《食品科学》：中国农业科学院李程副研究员等：三磷酸腺苷光学传感技术在食品品质检测中的应用研究进展

三磷酸腺苷（ATP）作为食品中普遍存在的核心能量载体，可通过断裂高能磷酸键释放大量能量，为能量转导、细胞呼吸、酶促反应和信号传递等生命活动供给能量。因此，ATP含量的动态变化与各项生理活动之间存在根本性依存关系。在食品体系中，这一特性使其成为评估品质（尤其是新鲜度）的关键生物标志物。例如，宰后猪肉ATP耗竭会引发肌动蛋白和肌球蛋白结合，导致肉质口感硬化，品质下降。此外，ATP代谢过程还与肌红蛋白转化、糖酵解等途径相关，进而影响肉色、pH值及嫩度。另一方面，由微生物污染引入的ATP同样是指示食品品质劣变的重要信号。本团队前期研究表明，生鲜肉表面微生物ATP含量与新鲜度特征指标菌落总数呈显著正相关，其决定系数为0.943。综上所述，食品中ATP含量与其品质变化存在高度关联性，通过解析ATP含量的动态变化可深入揭示食品品质变化的分子机制，使其成为品质监控与安全预警的核心靶点。

ATP检测技术已成为评估食品品质和防控微生物污染的核心技术手段。目前，传统ATP检测方法主要以电泳法和层析法为主。其中，电泳法主要包括毛细管电泳、纸电泳和凝胶电泳，基于样品中不同组分在迁移率和分配特性上的差异，借助高压电场驱动，通过不同介质实现分离和分析。例如，Fang Biyun等开发的基于氧化石墨烯（GO）传感器的毛细管电泳法可实现细胞内ATP含量检测，检出限达0.1 nmol/L。层析法主要包括高效液相色谱法、离子交换色谱法和纸层析法，样品各组分在固定相与流动相之间的分配行为（如在固定相上的吸附或溶解能力及在流动相中的迁移速率）存在差异，可在固定相上形成分离带或斑点，从而实现分离与纯化。例如，刘亚等利用高效液相色谱法精确分离水产品提取液中的ATP及其降解产物，并利用紫外检测器进行定量分析，检出限达52.0 ng/mL。尽管这些方法均可实现ATP含量的准确测定，但繁琐的前处理步骤、高昂的仪器成本及对专业技术人员的依赖等极大限制了其实际应用。因此，开发灵敏、快速且便捷的ATP传感技术具有重要现实意义。

光学传感技术凭借其高灵敏度、操作简便及响应快速等优势，为解决上述问题提供了新的技术路径。该技术的核心在于，当识别元件与ATP特异性结合后，会引起体系光信号特性（如荧光强度、颜色、光谱等）的规律性变化，通过捕获这些信号即可实现ATP的定性或定量检测。中国农业科学院农产品加工研究所的郭一、古明辉、李程*等人在综述食品中ATP代谢与品质关联的基础上，进一步聚焦ATP光学传感技术的研究现状，并详细探讨其设计原理、技术特点及在食品品质检测中的应用效果，以期为提升食品安全监控水平提供技术支撑与前瞻路径。常见ATP检测技术的优缺点及适用场景如表1所示。

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食品中ATP的形成及其与品质的关联性

食品中ATP的形成路径主要包括糖酵解、三羧酸（TCA）循环和磷酸原供能系统（图1）。在分子层面，ATP分子由腺嘌呤、核糖和3 个磷酸基团依次连接而成，其分子末端2 个磷酸基团之间的高能磷酸键在水解时可释放大量自由能，为机体生命活动提供直接能量来源。ATP蕴含的化学能在生物体中发挥着核心作用，其既是能量的“供体”，也是能量代谢过程的“枢纽”，因此被誉为“生命的能量通货”。ATP含量及动态变化不仅反映细胞代谢活性与能量状态，也可作为衡量食品新鲜度与品质变化的重要生化指标。目前，基于ATP分解代谢途径评估食品新鲜度的核心指标为K值。1959年，Saito等提出K值概念，将其定义为肌苷（HxR）与次黄嘌呤（Hx）含量之和占ATP及其所有降解关联产物总含量的比值。作为国际公认的鲜度评价指标，K值越低，新鲜度越好。该指标能够灵敏、直观地反映食品中ATP的降解程度，从而有效评价食品新鲜度的变化。

1.1 肉类中ATP动态变化及其与品质的关联性

畜禽肉是富含ATP的典型食品。畜禽宰后早期，其残余的磷酸肌酸会迅速再生少量ATP，此时ATP降解程度较低，终产物（HxR与Hx）积累有限，K值通常低于10%；进入屠宰后期，肌肉因糖原无氧酵解产ATP不足且消耗过快，含量持续下降，ATP及其关联产物持续分解，导致K值逐渐升高，标志着食品新鲜度的下降。目前，K值低于20%被认为是最佳鲜度界限，而60%则被视为劣变标准。因此，ATP动态变化可作为评估肉品新鲜度的重要指标。研究表明，其含量变化与肉品品质等级划分也具有明确关联。例如，鲁伟等研究发现，鸡肉中ATP含量随屠宰时间延长而不断下降，直至为零，并基于ATP含量变化规律实现鸡肉新鲜度等级划分：屠宰后1～4 h内（ATP含量＞1.00×10-8 mol/g）鸡肉为一级鲜品；4～24 h内（ATP含量1.00×10-11～9.99× 10-8 mol/g）鸡肉为二级鲜品；24～72 h内（ATP含量1.00×10-12～9.99×10-11 mol/g）鸡肉为三级鲜品；而72 h后（ATP含量＜1.00×10-12 mol/g）鸡肉则为冻品。

