《TRENDS IN FOOD SCIENCE & TECHNOLOGY》：Engineering molecular confinement: Confined nucleic acid technology with porous hydrogels and its applications in food science
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水凝胶受限核酸技术在食品检测中的应用综述，通过纳米多孔水凝胶构建受限环境，简化核酸检测流程，提高灵敏度与准确性，并拓展至成像、测序、递送等功能，为解决食品病原体检测和掺假问题提供新思路。
陶阳|林一婷|林星宇|张静|罗子生
浙江大学生物系统工程与食品科学学院，杭州，310058，中国
摘要
背景
尽管大多数用于检测食品病原体和掺假物的方法具有高灵敏度和准确性，但仍面临一些挑战，例如繁琐的预处理程序、对固定仪器和专业人员的依赖。受细胞限制效应的启发，利用纳米多孔水凝胶的限域核酸技术应运而生，这一革命性研究领域通过空间限制和生化信号来解决上述问题。因此，水凝胶限域技术在食品安全和健康领域展现出巨大的应用潜力。
范围和方法
本综述详细介绍了水凝胶限域核酸技术。讨论了工程化水凝胶限域核酸系统的原理，阐述了用于分子限域的水凝胶类型和形状。进一步分析了通过电化学分析、荧光/比色检测、核酸扩增等传感方法在食品安全领域的应用。还探讨了水凝胶在限域成像、测序、提取、递送、选择和存储方面的应用。最后，特别强调了旨在将限域技术与食品工业实际应用相结合的关键挑战和未来发展方向。
发现与结论
水凝胶限域技术已被证明是一种解决食品领域关键问题的新工具，它简化了检测流程并提供了稳定的反应环境。本综述展示了水凝胶的跨学科潜力，可能加速下一代食品科学的发展。
引言
核酸在生物体的遗传和生长中起着关键作用（Nesselbush等人，2025年）。例如，染色体DNA控制着遗传特征，包括与基因突变相关的遗传疾病。在微生物中，抗生素抗性基因使它们能够在不利条件下生存。此外，许多细胞活动通过核酸表达和分子信号传导进行调控（L?tstedt、Stra?ar、Xavier、Regev和Vickovic，2024年；Xu、Wang、Cai、Chen和Wang，2025年）。因此，核酸是检测食源性病原体和食品掺假的重要目标。根据世界卫生组织的数据，病原体是食源性疾病的主要原因（Wang、Cheng、Ma、Jiang和Chen，2025年）。这些病原体容易在各种食品中传播，导致严重的健康问题，如肠道炎症、腹泻、呕吐甚至死亡（Yang等人，2021年）。此外，食品掺假和牟利行为在食品行业中日益普遍（Doroudian等人，2024年）。为了防止消费者受到欺骗并保障食品安全，需要具备灵敏且高效的核酸分析方法。
由于目标核酸的浓度极低，当前的核酸检测方法通常需要扩增过程，包括样品采集、核酸提取和水溶液中的扩增（Zhang、Belwal、Luo、Su和Lin，2021年）。然而，这一过程繁琐且耗时。更重要的是，基于溶液的扩增过程中常常会出现气溶胶污染（Wang等人，2023年）。生物系统中的空间限域环境（如细胞内部）具有隔离的隔室，生物分子的空间构象受到限制，分子拥挤程度显著增加，从而实现了高效的核酸复制和生理稳态（Nakano、Yamaguchi和Sugimoto，2018年）。受这些自然限域效应的启发，多孔水凝胶网状结构作为虚拟微流控纳米通道，促进了生物工程和生物纳米技术的发展（English等人，2019年；Xu、Brito和Blainey，2016年）。特别是，利用水凝胶矩阵的独特性质来调节核酸行为和功能的限域核酸应用已成为食品科学的一个新研究领域。
