研究成果|通过整合先进的机器学习技术提升纳米材料光学传感器阵列，以增强食品质量和安全的视觉检测能力

美食 2024-10-31 07:00 上海

今天介绍一篇华南理工大学食品科学与工程学院孙大文教授课题组于2024年7月在《Food Science and Nutrition》上发表的一篇题为“Elevating nanomaterial optical sensor arrays through the integration of advanced machine learning techniques for enhancing visual inspection of food quality and safety”的文章。本文综述了近年来基于纳米材料的OSA在食品质量安全视觉监测中的应用，包括比色传感器阵列(CSA)和荧光传感器阵列(FSA)。

摘要

由于食品链控制效率低下导致的食品质量和安全问题对人类健康、社会稳定和经济发展具有重大影响，光学传感器阵列(OSAs)可以有效应对这些挑战。本文综述了近年来基于纳米材料的OSA在食品质量安全视觉监测中的应用。首先，介绍了各种先进纳米材料的基本性质，主要包括金属纳米粒子(MNPs)和纳米团簇(MNCs)、量子点(QDs)、上转换纳米粒子(UCNPs)等。此外，还介绍了从不同传感元件和分析物之间的响应中获得的高维数据的各种机器学习(ML)和深度学习(DL)方法。并对近年来在农药残留、重金属离子、细菌污染、抗氧化剂、风味物质、食品新鲜度检测等方面的代表性应用进行了综述。最后讨论了基于纳米材料的光学辅助材料的挑战和未来前景。

亮点

1. 系统总结了近年来基于纳米材料的比色传感器阵列（CSA）和荧光传感器阵列（FSA）在食品质量与安全视觉监测中的应用，涵盖了多种新型纳米材料（如金属纳米颗粒、金属纳米团簇、量子点等）及其制备、数据收集与分析方法。

2. 深入探讨了如何应用先进的机器学习技术（如主成分分析、支持向量机、人工神经网络、深度学习等）来处理和分析传感器阵列产生的高维数据，提高了检测效率和准确性。

3. 通过具体实例展示了这些技术在食品农药残留、致病菌检测、新鲜度评估等方面的实际应用效果，验证了其有效性和实用性。

4. 提出了基于纳米材料和机器学习技术的光学传感器阵列在实时监测和智能化检测方面的优势，为食品工业中的快速响应和质量控制提供了有力支持。

图文赏析

图1 光学传感器阵列的现状及研究思路。(A)近十年来光学传感器阵列在不同领域的应用。(B)食品科学技术中光学传感器阵列发表文献的增加趋势。(C)用于食品质量评估和安全控制的基于纳米材料的比色和荧光传感器阵列的检验过程，包括各种先进材料的介绍，制造和数据收集方法，以及高维数据集的数据分析。

图2 传感器阵列技术模式识别中使用的机器学习方法。（A）PCA、（B）HCA、（C）LDA、（D）SVM、（E）RF、（F）ANN和（G）CNN。

图3 基于（A）Asp-Cu纳米纤维构建的多酶样活性CSA和（B）基于AuNP的CSA区分各种农药残留的示意图。使用（C）基于AuNCs的FSA和（D）基于嵌入三个发光QD的树枝状中孔纳米颗粒的FSA识别不同重金属离子的示意图。

图4 基于(A)三种受体功能化CDs制备的FSA、基于AuNCs的FSA、(C)基于AgNPs的CSA和(D)基于PEI-GO配合物修饰的基于荧光团的FSA对各种细菌的鉴定示意图。

图5 (A)基于Au2Pt的抗氧化CSA检测，(B)基于染料-Cu -MOF纸基CSA检测霉变小麦，(C) 由不同茚三酮介导的过渡金属掺杂 CDs 组成的用于肉类新鲜度评估的 CSA，以及(D)基于MOF混合基质膜和深度学习的食品新鲜度测定。

总结

本综述系统地总结了在基于纳米材料的比色和荧光传感器阵列用于食品质量评估和安全控制方面所做的努力。与化学响应染料相反，先进的纳米材料（包括 MNPs、金属 MNCs、QDs、UCNPs 和 MOF）因其稳定、易于制备和改性、优异的光学特性和生物相容性等特点，更适于被选为区分不同结构相似的分析物和分析物混合物的传感元件。此外，使用扫描仪或智能手机来采集和分析纸质传感器阵列也是拓宽实际应用场景的好方法。此外，用于高维数据分析的 ML 技术的进步提高了基于各种纳米材料的传感器阵列的效率和优化使用，随着深度学习和数据挖掘技术的蓬勃发展，这些技术还将得到进一步发展。鉴于基于纳米材料的 OSA 在食品安全控制和质量评估方面取得了令人瞩目的进展，相信 OSA 技术将在食品工业中发挥越来越关键的作用，并能以新颖、便携、便捷的形式广泛应用于日常生活中。

通讯作者

孙大文（Da-Wen Sun），欧洲科学院（欧洲人文和自然科学院）（Academia Europaea）院士，爱尔兰皇家科学院（Royal Irish Academy）院士，波兰科学院外籍院士，国际食品科学院（IAFoST）院士，国际农业与生物系统工程科学院（iAABE）院士，国际制冷科学院院士。国际著名期刊《Food and Bioprocess Technology》创刊者和主编。现任华南理工大学教授，博导，现代食品工程研究中心主任。研究领域为食品绿色加工技术、食品快速无损检测技术、新型食品冷冻技术及低碳体系建设。在世界著名杂志和国际会议上发表了900篇高水平论文，出版专著17部，共有超过500篇论文被SCI收录（SCI的H指数为91，SCOPUS的H指数为94）。每篇论文平均引用次数超过35次，被引用总数全球农学排名第六位（2018.7）。

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