摘要：WANG Rujing. Agricultural Sensor: Research Progress, Challenges and Perspectives[J]. Smart Agriculture, 2024, 6(1): 1-17.
本文节选自：
王儒敬. 农业传感器：研究进展、挑战与展望[J]. 智慧农业(中英文), 2024, 6(1): 1-17.
WANG Rujing. Agricultural Sensor: Research Progress, Challenges and Perspectives[J]. Smart Agriculture, 2024, 6(1): 1-17.
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农产品质量安全传感器研究进展
农产品质量安全传感器是一种用于检测农产品质量和安全性的传感器设备。此类传感器可以感知农产品的温湿度、外观形状、新鲜度、营养成分含量及细菌、农药残留、抗生素、重金属危害成分的各项参数。通过实时监测这些参数，农产品质量安全传感器可以帮助用户、生产者、消费者和监管部门确保农产品符合食品安全标准，避免食品污染和质量问题。相对于其他种类的农业传感器，农产品质量安全传感器目前面向普通消费者使用更加广泛。
1 农产品质量传感器
农产品质量传感器广泛应用于农产品检测各场景，在果蔬的供应链中尤为重要。果蔬在供应链储存运输不当易遭受损伤，引起果蔬内部腐烂和生理病害，造成品质和商品价值的降低甚至完全丧失。因此，果蔬品质的快速、高灵敏、高精度、无损伤检测系统尤为重要。近红外光谱技术是一种可靠、快速、无损和无需样品预处理的检测技术，适用于果蔬质量连续检测。陈玥瑶等用近红外漫反射光谱法结合化学计量学定量分析技术开展了平谷大桃品质的无损检测，依据桃中的糖度、酸度、硬度和水分建立检测模型对水果进行分选，实现桃品质的田间检测和最佳采摘期确认。
光纤传感器技术已被广泛应用于农产品质量监测领域，展现了其在确保农产品安全与提高品质方面的重要价值。酪胺经常发现在腐烂的食品产品中，被作为检查食品质量的重要因素。Singh等通过MXene和AuNPs对光纤表面功能化，开发了一种基于局域表面等离子体共振的光纤传感器，用于检测农产品中的酪胺，检测限为6.96 µM，灵敏度为0.038 5 nm/µM，并具有极高的稳定性和重复性。
未来，农产品质量传感器的发展趋势主要为低成本、多参数及智能化。一是发展便携式、低成本、快速检测技术，提高农产品质量检测效率。二是发展多参数检测技术，可以同时检测农产品的多个参数，如湿温度、pH、营养成分等，以全面评估农产品的质量。三是实现智能化检测技术，将人工智能、大数据等技术应用于农产品质量检测传感器中，实现数据的智能分析和预测，提高检测的准确性和效率。此外，适应于冷链运输场景农产品质量的实时监测、配合采摘机器人的果蔬质量分选感知等农产品质量传感器具有较大发展前景，应最大限度地与智能运输车、无人采摘机器人等新型装备结合使用。
2 农产品安全传感器
农药、重金属、抗生素等农产品污染物已成为农产品安全传感器检测的主要目标物。基于生物识别的农药传感器具有灵敏度高、选择性高、可便携式检测等优点，主要由生物部件（酶、全细胞、抗体、DNA等）、换能器（电化学、光学或热学）和放大单元三个部分组成。可穿戴式生物传感器可直接附着在穿戴者身上，在动态分析过程中具有连续、无创、实时等特性。Mishra等成功研发一种集成可拉伸印刷电极系统的柔性手套传感器，基于有机磷水解酶的食指电化学生物传感器系统，可在采集可疑农产品后快速现场检测有机磷神经毒剂化合物。Zhao等开发了一种智能植物可穿戴生物传感器，可用于作物表面农残的原位分析，通过激光诱导石墨烯技术制备了蛇形三电极体系，经过PDMS转移后，得到了可拉伸的柔性石墨烯基电极，可以适应叶片、果实等不规则表面农产品有机磷农药检测。Zhang等利用脱氧核酶和卟啉功能化的金属有机骨架（Metal-organic framework, MOF）构建了一种快捷、灵敏的电化学传感器，表现出优异的过氧化物模拟酶活性，对Pb2+分析的检测限为5 pM，适用于叶菜中铅污染的定期监测。Tümay等设计了芘修饰的纳米纤维素作为荧光传感器，实现了食品和土壤样品中的Cd2+的检测，检测限为0.09 μM，低于世界卫生组织规定的植物中镉的允许限量。Gai等构建了超灵敏单室酶生物燃料电池用于抗生素残留检测，该传感装置最大优势可以实现自供能，同时具有简单、抗干扰能力强、选择性高和成本低等优点。Pan等开发了一种可重复的分子印迹石英晶体微天平（Quartz crystal microbalance, QCM）传感器，用于准确、灵敏地分析动物源性食品中恩诺沙星残留。该传感器通过将恩诺沙星的分子印迹聚合物直接固定在金芯片表面，结合了分子印迹聚合物选择性识别的优点和石英晶体微天平传感器的高灵敏度和便携性，可长期保存并具有良好的稳定性，在30个分析周期内响应衰减仅为7.8%。Trofimchuk等利用咖啡环效应构建纸基微流控装置，耦合智能手机检测食品中诺氟沙星残留，在纤维素材质的滤纸上设计并嵌入蜡通道，通过打印和加热使蜡渗入纸张，进而监测每个反应室中发生的比色反应，实现对食品样品中诺氟沙星浓度的便携式测定。此外，表面增强拉曼光谱（Surface-enhanced Raman Spectroscopy, SERS）在检测农产品和食品安全领域也受到广泛关注。目前，SERS已成功用于检测牛奶中的三聚氰胺、鱼类中的非法物质，以及食物样本中的细菌等生物污染物。Alsammarraie和Lin通过将金纳米棒组装到镀金硅片上的直立阵列中，可以制备新的SERS基板。所制备的SERS传感器对橙汁、西柚汁和牛奶中西维因的检出限分别为509、617和391 ppb，低于美国国家环境保护局设定的最大残留限量。Cheng等利用氧化石墨烯/AuNPs复合材料，通过分散固相萃取结合SERS快速、可靠、定量地检测油炸食品中的丙烯酰胺，检出限和定量限分别为2和5μg/kg。丙烯酰胺的回收率为73.4%~92.8％。
农产品安全传感器是民众相对重视的一类传感器，也将是未来市场用户数相对较多的传感器，目前已在实验室中实现超高灵敏度、超高选择性的检测，但在发展中还存在一些问题。一是普通消费者对传感器售价敏感，面向消费市场的农产品安全传感器需要尽快降低成本。目前，结合智能手机的纸基传感器、布基传感器和柔性塑料基传感器的快速发展为农产品安全传感器成本大幅降低带来了新的希望。二是缺乏多个危害物指标共同检测的小体积便携式传感器，因此引入微型化制造技术，结合多参数融合检测传感器将是未来发展趋势。
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来源：智慧农业资讯