1.2 果蔬中ATP动态变化及其与品质的关联性

果蔬采后ATP水平通常呈现初期受机械伤或胁迫诱导产生短暂波动，随后因线粒体功能受损及合成受阻而持续下降的动态演变过程。该过程与采后果蔬衰老软化、果皮褐变、风味丧失及贮藏寿命缩短密切相关。张群等研究证实，葡萄在采后贮藏过程中，ATP含量降低是引发果实衰老、自溶软化等一系列品质劣变过程的关键信号。具体而言，葡萄在贮藏0～14 d内ATP含量平缓下降，随后转为快速下降，最终由初始的约9 μg/g降至0。相似地，‘Conference’梨（英国）在0 ℃贮藏过程中，其ATP含量从初始的约100 nmol/g逐渐降至约20 nmol/g，并伴随显著的品质劣变，进一步证实了上述结论。这一关联不仅存在于水果，在叶菜类蔬菜的相关研究中也已有文献报道。例如，徐祥等研究发现，雪菜在（25±5）℃贮藏0～9  d，其ATP含量无显著变化，随后由5.97 mg/100 g显著降至0.52 mg/100 g，鲜味也随之衰减。上述结果均表明，ATP含量变化与果蔬品质劣变密切相关。因此，ATP含量动态变化不仅反映果蔬能量代谢水平，也可作为评估其新鲜度与贮藏稳定性的关键生化指标。

1.3 乳制品中ATP动态变化及其与品质的关联性

乳制品中ATP动态变化可反映其微生物活性与新鲜度。随着贮藏时间的延长，乳制品中的微生物呼吸作用及酶促反应将引发ATP逐级分解为ADP、AMP、腺苷及Hx类化合物。ATP含量下降常与乳制品中细胞活力降低、风味物质氧化及蛋白质结构变化相伴发生，进而影响产品口感、香气及稳定性。Velusamy等发现牛乳的贮藏时间与ATP生物发光信号强度呈显著负相关。贮藏初期，样品表现为低微生物水平（菌落总数通常低于104 CFU/mL），ATP信号强度处于本底水平，随着贮藏时间的延长，微生物开始增殖，当菌落总数超过106 CFU/mL 时，ATP信号强度随之急剧增强，标志着牛乳已进入腐败阶段。因此，ATP含量不仅是乳制品微生物代谢状态的生化标志物，也可作为新鲜度评价与品质监测的重要参考参数。

1.4 其他类食品中ATP动态变化及其与品质的关联性

除上述食品外，粮油、水产、蛋类等食品也普遍含有ATP，其动态变化同样与品质变化存在显著关联。例如，在粮食贮藏过程中，ATP动态变化与谷物呼吸强度和生理老化密切相关。水稻、玉米等谷物贮藏期间，种子ATP/ADP比值下降直接造成细胞能量亏缺，进而抑制呼吸代谢，最终导致种子发芽率与活力等关键品质指标衰退，因此ATP/ADP比值降低是驱动谷物种子品质下降的关键因素。樊广华等基于经典的荧光素酶-荧光素反应检测发现，新鲜玉米籽粒中ATP质量浓度为0.05 μg/mL，但随着种子贮藏过程发生陈化和活力丧失，ATP含量显著下降，这一结果也证实了上述结论。在水产品中，ATP动态变化直接反映其鲜度与货架期。新鲜鲤鱼暗色肌肉中的ATP含量可达5.55 μmol/g，但在4 ℃贮藏36 h后便完全降解，并伴随明显的腐败与风味劣变。进一步研究发现，ATP关联物含量变化（K值）与鱼肉鲜度变化存在显著关联。例如，新鲜草鱼肉的K值为7.7%，在4 ℃冷藏过程中，K值随贮藏时间延长持续上升，至贮藏6 d时已接近60%，表明其货架期约为6 d。以上研究结果表明，ATP衰减及其代谢产物积累与水产品鲜度下降进程密切相关，为基于ATP代谢状态开展水产品品质评价提供了理论依据。在蛋类中，ATP动态变化可反映细胞活性及微生物侵染程度。新鲜鸡蛋内容物的内源ATP本底值极低，但当蛋壳膜结构受损并遭微生物侵染时，微生物繁殖将引入大量ATP，从而使其含量升高。因此，ATP及其代谢产物的动态监测可为各类食品品质劣变提供分子层面的定量依据。

