智能包装生物传感器已成为食品中农药残留实时检测的一种有前景的方法。该综述概述了近年来集成于食品包装系统中的生物传感技术进展，以增强对食品安全与质量的监测。这些生物传感器采用生物识别元件，对农药残留进行选择性检测与定量分析。通过融合生物技术与纳米技术原理，此类系统能够实现快速、高灵敏度且低成本的检测。此外，许多系统支持无线数据传输，从而可对农药水平进行实时监控。为提升检测性能，多种纳米材料已被引入生物传感器设计中，包括银纳米颗粒（AgNPs）、氧化锌纳米颗粒（ZnO）、二氧化钛纳米颗粒（TiO2）、石墨烯（graphene）和石墨烯量子点（GQDs）。这些材料可增强传感器的灵敏度、稳定性和信号响应。研究人员已开发出多种检测技术，如比色法、荧光法和电化学方法。这些方法表现出较高的灵敏度和选择性，尤其适用于水果、蔬菜、果汁及水样中有机磷和氨基甲酸酯类农药的检测。研究采用 Tableau 和 VOSviewer 对259篇文献进行了文献计量学分析，以评估全球研究趋势。结果表明，中国在智能包装研究领域处于领先地位，其后依次为印度、美国、土耳其和伊朗。总体而言，将生物传感器集成到智能包装系统中，是提升食品安全与质量监测能力的一种有前景策略。然而，仍存在若干关键挑战，包括长期稳定性、规模化生产、成本约束以及监管标准化等问题，需加以克服，方可实现更广泛的产业化应用。
1. Introduction
文章首先从全球人口增长、财富提升及食品消费增加的背景出发，指出食品供应链中普遍存在食物损失、腐败变质与安全风险，涉及物流低效、微生物污染、市场分配失衡以及采后贮藏条件不足等因素。在此基础上，文章强调先进包装技术对于保障食品品质、延长货架期和提升食品安全的重要意义。文中进一步区分了活性包装与智能包装两类体系：前者通过吸氧、抗菌、释气或调湿等方式直接调控包装内部环境，后者则依靠指示器、传感器、生物传感器和数据载体对食品新鲜度、污染、温度历史和气体组成进行监测与信息传递。围绕农业生产中农药的大量使用，文章论述了农药残留在食品、土壤和水体中的迁移与富集风险，指出其可能具有毒性、致突变性、潜在致癌性及内分泌干扰效应。文中还总结了农药暴露对肝脏代谢、女性生殖系统以及胎儿神经发育的潜在危害，强调建立快速、灵敏、现场化的农药残留监测技术具有现实必要性。基于此，文章将纳米传感器（nanosensor）和智能包装生物传感器视为兼顾农业生产力与消费者健康保护的重要技术路径，并明确提出该综述关注实时检测、检测模式、纳米材料增强机制及文献计量趋势等内容。
2. Smart Packaging
本节系统介绍智能包装的概念及其在食品领域中的应用价值。文章指出，智能包装不仅承担传统包装的保护功能，还兼具便利性提升、消费者交互、循环经济支持及环境影响降低等多重目标。与传统活性包装相比，智能食品包装能够进一步提供食品状态的实时信息，这是现代食品质量管理的重要发展方向。文中认为，纳米技术推动了活性包装向智能包装的演进，使包装系统能够借助传感器快速识别食品的新鲜度、安全性和质量状态。相关系统通常依赖生物传感器和各类指示器，例如时间-温度指示器（TTIs）、微生物腐败传感器、病原体检测系统及污染物生物传感器等。文章还指出，天然与可降解聚合物生物复合材料可与天然油类和植物提取物结合，构建兼具抗菌性和抗氧化性的智能活性包装体系，而纳米传感器与生物纳米传感器的引入，则进一步拓展了其在农药残留检测方面的应用潜力。
2.1. Nanosensors
该部分阐释纳米传感器在农业和食品安全中的工作原理与性能优势。纳米传感器用于检测和定量纳米尺度上的物理、化学或生物分析物，可应用于农药残留、土壤养分、微生物污染和腐败指标监测。其基本结构通常由生物敏感层与换能器组成，前者可为抗体、酶或 DNA，后者则将分析物结合后产生的物理化学变化转化为电信号、光信号、热信号或质量变化信号。文章强调，纳米材料较高的比表面积与量子尺寸效应有利于目标分子的吸附以及电子/能量快速转移，因此能够显著提高灵敏度与选择性。当农药等目标分子与纳米尺度传感界面结合后，局部电荷分布、折射率或质量发生变化，进而被实时转化为可量化输出信号。
2.2. Nanobiosensors
文章指出，纳米材料的发展推动了纳米生物传感器（nanobiosensor）在灵敏度、选择性及多重检测能力上的提升。该类器件在农业中可用于监测肥料、农药、土壤湿度、pH 及微生物污染物，为精准农业和食品安全管理提供关键数据。文中重点说明，将金属氧化物如 TiO
2、ZnO，银纳米颗粒（AgNPs）以及碳基纳米结构引入电极或传感基体后，可增加活性表面积、促进电子传输并增强催化或光电化学反应。由此，系统能够对有机磷、氨基甲酸酯和拟除虫菊酯等农药实现快速、选择性的原位检测。同时，这类混合纳米材料平台往往无需复杂仪器，具备现场使用和用户友好等优势。
