郑州轻工业大学王延峰|孙军伟教授团队综述食品安全领域无标记光学 DNA 传感器最新研究

导读：该综述系统梳理了无标记光学 DNA 传感器在食品安全检测领域的最新研究进展，全面覆盖荧光、比色两大主流信号输出模式，深入解析 G - 四链体、DNA 纳米簇、氧化还原酶模拟物等核心传感元件的作用机制。综述打破传统分类框架，按食源性致病菌、真菌毒素、农兽药残留、重金属等检测对象，系统归纳技术应用现状，同时明确了当前技术在复杂基质干扰、多目标同步检测、产业化落地等方面的核心瓶颈，为后续技术优化与场景化应用提供了清晰的研究脉络与方向指引。

研究背景 

（一）食品安全风险频发，传统检测难承刚需

全球食品供应链条长、环节多，真菌毒素、食源性致病菌、农兽药残留、重金属等有害物质污染事件屡见不鲜。传统检测方法如色谱 - 质谱联用、酶联免疫、PCR 技术，虽精度较高，但存在明显短板：前处理繁琐耗时、依赖大型仪器、需专业人员操作，且难以实现现场快速筛查与批量检测。随着消费者对食品安全关注度提升，以及食品企业全链条质控、监管部门常态化抽检需求激增，开发快速、便携、低成本、高灵敏的检测技术成为行业迫切刚需。

（二）生物传感技术革新，无标记光学传感器崛起

生物传感技术因特异性强、响应快等优势，成为食品安全检测领域研究热点。其中，传统光学 DNA 传感器需对核酸探针进行荧光或淬灭标记，不仅成本高、操作复杂，还可能影响探针与靶标的结合效率，限制技术推广。而无标记光学 DNA 传感器摒弃荧光基团、淬灭基团等标记物，直接利用 DNA 自身构象变化、纳米材料光学特性或酶促反应实现信号输出，完美解决标记依赖问题，兼具低成本、易操作、生物相容性好等优势，成为近年科研焦点。

（三）技术迭代加速，体系化梳理迫在眉睫

近五年，无标记光学 DNA 传感器研究呈爆发式增长，新型传感元件（如 AIE 材料、CRISPR 系统）、信号放大策略（如等温扩增、纳米增强）不断涌现，应用场景从单一靶标检测拓展至多组分同步筛查。但研究分散、技术路线繁杂，不同传感机制的优劣、适用场景缺乏系统对比，关键瓶颈与突破方向尚未形成共识。因此，亟需通过综述整合领域成果，厘清技术发展脉络，为科研人员提供体系化参考，推动技术从实验室走向实际应用。

核心内容 

（一）无标记光学 DNA 传感器核心技术体系

综述将无标记光学 DNA 传感器按信号输出模式划分为荧光型与比色型两大核心类别，系统拆解各类传感机制、核心元件与技术特点：

荧光型传感器：核心依赖 DNA 构象变化触发荧光信号，主流元件包括 G - 四链体（结合 NMM、ThT 等染料发光）、SYBR 类染料（嵌入双链 DNA 发光）、AIE 材料（聚集后荧光增强）、DNA 纳米簇（银 / 铜纳米团簇荧光特性）。无需标记，背景信号低，灵敏度高，可实现痕量检测，适配真菌毒素、重金属等微量有害物质筛查。

比色型传感器：通过催化显色反应或纳米颗粒聚集变色实现裸眼观测，核心机制包括 G - 四链体 /hemin 模拟酶催化 TMB/ABTS 显色、金纳米颗粒（AuNPs）聚集变色、锰氧化物纳米材料催化氧化。优势在于无需仪器、裸眼可判，便携性极强，适配现场快速初筛，适合基层监管与企业自检。

同时，综述归纳了三大信号放大策略：一是等温扩增（RCA、LAMP、CHA），实现靶标信号指数级放大；二是纳米材料增强（石墨烯、MoS₂），提升信号强度与稳定性；三是酶促循环（DNA 酶、CRISPR/Cas），降低背景干扰、提高灵敏度。这些策略的组合应用，推动传感器检测限达皮摩尔甚至飞摩尔级别。