综上所述，ATP分子广泛存在于肉类、果蔬类、粮油类及乳制品等多种典型食品中，且ATP含量因食品种类、代谢途径及降解规律不同而差异显著（表2）。作为食品中普遍存在的能量载体，其动态变化与食品品质劣变过程密切相关，虽然不同类型食品中ATP来源与降解途径存在差异，但均体现出ATP消耗引发品质劣变的共同规律。系统解析食品中ATP形成与降解机制不仅有助于揭示食品品质变化的分子机制，也可为开发新型ATP快速无损检测技术提供科学依据。基于光学传感技术实现食品ATP动态变化的实时可视化监测，推动食品品质评价由经验判定向分子定量化转变是食品品质检测领域的重要发展趋势。

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ATP光学传感技术

光信号是由光源中电子受激发产生的电磁波，通常以光子形式传播，其具有高速、低延迟、信号稳定等特点，已被广泛应用于食品安全、环境监测及智慧农业等领域。常见的光信号类型可分为吸收光信号、发射光信号、散射光信号、化学发光信号和生物发光信号等。基于光信号的光学传感技术可通过光电探测器监测与待测分析物结合前后的光信号特性变化（如强度、波长、相位、偏振态等），从而实现对待测分析物的定性或定量分析。ATP作为食品品质的关键评价指标，深入分析和监测其含量变化对评估食品品质至关重要。与传统检测方法相比，基于光信号的光学传感技术凭借高灵敏度、操作简便和实时响应等优势，可实现ATP的精准、快速检测，为食品新鲜度评估和品质监控提供了新的途径。目前，应用于ATP检测的光学传感技术主要包括比色传感技术、荧光传感技术、生物发光传感技术、化学发光传感技术、拉曼光谱传感技术和红外光谱传感技术等（图2）。

2.1 ATP比色传感技术

2.1.1 比色传感

比色传感作为一种经典的光学检测方法，其原理主要依赖于纳米颗粒（NPs）聚集/分散状态变化、酶催化底物显色或有机染料分子化学结构变化引起的体系吸光度改变，进而通过溶液颜色差异实现ATP定性与定量分析。相较于其他光学传感技术，比色传感具有肉眼可实时观测、信号读取直观、操作简便及成本低廉等优势。常见的比色传感识别元件主要包括金属NPs、DNA纳米酶、有机染料等。

基于金属NPs的ATP比色传感策略，通过ATP诱导NPs聚集或分散行为，从而产生肉眼可见颜色变化。目前，Au NPs因其独特的表面等离子体共振特性，在聚集状态改变时能引发溶液颜色的显著变化，已成为构建ATP比色传感器的首选材料。例如，Wang Jing等设计了一种基于无修饰型Au NPs的ATP比色传感器。该方法利用ATP诱导适配体-互补链双链解离行为，释放出的单链DNA可稳定Au NPs，防止其发生盐诱导聚集行为，体系颜色由蓝色（Au NPs聚集态）转为红色（Au NPs分散态），从而实现对ATP的肉眼可视化检测，检测限低至0.6 μmol/L，且在4.4～132.7 μmol/L范围内线性良好。此外，Ag NPs和Fe3O4 NPs也已被用于构建ATP比色传感器，主要得益于其粒径小、比表面积大及良好的生物相容性等优势。然而，金属NPs仍面临NPs自发团聚、表面修饰复杂与易受环境干扰等问题。

为进一步提高检测灵敏度和金属NPs稳定性，研究者成功将金属NPs与DNA酶相结合，实现信号放大和稳定性提升。基于DNA酶的类酶催化活性，ATP诱导引发酶活变化后，体系可产生颜色变化。例如，Zhu Sha等 在Au NPs中引入分裂DNA酶的生物催化放大机制。 该体系由2 个功能化DNA探针组成，当ATP存在时，其同步结合分裂适配体片段并触发Mg2＋依赖性DNA酶原位组装，进而循环切割连接DNA，抑制Au NPs聚集，溶液保持红色；无ATP时，分离的适配体无法诱导DNA酶组装以裂解DNA，溶液呈紫色，检测范围为10.0 pmol/L～100.0 nmol/L，检出限为5.3 pmol/L。除DNA酶外，利用具有类酶催化活性的碳点、金属纳米簇（NCs）、纳米棒（NRs）等纳米材料催化底物显色反应也是构建ATP比色传感器的重要策略。Huang Na等基于ATP对碳点过氧化物酶活性的抑制效应开发出一种简便的ATP比色检测方法。该体系通过碳点催化H2O2氧化底物3,3’,5,5’-四甲基联苯胺（TMB）并产生蓝色显色反映，而ATP可显著抑制该显色过程，使体系蓝色明显变浅，检测范围为0.05～2.0 μmol/L，检出限为34.0 nmol/L，虽然该方法的灵敏度不及上述基于DNA酶的生物放大策略，但由于ATP分子能通过抑制酶活性而特异性占据碳点表面活性位点，可有效排除ADP、AMP及其他离子干扰，从而赋予传感器优异的选择性与抗干扰能力，但在实际应用中仍面临批次间一致性难以控制、操作流程相对复杂较等问题。