与传统液相核酸应用相比，可编程三维水凝胶提供了明确的宏观形状和微观结构，从而诱导空间位阻效应，扩展了限域环境中的核酸研究范围（Li和Mooney，2016年；Xu等人，2016年）。对于典型的水凝胶限域核酸应用，水凝胶矩阵提供了一系列化学和物理信号来影响核酸行为。同时，核酸对于赋予水凝胶功能性至关重要，形成了动态相互作用。迄今为止，水凝胶在食品科学中的限域核酸应用尚未进行系统总结。
当核酸与水凝胶接触时，在限域环境中出现了一系列关键系统，推动了食品安全和健康领域的发展。在本综述中，我们首次深入探讨了这一新兴领域（图1）。讨论了水凝胶与核酸之间的各种限域模式，包括水凝胶网状结构内的限域核酸以及水凝胶表面的限域核酸。解释了功能性水凝胶的类型和组成，包括基于DNA的水凝胶、基于天然有机化合物的水凝胶和基于合成聚合物的水凝胶。然后，我们详细讨论了用于食品安全的限域核酸传感方法，包括电化学分析、荧光/比色检测、核酸扩增等传感技术。还探讨了限域成像、测序、提取、递送、选择和存储，为下一代食品科学提供了灵感。
节选内容
水凝胶限域核酸系统
随着分子诊断、编程和计算的进步，核酸分析已成为多学科研究中不可或缺的过程（Yang等人，2024年）。当核酸被引入拥挤的空间时，限域核酸应用在分子成像、纳米生物传感、空间组学和数据存储等多个研究领域变得日益重要。生化反应中的许多因素，如酶活性、核酸完整性等，都受到限域核酸应用的影响。
水凝胶类型
水凝胶最初作为简单的物理屏障使用。随着分析需求的增加和核酸研究的进步，出现了新的功能性水凝胶以满足不同的性能要求。通过多种化学和物理交联方法制备了适合的水凝胶（Zhao等人，2025年）。根据水凝胶基质的组成，水凝胶可分为两类：天然基水凝胶（包括用于食品安全的限域核酸传感
已经开发出利用水凝胶的限域核酸传感方法。空间受限的环境为分子识别和信号输出提供了显著优势，非常适合构建先进的传感平台。通过水凝胶与纳米技术的结合，实现了终点观察和实时记录。基于检测原理，限域核酸传感策略主要包括电化学分析等。限域核酸成像
在固态生物样本（如植物、食品、包装材料）上直接进行核酸原位成像对于即时检测（POCT）和病原体追踪至关重要。如图5a所示，Yang等人开发了一种基于水凝胶的原位空间限域界面扩增（iSCIA）方法，用于直接成像生物样本中的单个核酸。通过在样本上涂覆PEG水凝胶，限制了核酸的运动，并在20分钟内实现了原位扩增。挑战与未来展望
最近在测序、合成、基因编辑和仿生生物学方面的突破使得在纳米限域环境中定制调控系统成为可能，促进了体外限域核酸应用的发展（Xu等人，2025年）。由于水凝胶的生物相容性、化学渗透性和机械灵活性，它们被用于限制核酸扩散，类似于细胞内基质。含有高含量水的水凝胶网络结论
在本综述中，我们介绍了基于水凝胶的限域核酸应用的最新进展。根据核酸的空间配置，分子限域可以发生在水凝胶网络内部或其表面。系统地阐述了限域核酸传感在食品安全领域的关键应用。还讨论了限域成像、测序、提取、递送、选择和存储，为下一代食品科学提供了灵感。
利益冲突声明
作者声明没有潜在的财务利益冲突或个人关系。
未引用的参考文献
De France等人，2018年；Liu等人，2022年；Wang等人，2018年；Wang等人，2023年；Wang等人，2023年；Wang等人，2025年；Xu等人，2025年；Yang等人，2024年；Yang等人，2023年；Zhu等人，2021年；Zhu等人，2022年。利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益冲突或个人关系。
致谢
本研究得到了中国浙江省自然科学基金（项目编号LMS26C200002、LRG26C200001）和中国国家自然科学基金（项目编号32372416）的支持。
