水凝胶系列科普三：守护舌尖上的安全——水凝胶在食品安全检测中的应用

      食品安全问题一直备受大家的关注，从农药残留到添加剂、抗生素滥用，从重金属超标到有害微生物污染，这些深藏在食物背后的“隐形杀手”，严重威胁着公众的健康。如何守护餐桌安全，实现对食品中有害物质的超灵敏、超快速、智能化实时检测，一直是科研公关的重要方向。传统的食品安全检测方法，如：高效液相色谱（HPLC）、气相色谱（GC）、质谱（MS)、聚合酶链式反应（PCR）、酶联免疫法（ELISA）等，虽然检测灵敏度高，却受限于设备昂贵、操作复杂、环境要求高，难以实现快速现场检测。近年来，水凝胶基材料在食品安全检测领域大放异彩（图1），成为了食品安全检测的“新宠”。

图1 水凝胶在食品安全检测中的应用

1. 水凝胶简介

水凝胶是一种具有三维网络结构的凝胶状柔性材料（图2），内部充满着微小的孔隙，这些孔隙不仅可以容纳大量水分，还能为各种药物分子、响应探针、纳米材料、生物细胞和酶提供稳定的环境。多样化的负载特性使得水凝胶在多个领域都展现出巨大的优势。

图2 水凝胶三维网络结构示意图

2. 水凝胶在食品安全检测中的优势

水凝胶由于其独特的性质，在食品安全监测中显示出巨大潜力。首先，水凝胶具有优越的生物相容性和化学稳定性，这意味着它们可以与食物直接接触，且不会分解、释放出有害物质，也不会因食品中的成分而发生化学变化；其次，水凝胶的多孔结构使其能够高效地吸附和富集有害物质，从而提高检测的灵敏度；此外，水凝胶可以通过简单的物理或化学方法进行功能化，使其对特定的有害物质具有选择性响应，实现精准检测。

图3 水凝胶特性赋予食品安全检测的优势

3. 水凝胶在食品安全检测中的应用

（1）聚焦食品安全：残留农药“现形记”

农药是农业生产中不可或缺的工具，但过量使用或不当使用会导致农药残留，进而威胁人体健康。农药中的有机磷化合物（OPPs）是常见的污染物。近年来，研究人员开发了一种基于水凝胶的比色传感器，这种传感器利用水凝胶对农药的特异性吸附能力，实现对食品中有机磷化合物的检测。当农药分子进入水凝胶的孔隙中时，会引起水凝胶内部结构的变化，从而导致颜色的变化。通过智能手机中的应用程序对颜色变化的程度进行分析，即可实现农药残留量的快速定量检测（图4）。

图4 有机磷化合物响应水凝胶智能手机传感器的示意图

（2）重金属检测：水凝胶负载纳米材料的“化学魔术”

重金属污染是食品安全领域的另一个重要问题。重金属（如：汞、铅、镉等）可以通过食物链的生物富集作用在人体内积累，对人体健康造成严重危害。传统的重金属检测方法同样需要复杂的样品处理和专业的实验室设备，难以满足快速现场检测的需求。水凝胶为重金属的快速检测提供了一种新的思路。例如，研究人员开发了基于金纳米颗粒（AuNPs）修饰的水凝胶比色传感器，通过与汞离子的特异性识别反应来实现检测。当汞离子与AuNPs接触时，AuNPs表面的电子结构产生变化，导致其对特定波长光的吸收能力发生改变，从而引起水凝胶颜色的明显变化（图5）。这种传感器具有宽线性检测范围（0.008–20 μg/mL）和低检测限（1.10 ng/mL），并且可以通过智能手机直接读取结果，非常适合现场快速检测。

图5 汞传感平台示意图

（3）生物毒素检测：有害分子的“精准狙击”

AFB1（黄曲霉毒素B1）是一种非常危险的霉菌毒素，常存在于坚果、谷物和啤酒中，对人体健康构成严重威胁。传统的检测方法主要是高效液相色谱（HPLC）和酶联免疫吸附测定（ELISA）等，由于操作复杂、耗时长，难以在现场快速检测。最新报道的水凝胶传感器采用一种能够特异性地结合AFB1的DNA或RNA作为适配体，实现了对AFB1有害分子的“精准狙击”。研究人员将AFB1适配体及其两条短互补DNA链作为交联剂，嵌入到水凝胶中。当AFB1进入水凝胶时，适配体会与AFB1结合，就像钥匙插入锁孔一样，导致水凝胶崩解并释放出预先装载的金纳米颗粒（AuNPs）。这些AuNPs会使上清液的颜色从无色变为红色，从而显示AFB1的存在。

为了让检测结果更精准、更易于读取，研究人员对这种方法进行了改进，引入了一种名为V-chip的微流控芯片。这种芯片内部有一个特殊的通道，可以装载红色墨水和过氧化氢。当水凝胶崩解释放出铂纳米颗粒（PtNPs）时，这些PtNPs会催化过氧化氢分解，产生氧气，推动红色墨水条移动。而移动的距离与AFB1的浓度成正比，就像一个“智能刻度尺”，让我们能够直观地读取AFB1的含量（图6）。这种检测方法不仅灵敏度高（检测限低至1.77 nM），而且操作简单，不需要复杂的仪器设备，能够在短时间内实现食品中的AFB1的定量检测。

图6 封装有响应性水凝胶的微流控芯片示意图

4. 未来发展趋势

尽管水凝胶在食品安全监测中展现出了巨大的发展潜力，但仍面临一些挑战。比如：如何进一步提高水凝胶传感器的灵敏度和选择性；如何实现多目标的同时检测；如何降低成本以便于大规模应用等。这些都是值得进一步思考与探究的问题，未来的研究将致力于这些问题的解决。目前主要的尝试方向有开发新型的水凝胶材料、优化传感器的设计和制造工艺以及结合先进的检测技术（如：纳米技术和微流体技术等）提升水凝胶传感器的性能等。

此外，随着物联网和大数据技术的发展，未来的水凝胶传感器有望实现智能化和自动化检测。通过将水凝胶传感器与无线通信技术相结合，可以实现对食品中有害物质的实时监测和远程数据传输，从而为食品安全监管提供更加高效和便捷的手段。

5. 结语

水凝胶作为一种新型的检测材料，不仅具有高灵敏度、高选择性和操作简便等优点，而且可以通过简单的功能化实现高选择性现场实时检测。随着技术的不断进步，未来集成物联网的智能水凝胶设备或将嵌入食品供应链全程，真正推动食品安全检测从“事后管控”转向“实时防控”。从而，让每一份食物都拥有属于自己的“成长日志”，每一个制作环节都变得“透明可溯源”，为公众健康提供全面保障。