区分于上述比色传感策略，有机染料分子是一类能通过物理吸附或化学键合使其他物质着色的有色有机化合物。凭借其颜色鲜明、灵敏度高、成本低廉及易于化学修饰等特点，已成为一种重要识别元件。Sancenón等基于1,3,5-三芳基戊-2-烯-1,5-二酮衍生物开发出一种ATP比色传感器，其本质为具有特异性识别功能的有机分子染料。通过氢键、静电相互作用及π-π堆积作用与ATP结合后，其分子内电荷分布发生改变，引起吸收光谱位移，导致溶液颜色由黄色变为品红色。该探针表现出优异的抗干扰性能，线性检测范围为40～1 100 mg/L，且高达30 600 L/（mol·cm）的摩尔吸光系数能够确保高检测灵敏度。

2.1.2 ATP比色传感技术在食品检测中的应用

ATP比色传感技术是一种基于颜色变化实现ATP检测的分析方法。该技术借助特定显色反应，即目标物ATP与功能化显色探针（如金属NPs、酶底物系统或有机染料）发生相互作用后，引起体系在可见光区吸收光谱变化，进而通过溶液颜色或吸光度变化实现目标物定性与定量分析。相较于其他方法，该技术具有无需复杂仪器、可现场快速判读、操作流程简化和经济性良好等显著优点，在食品检测领域得到广泛应用。

目前，基于金属NPs物理聚集状态改变的ATP比色适配体传感器已被成功用于牛乳中ATP检测。例如，Mao Yu等开发出一种基于Au NPs的ATP比色适配体传感器，当无ATP存在时，适配体吸附于粒子表面，通过静电斥力抑制盐诱导聚集，溶液显蓝色；当响应ATP后，适配体构象发生变化并解离，粒子失去保护而发生聚集，溶液显红色，同时响应后吸光度比值显著增大。该方法无需复杂的修饰与分离步骤，仅需5 min即可实现牛乳中ATP的快速检测，对ATP表现出优异的选择性，检测范围为0～5.0 μmol/L，检出限为0.1 μmol/L（图3a）。此外，利用纳米材料的类酶催化活性策略，也已成功实现鱼类及生鲜乳、乳粉等复杂食品基质中ATP的检测。例如，通过具有类酶催化活性的Cu NCs构建的ATP比色传感器，可用于监测鱼类新鲜度。其检测原理为：ATP与Cu NCs发生特异性相互作用，诱导其荧光猝灭和类过氧化物酶活性增强，酶活性能提升数十倍。被ATP激活的高酶活性能够迅速催化底物TMB氧化生成氧化态TMB（oxTMB），引发直观且明显的比色信号转变，溶液颜色由浅蓝色转变为深蓝色，从而实现ATP可视化监测（图3b）。CeO2 NRs是另一类具有类过氧化物酶活性的纳米材料，CeO2 NRs能催化H2O2氧化TMB产生蓝色产物，而ATP则通过诱导CeO2 NRs聚集增强羟自由基产生并加深显色反应。该方法响应时间仅15 min，同时兼具低成本、裸眼可视化检测优势，并已证实可直接应用于生鲜乳和乳粉等复杂食品基质的快速分析（图3c）。

综上所述，基于比色传感的ATP检测传感器在食品检测中具有操作简便和成本低廉的优势，但是在面对复杂食品基质时，该方法易受基质颜色干扰且灵敏度存在固有瓶颈，这限制了其广泛应用。

2.2 ATP荧光传感技术

2.2.1 荧光传感

荧光传感是基于分子荧光现象，利用荧光探针与待测物质中ATP之间的物理、化学等特异性相互作用引发荧光信号变化，从而实现ATP精准、快速识别的光学检测方法。该技术以荧光探针分子结构中的连接基团作为桥连，实现识别基团和荧光基团的有效联接及响应信号的高效传递。识别基团中存在可与ATP发生特异性结合的作用位点，可通过共价键、配位键、氢键和静电相互作用等与待测物质发生特异性结合，并通过不同的信号传导机制将识别信号传递给荧光基团；荧光基团作为信号转换器，可将检测行为以荧光信号形式表达出来，如荧光发射波长、强度或荧光寿命变化等，从而实现ATP定性或定量检测。相较于其他光学传感技术，荧光传感策略具有检测限低、响应速率快、抗干扰能力强及动态范围宽等突出优势，尤其适用于微量样品分析。目前，基于荧光材料核心分子结构，荧光探针主要分为有机小分子型荧光探针、纳米型荧光探针和高分子型荧光探针等。

