基于Sn/AuNP光谱椭偏技术的无标记适配体传感器实现展青霉素的超灵敏检测

本文开发了一种基于锡金纳米粒子（Sn/AuNP）的无标记光谱椭偏（SE）适配体传感器，用于高灵敏检测展青霉素（PAT）。该传感器利用电化学接枝自组装单层膜（SAM）和局部表面等离子体共振（LSPR）增强机制，在缓冲液和加标苹果汁中均表现出卓越的准确性（回收率98.9–103.2%）和灵敏度（检测限达9.5 pg/mL），为食品安全现场监测提供了创新解决方案。

　　

Highlight

我们开发了一种基于锡金纳米粒子（Sn/AuNP）的无标记光谱椭偏（Spectroscopic Ellipsometry, SE）适配体传感器，用于超灵敏检测展青霉素（Patulin, PAT）。该传感器在锡（Sn）基底上通过电化学接枝4-巯基苯重氮衍生物自组装单层（Self-Assembled Monolayer, SAM）进行修饰，并利用循环伏安法（Cyclic Voltammetry, CV）和高分辨率X射线光电子能谱（X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS）证实了均匀纳米膜的形成。随后通过柠檬酸盐还原的金纳米粒子（AuNP）修饰和巯基化抗PAT适配体固定，实现了对PAT的高特异性识别。在507 nm和508 nm波长下监测椭偏相位角（Δ）的变化，传感器在0.01–1000 ng/mL的PAT浓度范围内呈现优异线性响应（R² > 0.98），检测限（Limit of Detection, LOD）分别低至10.7 pg/mL和9.5 pg/mL（基于3.3σ标准）。等温线拟合表明结合过程符合伪二级动力学模型（R² = 1.00），说明反应受表面约束和质量转移限制。在缓冲体系和加标苹果汁样本中，该传感器展现出高精度（相对标准偏差 %RSD < 1.1%）和高准确度（相对误差 %RE within ±5%），回收率达98.9–103.2%。这种无标记SE方法兼具宽动态范围、亚10 pg/mL级灵敏度、极简样本前处理和无外源标记等优势，为食品安全监测提供了一种全新的强大工具。

Introduction

展青霉素（Patulin, PAT）是一种低分子量真菌毒素，可由多种真菌（如扩展青霉、疣孢青霉、棒曲霉等）产生，常见于高糖高水分水果及其加工产品中。它具有水溶性、热稳定性，并通过直接摄入或污染饲料进入食物链。急性暴露可损害多器官，并具有遗传毒性、免疫毒性、神经毒性和致畸性，对婴幼儿等脆弱群体构成严重威胁。世界卫生组织（WHO）和欧盟委员会等机构已设定其每日耐受摄入量和在果汁及婴儿食品中的最大残留限量。

传统检测方法如高效液相色谱（HPLC）和酶联免疫吸附测定（ELISA）虽灵敏可靠，但样本前处理复杂、仪器昂贵且需专业操作，限制了其现场应用。近年来，基于适配体、酶和抗体的生物传感器因具有快速、便携、低成本和高特异性而备受关注。尤其是电化学和光学适配体传感器在现场检测中展现出巨大潜力。适配体是通过指数富集配体系统进化技术（SELEX）筛选获得的单链寡核苷酸，具有高亲和力、高特异性、可逆变性和易固定等优点。

目前已报道的PAT检测适配体传感器包括比色法、荧光法和电化学法等。比色法简单快速，但动态范围较窄；荧光法需使用淬灭剂或FRET标记，增加了操作复杂性；电化学法虽灵敏度极高（可达飞克级），但多依赖复杂纳米结构或多步标记策略，重现性差且成本高。因此，开发一种兼具简单、高重现性、宽动态范围、无需标记且灵敏度达亚皮克级的传感器仍迫切所需。

光谱椭偏术（SE）通过测量宽带光反射后偏振状态的变化，提供波长依赖的椭偏角Ψ(λ)和Δ(λ)，经光学模型拟合可获取薄膜厚度和复折射率n(λ)–ik(λ)，从而无损表征介电函数。在材料和表面科学中，SE已广泛应用于无机和有机薄膜表征。近年来，SE折射率分辨率高达10^?7 RIU，并逐渐应用于生物传感领域，如检测小分子和蛋白质等。然而，据我们所知，尚未有研究将SE用于适配体介导的PAT检测。本研究首次报道了一种基于Sn/AuNP-SE的适配体传感器，用于食品安全监测。

本研究设计并表征了一种灵敏、无标记的光谱椭偏适配体传感器用于PAT定量（图1）。重氮衍生物SAM为锡基底提供了化学稳定且可重复的锚定平台，金纳米粒子（AuNP）的引入则通过局部表面等离子体共振（LSPR）增强光学响应。锡基底价格低廉、易得，且适于重氮电接枝，修饰后形成稳定均匀的纳米层，兼具光学透明性，是金或硅基底的创新替代材料。当抗PAT适配体固定于AuNP修饰表面后，PAT结合可诱导507–508 nm处椭偏相位角（Δ）显著变化，作为高灵敏光学读值可在30分钟内完成无标记检测。通过整合SAM稳定性、AuNP-LSPR增强和适配体特异性，我们验证了锡基SE适配体传感器的可行性，并成功实现了PAT的超灵敏检测。

Materials

实验所用分析级试剂购自Sigma-Aldrich、Merck或Alfa Aesar。所有水溶液和缓冲液均采用超纯水（UPW, 18 MΩ·cm）配制。锡箔基材切割成1 cm²芯片，并经异丙醇、乙醇、丙酮和去离子水依次清洗。6-巯基-1-己醇（MCH）用作金表面封闭剂，所有缓冲液均使用超纯水配制。

Sensor chip modification and characterization

图S1(a)展示了锡箔电极在1 mM MB-DAS的0.1 M TBATFB/MeCN溶液中进行四次连续循环伏安扫描的结果。首扫后阴极峰的消失表明锡表面迅速被共价接枝的重氮衍生层覆盖。尽管后续循环中法拉第电流消失，椭偏分析显示薄膜持续生长：单次CV扫描平均MP层厚度持续增加，证明非法拉第过程仍驱动薄膜增长。

Conclusion

我们开发了一种基于Sn/AuNP的高性能光谱椭偏适配体传感器，用于无标记PAT检测，实现了超高灵敏度（LOD ~10 pg/mL）和宽动态范围（0.01–1000 ng/mL）的完美结合。电化学接枝和XPS证实了稳定MPSAM的形成，AFM和PCA验证了均匀纳米膜与AuNP覆盖。校准和等温线研究显示出优异线性度和伪二级结合动力学，表明该传感器具有表面约束和质量转移限制的特性。