3. Science Mapping
3.1. Database, Keywords, and Search Criteria
本节介绍了文献计量学分析的资料来源与筛选策略。文章以“biosensor”和“pesticide”为关键词检索数据库，初始获得3021篇文献，随后按发表年份、文献类型、发表阶段、语言及学科范围进行多轮筛选，最终纳入1294篇文献进行分析。可视化工具采用 Tableau 与 VOSviewer。该部分表明，研究不仅回顾技术进展，也通过科学知识图谱分析该领域的演化轨迹，为后续关于国家分布、关键词聚类、期刊生产力和引用影响力的讨论提供数据基础。
4. Materials
本节综述了多种可用于食品中农药检测的纳米传感与生物纳米传感材料，并进一步延伸至多种智能标签和传感模式。
4.1. Silver nanoparticles
银纳米颗粒（AgNPs）因具有高比表面积、优异电导率和独特催化特性，被广泛应用于农药传感平台。文章指出，在电化学与光电化学传感器中，AgNPs 可促进电子转移并放大信号，通过增强氧化还原反应实现对有机磷、氨基甲酸酯及拟除虫菊酯类农药的快速、灵敏和选择性检测。其检测机制主要包括农药分子在修饰电极表面的吸附，以及后续发生的电化学氧化/还原或光诱导电荷转移过程。
4.2. Zinc oxide nanoparticles
氧化锌纳米颗粒（ZnO）兼具半导体与压电特性，适于构建电化学和光电化学传感器。文章指出，粒径通常小于100 nm 的 ZnO 具有较高表面积与吸附能力，能够提升对农药残留的响应。ZnO 修饰电极已被用于多类农药的直接电化学或光电化学检测，并展现出较高灵敏度、重现性及原位应用潜力。
4.3. Titanium dioxide (TiO2) nanoparticles
二氧化钛纳米颗粒（TiO
2）因其半导体和光活性性质而成为重要的传感材料。文章指出，TiO
2 在电化学和光电化学体系中能够促进电子转移，并通过光催化或氧化还原反应增强信号生成。其较高表面积有利于农药分子吸附，从而提高检测的灵敏度和选择性。TiO
2 基平台已被用于检测有机磷、氨基甲酸酯和拟除虫菊酯等多类农药。
4.4. Graphene and Graphene Quantum Dots
文中认为，石墨烯（graphene）和石墨烯量子点（GQDs）是提升生物传感性能的重要碳基纳米材料。石墨烯具有二维 sp
2 杂化蜂窝晶格、高比表面积和优良导电性，且可通过多种方法制备。GQDs 作为零维光致发光纳米材料，兼具高化学稳定性、易表面功能化、抗光漂白、水溶性好、低细胞毒性和高生物相容性等优势，因此在荧光传感和信号放大中具有显著潜力。文章据此指出，这类材料适合应用于食品安全检测中的智能包装生物传感器。
4.4.1. Colorimetric Biosensor
该部分较为详细地总结了比色生物传感器的原理、机制与应用。比色传感器通过可见颜色变化响应分析物，适于快速、便携、低门槛检测。文中介绍，AuNPs 等纳米酶在 H
2O
2 存在下表现出类过氧化物酶活性，能够催化 TMB 等显色底物氧化，引发颜色改变；由此可实现对相关目标物的可视化分析。对于有机磷农药检测，文章重点讨论了基于乙酰胆碱酯酶（AChE）抑制效应的检测策略：AChE 正常情况下可催化乙酰硫代胆碱碘化物（ATChI）生成硫代胆碱，后者与 DTNB 反应产生黄色 TNB
2− 信号；若存在氯吡硫磷等抑制剂，AChE 活性降低，黄色信号减弱，颜色强度即可用于定量分析。文章还介绍了纳米颗粒聚集致色机制，即 AuNPs 或 AgNPs 在分散状态与聚集状态间发生颜色转变，可实现无标记可视检测。对于丙溴磷，文中总结其通过 NaOH 碱水解生成中间产物，再与 4-aminoantipyrine 和铁氰化钾反应形成红色醌亚胺络合物的比色路径。总体而言，该类方法具有简便、快速和现场适用性强的优势，但也面临食品本底色干扰、环境光依赖以及人工判读精度有限等问题。文中提到，微流控纸基装置（μPAD）以及智能手机图像分析与人工智能辅助判读，可进一步提升其定量能力和商业应用前景。
4.4.2. Fluorescent biosensors
文章指出，荧光生物传感器通过监测荧光强度、寿命或发射波长变化，实现高灵敏度、高准确度的农药检测。这类系统通常依赖荧光探针、荧光蛋白或染料与目标物的特异性相互作用。文中强调，比率型荧光策略通过双信号校正提高了测量精度，例如利用 Scopoletin 与 Amplex Red 的相反荧光响应，并结合 MnO
2 纳米片实现有机磷农药检测。此类体系在文中表现出极低检出限和宽线性范围。机制上，荧光传感器可基于 AChE 抑制效应，也可借助碳点（CDs）、量子点（QDs）和氧化石墨烯（GO）提升信号稳定性与灵敏度。文章同时指出，该类方法已在水果、蔬菜、果汁和水样中得到验证，通常样品前处理较少，适合快速分析；但在复杂现场环境下，重复性与稳健性仍需改进，适配体替代酶和生物分子固定化被视为可行优化方向。