基于有机小分子荧光探针的ATP荧光传感策略凭借其结构明确、易于修饰的特点，成为ATP荧光传感领域的重要技术起点。该策略主要通过ATP诱导的特异性相互作用（如配位、氢键等）产生显著的荧光信号变化。目前，可用于识别ATP的有机小分子荧光探针主要包括罗丹明类、苯并噻唑类、菁染料类、萘酰亚胺类、香豆素类和金属配合物类等。例如，Ren Tianbing等构建了一种以罗丹明6G为信号供体，通过哌嗪-苯环连接臂引入识别单元的罗丹明类荧光探针。当ATP与受体结合后，可抑制连接单元中哌嗪基团向荧光团的光诱导电子转移过程，从而开启荧光，实现ATP定量检测，其检出限为4.65 mmol/L。此外，有机小分子荧光探针与生物分子寡核苷酸间的特异性相互作用是提升检测特异性的关键手段。例如，苯并噻唑类有机分子硫黄素T与富G碱基序列的适配体结合后会诱导形成稳定G-四链体结构。当ATP存在时，ATP会取代硫黄素T，并引发硫黄素T荧光信号显著减弱。通过建立广义比值定量分析模型对荧光信号进行系统解析，可实现ATP的高灵敏度检测，检出限达0.22 μmol/L。尽管许多有机小分子荧光探针已被开发用于ATP检测，但其高毒性、制备提纯难、水溶性与生物相容性不足等问题仍限制其在食品领域的实际应用。

为解决上述难题，研究逐渐扩展至具有纳米尺寸和特殊离散能级的纳米型荧光探针，如碳点、金属NCs、NRs、QDs等。凭借其纳米尺寸和特殊的离散能级，该类探针表现出优异的尺寸可调性和优越的光学性能。例如，Hu Tianyu等通过β-CD修饰CuInS2 QDs成功构建出一种新型近红外纳米型荧光探针（β-CD-CuInS2 QD）。ATP诱导适配体形成G-四链体并进入β-CD疏水腔，通过主客体相互作用显著增强β-CD-CuInS2 QDs荧光信号，从而实现对ATP的灵敏检测，其检测范围为6～1 200 μmol/L，检测限低至3.0 μmol/L。纳米型荧光探针合成简单、生物相容性好等优势极大提升了其在食品应用中的安全性，但如何通过有效的稳定策略防止其自身聚集，以避免由此导致的信号失真与结果偏差，仍是当前亟待解决的关键问题。

高分子型荧光探针则进一步推动ATP荧光检测向多功能化方向发展，其通过在高分子聚合物中以物理掺杂或化学接枝等方式引入苯环或含杂原子芳香环等发光团，实现兼具荧光团的光学特性和高分子的化学特性。Zhang Jincheng等构建了一系列基于聚(芴基-对-苯乙炔)骨架的水溶性阳离子共轭高分子荧光探针，利用静电相互作用主导的聚合物聚集诱导荧光猝灭实现对ATP的检测，当带正电的聚合物侧链与带负电的ATP特异性结合时，诱导聚合物链发生聚集，导致荧光强度显著降低并伴随发光颜色由蓝变青的红移。其检测范围为0～200 μmol/L，检出限为0.25 μmol/L。

2.2.2 ATP荧光传感技术在食品检测中的应用

ATP荧光传感技术作为一种基于荧光信号变化的快速、非侵入式分析方法，在ATP检测中具有重要应用价值。该技术基于探针受体的结合位点与ATP之间的共价键、氢键等特异性相互作用实现靶向结合，进而触发荧光信号的特异性响应，最终实现对ATP的精确、快速、灵敏识别与检测，并已在多个领域得到应用。

本团队前期基于罗丹明B类有机小分子开发出一系列ATP荧光传感技术，并已成功用于畜禽肉表面ATP检测。以罗丹明B为母体，通过胺基与羧基间化学键合接枝不同胺基（四乙烯五胺、五乙烯六胺等多乙烯多胺），构建ATP响应型有机小分子型荧光探针，用于畜禽肉新鲜度检测。ATP可通过诱导罗丹明类衍生物内酰胺螺旋结构开环增强探针荧光信号，检测范围为 0～50.0 nmol/L，检测限为10.97 nmol/L。此外，苯并噻唑类有机荧光分子硫黄素T也已被成功用于苹果中ATP的检测（图4a）。该探针利用硫黄素T在自由状态下分子内旋转导致激发态能量以热能形式耗散，荧光信号较弱；而当其被刚性固定在二聚体G-四链体疏水空腔时，分子内旋转受阻，辐射跃迁概率显著提高，荧光强度可提高数十倍至数百倍。该检测体系进一步引入S1核酸酶作为信号调控开关，在无ATP时，DNA会被S1核酸酶裂解成短核苷酸片段，阻止二聚体G-四链体形成，并引发硫黄素T荧光减弱；当ATP出现后，其对S1核酸酶的抑制作用使二聚体G-四链体结构得以形成，从而恢复荧光信号，检测范围为0.5～120.0 μmol/L，检出限为 245.0 nmol/L，与ATP试剂盒检测结果误差小于5%。随后，有机小分子荧光探针的应用被进一步拓展至近红外光谱区。通过将近红外有机荧光分子CYA/CYQ封装于金属有机框架材料沸石咪唑酯骨架90（ZIF-90）中，构建出2 种ATP响应型近红外荧光探针（图4b）。当ATP存在时，ATP与ZIF-90中的Zn2＋发生强配位反应，导致ZIF-90骨架结构解体并释放出封装的近红外有机荧光分子CYA/CYQ，从而开启近红外荧光信号。该方法可在2 min内实现果汁中ATP的快速检测，检测范围为0～4.0 mmol/L，检出限为0.13 mmol/L，实际样品回收率高于98.68%，表现出良好的分析性能与应用潜力。

