检测性能

2. 信号转换机制创新
重点解析了三类典型信号转换模式：
（1）电化学信号系统：通过纳米材料与目标物的电子相互作用（如MXene复合电极对酚类污染物的检测），构建可重复使用的电化学传感器
（2）光学信号系统：包括荧光探针（Cr(III)-MOFs检测四环素）和表面增强拉曼散射（SERS）技术（金纳米棒阵列对兽药残留的检测）
（3）颜色指示系统：利用纳米材料催化活性引发的可视化反应（Fe3O4/GONRs复合体系对甲基硫菌磷的检测）

三、关键技术突破与应用案例
1. 电化学传感技术进展
2020-2025年间，该领域年均发表研究论文达47篇。代表性案例包括：
- 磁性纳米颗粒（Fe3O4）介导的微流控芯片实现兽药恩诺沙星在30分钟内的快速检测
- MXene/碳纳米管异质结电极将有机磷农药检测灵敏度提升至0.1 ng/mL
- 柔性石墨烯电极开发使田间检测设备重量减轻至传统仪器的1/20

2. 荧光检测技术突破
新型荧光探针系统展现出显著优势：
（1）镧系上转换纳米颗粒（NaYF4:Yb,Er,Et）对兽药多西环素检测限达0.5 ng/mL
（2）量子点-抗体复合体系实现农药阿特拉津的特异性识别
（3）MOFs荧光传感器（如ZIF-8）通过"开-关"机制实现目标物的动态响应

3. 比色检测技术创新
基于纳米材料催化的显色反应取得重要进展：
- Fe3O4@金纳米星复合体系对甲基托布津的检测灵敏度达28.1 ng/mL
- 纳米纤维素膜催化体系实现兽药磺胺甲噁唑的15分钟快速检测
- MXene/普鲁士蓝杂化材料开发出通用型颜色指示装置

四、系统应用与产业价值
1. 全产业链检测体系构建
通过整合：
- 农田环境实时监测（纳米探针植入式传感器）
- 仓储物流过程追踪（磁性纳米标签技术）
- 零售终端快速筛查（手持式集成检测设备）
形成覆盖"生产-加工-流通-消费"全链条的智能监测网络

2. 典型应用场景分析
（1）农产品质量检测：石墨烯基传感器实现柑橘类农产品中脂溶性农药残留的批量筛查
（2）肉类制品监管：磁性纳米颗粒-荧光免疫层析技术对兽药残留的现场快速检测
（3）中药材质量控制：MXene复合SERS系统实现重金属及农药残留的同步检测

五、技术瓶颈与发展趋势
当前面临三大挑战：
1. 纳米材料长期稳定性问题（如碳基材料在复杂环境中的降解）
2. 多组分残留的交叉干扰（需开发新型分离集成技术）
3. 检测设备微型化与功能集成（2025年微型化设备仅占市场容量的12%）

未来发展方向呈现三大特征：
1. 材料体系创新：发展金属有机框架（MOFs）与二维材料的复合结构
2. 检测模式融合：构建电化学-荧光-光学多模态传感系统
3. 智能化升级：集成边缘计算单元实现数据自主分析（当前智能检测设备占比不足8%）

六、产业化推进路径
研究提出"三位一体"发展策略：
1. 基础研究突破：重点攻关纳米材料表面功能化修饰技术（目前表面修饰效率普遍低于65%）
2. 标准体系建设：制定纳米传感器检测性能评价标准（涵盖灵敏度、稳定性、重复性等12项指标）
3. 设备升级方案：开发模块化可替换式检测头（原型设备检测速度达120样本/小时）

该研究通过系统性梳理2019-2024年间发表的286篇纳米传感相关论文，首次建立包含材料特性、信号机制、应用场景的三维分析框架。特别在检测限优化方面取得突破，当前纳米传感器平均检测限为2.8 ng/mL，较传统方法提升4个数量级。研究数据表明，基于MXene的传感器设备成本已降至传统仪器的15%，为大规模应用奠定基础。

七、社会经济效益评估
1. 监管效率提升：现场检测时间从传统方法的4小时缩短至15分钟
2. 检测成本下降：单次检测成本从传统方法的120元降至8.7元
3. 残留超标率降低：实施纳米传感技术后，抽检不合格率下降至0.3%以下
4. 生态效益改善：农药过量使用减少约17%，土壤微生物活性提升23%

该技术体系已在长三角地区现代农业园区实现规模化应用，覆盖蔬菜、水果、畜禽产品等6大品类。据农业农村部2023年统计，应用纳米传感技术的检测机构日均处理样本量达12万份，较传统实验室效率提升600倍。研究建议，到2025年应实现检测设备国产化率85%以上，基层检测覆盖率突破70%。