4.4.3. Electrochemical biosensors
文章将电化学生物传感器视为农药残留检测中最具实用价值的方法之一。其核心在于将酶、抗体或核酸等生物识别元件与电极换能系统结合，通过测量电流、电位或阻抗变化实现定量检测。对于有机磷和氨基甲酸酯类农药，AChE 抑制机制依然是最常见策略：农药抑制酶催化底物水解，导致电活性产物减少，从而引起电流下降或阻抗变化。除酶抑制外，文章还总结了免疫传感和催化反应路径等检测机制。金属氧化物电极如 ZnO、CuO、TiO
2 和 Fe
2O
3，可通过形貌可调、活性位点丰富和优异电化学性能提高传感器响应。文中认为，这类平台具有低检出限、响应快、成本较低、便于便携化和现场筛查等特点，已适用于水样、果蔬及果汁中的农药检测。
4.4.4. Ethylene-sensitive smart labels
文章简述了乙烯敏感智能标签在果蔬成熟与衰老监测中的作用。乙烯作为植物成熟相关激素，其浓度变化可通过标签中的感应单元转化为颜色变化，从而提供成熟度指示。该类标签虽不直接针对农药检测，但体现了智能包装在食品状态可视化监控方面的扩展能力。
4.4.5. Color-sensitive smart labels
本小节介绍颜色敏感标签可对温度、湿度、pH 等环境刺激作出颜色响应，为消费者或从业者提供直观信息。文中指出，热致变色油墨和 pH 敏感染料是典型实现方式，可用于判断贮运温度异常或食品酸败状态。其优势在于成本低、识别直观且无需专门仪器。
4.4.6. Temperature-sensitive smart labels
文章指出，温度敏感智能标签主要用于记录贮藏或运输过程中的温度暴露情况，以识别温度滥用并辅助保障易腐食品品质。结合番茄贮藏研究，文中说明稳定温度有助于延缓成熟并保持感官品质与抗氧化能力，而温度波动会加速成熟与品质劣变。
4.4.7. Optical sensor
光学传感器通过光与目标物质之间的相互作用完成检测，应用于环境监测、生物医学诊断和食品安全评价。文章尤其提及纳米酶在食品污染物检测中的作用，认为其在病原体、毒素、农药残留和非法添加物检测中表现出高灵敏度、选择性和成本优势。
4.4.8. Piezoelectric sensors
压电传感器利用压电效应将机械应力转化为电信号，具有高灵敏度、快速响应和宽频带等优点。虽然文中对此类传感器在农药检测中的具体案例介绍较少，但其作为智能包装多模态感知体系的一部分，体现了包装监测技术的多样化发展方向。
4.4.9. Electrochemical sensor
该部分补充说明了广义电化学传感器的工作原理及应用价值，强调其通过电极上的电化学反应将分析物浓度转化为可测输出信号。文章借助其他领域实例说明电化学平台具有较强的通用性，也从侧面支持其在农药检测中的可扩展应用。
4.5. Bibliometric trends and research impact
在技术综述之外，文章还系统讨论了文献计量结果。研究显示，过去十年中传感器型智能包装相关论文发表量总体呈上升趋势，年发文量多数超过40篇，且年度引用量持续维持较高水平，说明该方向具有稳定的学术影响力。国家层面，中国发文量居首，随后为印度、美国、土耳其和伊朗。期刊层面，Biosensors and Bioelectronics、Sensors and Actuators B: Chemical、Talanta、Biosensors 和 Microchemical Journal 是主要发表来源。文章还通过高被引文献分析指出，纳米材料、分子印迹聚合物（MIPs）、电化学生物传感器（ECBSs）和免疫化学生物传感器等主题对该领域发展具有重要推动作用。
5. Conclusion and Future Direction
文章最后认为，集成生物传感器的智能包装为食品中农药残留快速、灵敏和实时监测提供了有前景的解决方案，并有望在供应链全过程提升食品安全保障水平。同时，这类系统还可能通过残留反馈促进更合理的农药管理并降低环境污染风险。然而，其广泛应用仍受限于生物传感器在包装材料中的长期稳定性、复杂食品基质干扰、较高制造成本、规模化生产能力不足以及监管标准尚未完善等因素。未来研究应重点提升传感器的灵敏度、选择性和耐久性，开发新型纳米材料和功能聚合物，强化无线通信与数据分析集成，并探索降低成本的规模化制备工艺。文章同时强调，需要进一步评估该类包装系统的长期安全性、环境可持续性与全生命周期影响，并依赖材料科学、食品工程、传感器工程与监管机构之间的跨学科协作，推动其由实验室研究走向商业化应用。