此外，基于纳米型荧光探针的ATP荧光传感技术已在乳制品及畜禽肉新鲜度检测中取得良好应用效果。例如，Srinivasan等设计的多组分荧光传感体系通过在ATP适配体序列两端分别修饰金NRs（猝灭剂）与CdTeSe QDs（荧光探针），并引入可与G-四链体结合的小檗碱。当ATP存在时，其与适配体结合形成G-四链体结构，小檗碱嵌入其中导致自身荧光信号增强（540 nm），同时通过共振能量转移显著猝灭QDs荧光（650 nm），从而实现对ATP的检测，检测限为3.8 μmol/L。酶与纳米材料的协同作用为肉类新鲜度监测提供了新思路。Liu Zhenning等开发出一种基于GO、S1核酸酶及羧基荧光素标记的单链DNA（DNA-F）的新型简单、灵敏、可靠的荧光传感器，可实现对新鲜牛肉中ATP的检测（图4c）。以S1核酸酶为DNA-F的裂解剂，ATP为S1核酸酶的抑制剂，GO可明显猝灭DNA-F的荧光，表现为体系荧光随ATP浓度增加而逐渐降低。该荧光传感器检测范围为20.0～3 500.0 μmol/L，检出限为3.2 μmol/L，其宽广的线性范围能够有效覆盖肉品从新鲜到腐败过程中的ATP浓度波动，为肉类新鲜度监测提供了一种高效的质量控制手段，展现出巨大的应用潜力。

由此可见，ATP荧光传感技术在ATP检测中具有不可替代的地位，其方法多样、灵敏度高、适用广泛，不仅显著促进了ATP分析技术的发展，也为食品质量监控和生物医学研究提供了关键工具，但其也受限于必须受外源光激发的特性。

2.3 ATP生物发光传感技术

2.3.1 生物发光传感

生物发光传感是一种基于生物酶促反应引发生物发光现象的光学检测方法。生物发光现象最早由Dubois于1885年利用荧光素酶与荧光素的反应所证实。其核心原理是利用荧光素酶、Mg2＋催化荧光素与ATP反应将化学能直接转化为光能并释放光子，通过检测发光信号强度变化实现ATP定量分析。相较于其他方法，生物发光法因无需外部激发光源，具有测定范围广、操作快速简便、重复性较好等优势。

ATP生物发光传感基于ATP浓度与微生物增殖水平的显著正相关性建立检测信号与食品鲜度的直接联系。随着贮藏时间的延长，食品体系中微生物大量繁殖引发ATP总量急剧上升，导致生物发光信号异常升高，可作为预示食品鲜度丧失与腐败风险的直接量化指标。该方法凭借其广谱性，广泛用于大肠杆菌、金黄色葡萄球菌等致病菌及细菌、乳酸菌等常见菌的快速筛查。然而，传统的ATP生物发光检测在面对痕量目标物或需区分特定菌种时仍存在局限，因此，研究者致力于通过引入纳米材料及生物识别元件优化发光体系，旨在进一步提升方法灵敏度与特异性。Karimi等研发的基于金属NPs增强荧光素酶活性的低成本ATP生物发光传感器，通过ATP与功能性核酸链竞争结合其适配体调控生物发光共振能量转移效率，实现对ATP的超灵敏、无标记检测，检测范围为0～600.0 μmol/L，检出限为5.0 μmol/L。在特定致病菌检测特异性方面，噬菌体技术展现出独特优势。Du Qiaoling等开发出一种基于噬菌体VPHZ6的吞噬磁分离-ATP生物发光法，可实现对龙虾尾肉和蛤肉中ATP含量的准确检测（图5a）。该方法利用噬菌体修饰的磁珠特异性捕获并富集目标，继而裂解细胞释放ATP，通过ATP生物发光反应产生光信号以实现定量分析，检测时间可缩短至15 min，检测范围为2.3×102～1.3×107 CFU/mL，检测限为78.0 CFU/mL。

2.3.2 ATP生物发光传感技术在食品检测中的应用

ATP生物发光传感技术是一种基于生物发光原理实现ATP检测的经典策略，具有快速、便捷等优势，已被广泛应用于食品新鲜度评价，并进一步转化为工业标准。在农产品新鲜度评价方面，直接提取并测定组织内的ATP含量是最直观的品质评价方法。樊广华等利用高氯酸提取玉米籽粒中的ATP并基于最大发光强度与ATP浓度呈良好线性关系实现ATP定量分析（图5b），以评估生物生长发育和生物产品质量。该方法检出限为7.80×10-5 μg/mL，且实际样品平均回收率高达94.50%。