（二）食品安全检测应用全景梳理

综述打破传统技术分类，以食品安全风险类型为核心，系统归纳无标记光学 DNA 传感器的应用进展，覆盖六大核心检测场景：

真菌毒素检测：聚焦黄曲霉毒素、赭曲霉毒素、玉米赤霉烯酮、呕吐毒素等强致癌物质，开发适配各类毒素的适配体传感器，实现谷物、油料等复杂基质中痕量毒素检测。

食源性致病菌检测：针对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、沙门氏菌等高频致病菌，基于核酸互补配对或特异性适配体，实现食品中致病菌快速定性与定量。

农兽药残留检测：覆盖有机磷、氨基甲酸酯、四环素、氯霉素等残留，利用适配体特异性识别，解决农兽药残留多组分、低浓度检测难题。

重金属检测：针对铅、汞、镉等有毒重金属，基于 DNAzyme 或金属特异性碱基错配（如 T-Hg²⁺-T），实现水体、果蔬中重金属高灵敏检测。

其他有害物质：拓展至三聚氰胺、丙烯、食品过敏原（β- 乳球蛋白）等非常规风险检测，拓宽技术应用边界。

亮点价值 

（一）研究亮点

分类体系创新：摒弃传统按技术原理分类的模式，以食品安全风险场景为核心重构应用框架，更贴合实际检测需求，便于科研人员与从业人员快速定位适配技术。

多维度系统对比：首次全面对比荧光型与比色传感器的灵敏度、特异性、便携性、成本及适用场景，明确不同技术的优劣边界，为技术选型提供直接依据。

瓶颈与突破精准聚焦：不仅梳理成果，更直面领域痛点，明确复杂基质干扰、多目标同步检测难、稳定性不足、产业化适配性差四大核心瓶颈，并针对性提出纳米材料复合、CRISPR 融合、人工智能辅助等突破方向。

（二）学术与应用价值

从学术层面，该综述填补了无标记光学 DNA 传感器在食品安全领域体系化梳理的空白，整合分散研究成果，厘清技术发展脉络，明确核心研究方向，为后续机制研究、技术优化提供重要参考。

从应用层面，综述贴合产业实际需求，明确不同检测场景的最优技术选择，为食品企业质控、监管部门现场抽检提供低成本、易操作的技术方案。同时，指出产业化关键节点，推动技术从实验室理论研究向工业化、商业化应用转化，助力提升全球食品安全检测水平。

图文赏析

结论展望

（一）研究总结

无标记光学 DNA 传感器凭借免标记、高特异、高灵敏、便携低成本等核心优势，已成为食品安全检测领域的前沿热点。荧光型传感器适配实验室痕量精检，比色传感器适配现场快速初筛，二者形成互补，覆盖从实验室到基层的全场景检测需求。目前技术已实现真菌毒素、致病菌、农兽药、重金属等多类风险的高灵敏检测，部分传感器检测限达痕量级别，展现出巨大应用潜力。但复杂食品基质干扰、多目标同步检测能力不足、长期稳定性差、产业化适配性弱等问题，仍是制约技术落地的核心瓶颈。

（二）未来展望

未来研究可聚焦四大核心方向，推动技术突破与场景化落地：

多目标同步检测技术开发：整合多种识别元件与信号输出模式，构建可同时检测多种有害物质的传感阵列，解决单一靶标检测效率低的问题。

抗干扰技术优化：开发新型纳米复合基底、优化探针设计，提升传感器在油脂、蛋白、色素等复杂食品基质中的稳定性与特异性。

便携化与智能化集成：结合智能手机、微流控芯片，开发一体化便携检测设备，实现信号实时采集、数据分析与结果可视化，适配现场快速检测。

产业化落地推进：简化制备工艺、降低成本，开展大规模实际样本验证，制定行业标准，推动技术从实验室走向食品生产、流通、监管全链条。

本文为编译科普解读，仅用于非商业学术交流、学习参考，不构成出版、转载或商用行为。文中核心研究内容、数据、图表版权均归原作者及期刊出版机构所有，原文请查阅期刊官方平台。

标注 “原创” 仅代表本账号原创梳理、翻译解读，不侵占原文著作权；内容为独立撰写，不代表原论文作者、期刊、出版机构及本平台立场，不佐证相关研究真实性。

如不希望相关内容被转载或存在侵权等问题，均可联系平台小编，即刻安排修改、下架删除；受编译整理水平所限，内容若有疏漏不足，恳请谅解，欢迎随时私信我们调整完善。