除用于直接评价食品品质外，以ATP作为生物标志物进行微生物污染监控也是该技术的重要应用方向之一。生鲜肉表面ATP含量与细菌总数呈显著正相关。Cutter等建立的微生物ATP生物发光检测法是用于肉类胴体表面微生物污染快速评估的早期代表性研究成果（图5c）。该方法通过拭子采集肉类胴体表面微生物，利用裂解液释放微生物细胞内的ATP，在荧光素酶催化下发生生物发光反应，产生与微生物数量呈正比的光信号。与传统琼脂平板计数法对比，相关性系数大于91%，且测定可在5 min内完成，检测范围为100～109 CFU/g。迄今，该方法已被推广应用于山药、乳制品、鱼类、啤酒及肉汤等各类食品的检测中。此外，ATP检测结合微生物分析和视觉检查，在食品加工厂的清洁消毒效果验证中发挥重要作用，可有效保障食品接触表面卫生，间接保障食品安全。舒柏华等基于ATP检测快速评估肉类加工厂清洁度，与菌落总数法结果具有良好的相关性（R2＝0.98）。

开发适用于现场ATP即时检测装置是必然趋势。Calabretta等将酶和底物固定在纸上，利用智能手机摄像头作为便携式光信号检测器，设计出检测快速、低成本的便携式诊断设备，其检测范围为 1.64×10-9～1.64×10-3 mol/L（图5d）。此外，龚大江等设计并开发出一种用于现场微生物快速检测的手持式ATP荧光检测系统，其ATP检测极限达1×10-13 moL，单次检测不超过20 s，可记录1 000 条检测结果。

生物发光传感技术结合了酶促反应的高特异性和灵敏度，且易于集成至便携式设备中，为现场快速检测提供了极具潜力的解决方案。该技术在多种食品检测中的成功应用证明了其实用价值，但其检测结果的准确性易受样品性质、荧光素酶活性与稳定性、提取剂与解抑制剂等因素的影响，存在一定的挑战。

2.4 其他ATP光学传感技术

2.4.1 其他ATP光学信号传感

除上述光学传感方法外，化学发光传感、SERS及红外光谱传感等技术也逐渐应用于ATP检测。其中，化学发光传感作为一种基于化学反应能级跃迁产生光辐射的分析技术，凭借其不依赖外源光激发，仅通过ATP参与或触发的特异性化学反应产生光信号，有效避免激发光源导致的光散射和自发荧光等本底干扰，从而显著提升检测信噪比，能够在复杂生物基质中实现对ATP的高灵敏、高选择性检测。Zhou Ziming等开发的基于化学发光共振能量转移的传感器可用于ATP高选择性检测。该传感器的设计原理是将ATP适配体剪切为两段单链DNA，分别偶联QDs和辣根过氧化物酶。当ATP存在时，会诱导两段DNA重新组装，缩短辣根过氧化物酶与QDs距离，从而催化鲁米诺产生化学发光并发生共振能量转移。该方法的检测范围为50～231 μmol/L，检出限低至185 nmol/L，且对ATP表现出优异的特异性。

为满足对更低浓度（如皮摩尔级）ATP的检测需求，具有物理场增强效应的SERS技术在极微量ATP检测中展现出巨大潜力。展现出核心机制在于待测分子吸附于粗糙贵金属（如金、银）纳米结构表面，金属表面自由电子在激光激发下产生强烈的局域表面等离子体共振效应，从而极大地增强局域电磁场。基于此原理，Chi Jinxin等构建出一种基于金-普鲁士蓝-聚乙烯亚胺核壳NPs与SiO2整体材料的可复用SERS微平台。该平台通过Mg2＋调控ATP可逆捕获与释放，利用普鲁士蓝作为内标进行比率计量，可在10 min内实现对ATP的高灵敏度、高准确性定量检测，检测范围为10-15～10-12 mol/L， 检出限低至0.62 pmol/L。

化学发光传感与SERS技术主要侧重于微观层面特定分子信号的灵敏捕捉，然而在面对需要保持样品完整性的复杂体系分析时，红外光谱传感技术则提供了一种无需破坏样品的“宏观指纹”分析视角。该技术通过解析物质对红外光的特定吸收谱带，可精准提供分子结构水平的指纹特征信息，无需对样品进行预处理或破坏，因此尤其适用于食品复杂体系的整体分析与品质评估。叶旭君等基于紫外-可见-近红外光谱技术建立光谱特征与ATP含量的定量关联模型，成功实现蔬菜细胞中ATP的无损检测。细胞生理变化（如水分迁移、大分子降解）引起的光谱响应与ATP衰减高度相关，利用特定波长特征（如681 nm透射率与760 nm一阶导数）建立预测模型，可实现ATP精准预测（R2＞0.90）。

2.4.2 基于其他光学信号的ATP光学传感技术在食品检测中的应用

基于化学发光传感、SERS和红外光谱传感的ATP光学传感技术已逐渐应用在食品检测领域（表3）。其中，化学发光传感凭借背景干扰低与灵敏度高，在微量物质分析中表现突出。Yan Xiluan等充分利用这一优势，开发出一种基于无标记双适配体传感器的化学发光方法，用于食品中ATP的高灵敏度检测。该传感器以磁性微球为载体固定ATP捕获探针，当ATP存在时，其与适配体的结合能力强于适配体与捕获探针的结合，导致载体表面保留的适配体减少，从而降低化学发光信号，检出限为3.76×10-8 moL/L。在食品安全与微生物污染监控方面，SERS技术展现出独特的优势。Xie Maomei等基于SERS技术对山药样品中的大肠杆菌、枯草芽孢杆菌及其混合菌落进行检测，通过建立特征菌落SERS指纹图谱与ATP之间的定量关联模型实现对样品中微生物源性ATP含量的间接计算，为快速评估食品微生物污染程度及新鲜度提供了新方法。针对果蔬采后生理品质的实时监控，可见/近红外光谱技术则提供了一种非破坏性的解决方案。Ye Xujun等基于可见/近红外光谱技术实现了菠菜原生质体ATP含量的无损检测。其通过建立光谱数据与破坏性测得的ATP含量之间的定量模型，发现ATP含量与贮藏时间呈二次多项式关系，且在681 nm透射率及760 nm一阶导数处与光谱特征高度相关（R2分别达0.824 5和0.900 8）。综上所述，尽管目前这类光谱技术在食品ATP检测中的应用案例相对较少，但凭借其独特的检测优势，未来有望成为解决食品检测灵敏度瓶颈、提升检测速率及降低成本的关键技术手段。

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结 语

本文系统分析了肉类、果蔬类、粮油类及乳制品等食品中ATP含量与其品质变化的高度关联性，明确了ATP可作为食品品质监控与安全预警的关键标志物。同时，系统总结了比色、荧光、生物发光、化学发光、拉曼光谱及红外光谱等多种ATP光学传感技术的检测原理及优缺点，以及近年来ATP光学传感技术在食品检测中的应用进展。其中，比色传感基于NPs聚集/分散、酶促显色或染料分子结构变化引起的颜色变化，具有可裸眼判读、操作简便、成本低廉的优点，但易受食品基质背景色干扰，且灵敏度存在固有瓶颈；荧光传感通过探针与ATP结合后荧光信号的改变实现检测，具有灵敏度高、选择性好、响应快速等特性，但面临探针光稳定性不足、潜在生物毒性及需要外部激发光源的限制；生物发光传感基于生物酶促反应引发生物发光现象，具有背景噪声低、无需外源光、易于集成等优势，已被作为工业标准用于食品新鲜度评价，但酶活性易受环境因素影响，试剂成本较高；化学发光传感利用化学反应能级跃迁产生光辐射，同样具备无需外源激发、背景干扰低、信噪比高的特点，但体系稳定性与重现性常面临挑战；拉曼光谱与红外光谱等光谱传感则通过获取分子的指纹图谱进行无损分析，可提供非破坏性、快速整体分析的检测方法，但设备昂贵、信号解析复杂，检测结果可靠性在实际应用中也常面临挑战。

随着食品工业对快速、现场、智能化质量监控需求的日益增长，ATP作为贯通食品腐败过程的关键生物标志物，其光学传感技术已发展成为监测食品新鲜度与品质的关键工具。当前研究虽已在灵敏度提升（如SERS技术可达皮摩尔级）、特异性增强（如适配体应用）及便携化设计（如纸基器件、手持设备）等方面取得显著进展，但多数传感器仍面临在真实复杂食品基质中抗干扰能力不足、批次重复性差、成本与性能难以兼顾等挑战，与成为行业标准化、规模化检测工具仍存在距离。

面向未来，后续研究应聚焦于开发多功能集成平台、设计新型高性能光学识别材料及深化与人工智能及大数据融合。一方面，需致力于开发具有强抗基质干扰能力的稳定探针与标准化、低成本的器件制备工艺，以提升技术实用性与结果可靠性；另一方面，应着力构建集成化、智能化检测系统与装备，通过融合多模态传感实现交叉验证，或嵌入物联网与人工智能算法，实现从ATP检测到货架期预测的智能决策和广泛应用。

引文格式：

郭一, 古明辉, 宋光春, 等. 三磷酸腺苷光学传感技术在食品品质检测中的应用研究进展[J]. 食品科学, 2026, 47(13): 380-394. DOI:10.7506/spkx1002-6630-20251104-022.

GUO Yi, GU Minghui, SONG Guangchun, et al. Recent progress in the application of optical sensing technologies for adenosine triphosphate in food quality detection[J]. Food Science, 2026, 47(13): 380-394. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-20251104-022.

实习编辑：辉煌；编辑：阎一鸣；责任编辑：张睿梅。点击下方阅读原文即可查看全文。图片来源于文章原文及摄图网

为进一步促进动物源食品科学理论的完善与创新，加速科研成果向实际生产力的转化，助力产业实现高质量、可持续发展，由北京食品科学研究院、中国肉类食品综合研究中心、中国食品杂志社与海南大学、海南热带海洋学院、江西农业大学共同举办的“2026年动物源食品科学与人类健康研讨会”，将于2026年11月14-15日（11月13日报到）在中国 海南 海口召开。

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