一种基于铜基MOF衍生结构的超灵敏、无标记竞争性电化学免疫测定平台，用于检测黄曲霉毒素B1

《Microchemical Journal》：An ultrasensitive competitive label-free electrochemical immunoassay platform based on cu-based MOF-derived architecture for aflatoxin B1 detection

基于Cu/Cu?O/C纳米复合材料的竞争性无标记电化学免疫分析方法，成功实现黄曲霉毒素B1（AFB1）的痕量检测，检测限达1.83 pg/mL，兼具宽线性范围（10–100 pg/mL和150–1000 pg/mL）、高特异性（交叉反应率低）及优异稳定性（4℃保存7天活性保持率>95%）。

　　本研究聚焦于开发一种超高灵敏度的无标记竞争型电化学免疫分析方法，用于检测黄曲霉毒素B1（AFB1）。AFB1是一种由黄曲霉菌产生的强效霉菌毒素，广泛存在于受污染的农作物、变质食品以及牲畜饲料中。其对肝脏的毒性和致癌性使得即使微量暴露也可能对人体和动物健康造成严重威胁。因此，构建一种快速、高灵敏度且适用于实际样本分析的检测方法具有重要意义。

目前，传统的霉菌毒素检测方法如气相色谱-串联质谱（GC–MS/MS）、高效液相色谱（HPLC）以及液相色谱-质谱（LC-MS）虽然在准确性和灵敏度方面表现优异，但这些技术通常需要昂贵的仪器、专业技术人员和复杂的实验流程，难以满足现代食品安全检测对简便性和快速性的需求。在此背景下，电化学免疫分析因其操作简便、成本低廉和响应迅速等优势，成为一种备受关注的替代方案。然而，现有的无标记电化学免疫分析方法在检测限和灵敏度方面仍存在不足，限制了其在痕量样本检测中的应用。因此，探索能够有效提升检测性能的新材料和新方法显得尤为迫切。

本研究提出了一种基于铜/氧化铜/碳（Cu/Cu?O/C）纳米复合材料的新型电化学免疫传感器。该材料通过可控热解二维铜有机框架（Cu-MOF）制备而成，继承了MOF材料的多孔结构和高比表面积特性，同时提升了其电导率。这一复合材料的结构设计不仅优化了电子传输路径，还通过其分层多孔性提供了丰富的活性位点，从而显著增强了电化学响应能力。此外，其扩展的二维形态进一步提高了表面可接触性，为构建高性能的无标记免疫传感平台提供了理想的基础。

在检测机制方面，该方法采用竞争型免疫分析策略。具体而言，样品中的游离AFB1分子与固定在电极表面的AFB1-牛血清白蛋白（BSA）偶联物竞争有限的抗体结合位点。这种竞争关系导致电化学信号的变化，其变化趋势与毒素浓度呈反向关系。通过这种机制，研究团队成功实现了AFB1的超痕量检测，检测限达到1.83皮克/毫升（pg/mL），远低于现有技术的水平。该传感器的检测范围分为两个线性区间：10–100 pg/mL和150–1000 pg/mL，显示出良好的动态响应范围。同时，其高特异性表现，对AFB2和AFG1具有较低的交叉反应性，而对其他无关霉菌毒素几乎无响应，进一步验证了其在复杂样本中的适用性。

在实际应用验证中，研究团队对添加了AFB1的玉米淀粉样本进行了检测。实验结果显示，该方法的回收率在99.68%到104.38%之间，相对标准偏差（RSD）小于4%，表明其在实际样本分析中具有较高的准确性和重现性。此外，传感器在4℃条件下保存七天后，仍能保持超过95%的初始响应能力，显示出良好的稳定性。这些结果充分证明了该方法在食品安全检测中的潜力。

研究还指出，这种基于Cu/Cu?O/C复合材料的电化学免疫传感器具有广泛的应用前景。通过合理设计和优化材料结构，可以将其扩展至其他霉菌毒素或生物靶标的检测。这一成果不仅为AFB1的快速检测提供了新的技术路径，也为构建高性能、高灵敏度的无标记免疫分析平台奠定了基础。未来，随着材料科学和免疫分析技术的不断进步，这类传感器有望在食品安全、环境监测和生物医学等领域发挥更大的作用。

从材料合成的角度来看，该研究采用了热解法对二维铜有机框架进行处理，从而获得了具有优异电化学性能的Cu/Cu?O/C复合材料。这种合成方法通过控制热解条件，使得金属铜物种自组装形成纳米级的Cu/Cu?O微球，并均匀分散在高度多孔的碳纳米片基质中。这种结构设计不仅保留了MOF材料的多孔性和高比表面积，还克服了其电导率低的缺陷，使材料在电化学分析中表现出更优的性能。此外，热解过程中形成的碳纳米片基质为电极提供了良好的机械稳定性和化学兼容性，进一步提升了传感器的整体性能。

在实验过程中，研究团队采用了多种表征手段来验证材料的结构和性能。扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）的图像显示，Cu/Cu?O/C复合材料具有均匀的纳米结构和高度多孔的形态。这些特性为抗体的有效固定和毒素分子的快速扩散提供了有利条件。同时，材料的电化学性能也通过一系列测试得到了验证，包括循环伏安法（CV）和电化学阻抗谱（EIS）等。测试结果表明，该复合材料具有优异的电导率和稳定的电化学响应，能够有效支持免疫分析过程中的信号传递。

为了确保传感器的高灵敏度和高特异性，研究团队对实验条件进行了系统优化。例如，通过调整抗体的固定浓度、电极表面的修饰方法以及检测体系的缓冲条件，研究人员成功提升了传感器的性能。此外，为了验证传感器的实用性，研究团队还进行了实际样本的检测实验。实验结果显示，该方法能够准确检测玉米淀粉样本中的AFB1，并且具有良好的回收率和重现性。这一结果不仅证明了传感器在复杂样本中的适用性，也为其在实际检测中的推广提供了依据。

在实际应用中，该传感器具有多个显著优势。首先，其无标记设计减少了对复杂标记物的需求，简化了检测流程，提高了检测效率。其次，该方法无需复杂的样品预处理步骤，能够在较短时间内完成检测，非常适合现场快速筛查。此外，其超高灵敏度使得在低浓度AFB1样本中的检测成为可能，这对于食品安全监管具有重要意义。研究团队还指出，该传感器的稳定性良好，能够在一定时间内保持较高的检测性能，为长期监测提供了保障。

从技术层面来看，该研究的创新点在于成功将MOF材料的结构优势与电化学性能相结合，通过热解法获得了具有高电导率和良好机械稳定性的Cu/Cu?O/C复合材料。这种材料不仅保留了MOF的多孔性和高比表面积，还通过引入碳基材料提升了其导电性和化学稳定性。这一材料设计思路为未来构建高性能的无标记免疫传感器提供了新的方向。

在实验设计上，研究团队采用了竞争型免疫分析方法，这是提升检测灵敏度的一种常见策略。在竞争型检测中，样品中的游离毒素与固定在电极表面的毒素-载体偶联物竞争抗体的结合位点。当毒素浓度升高时，游离毒素会占据更多的结合位点，从而减少偶联物与抗体的结合，导致电化学信号的降低。这种信号变化与毒素浓度呈反向关系，使得检测结果具有良好的线性度和可重复性。此外，该方法还通过优化抗体固定策略和电极表面修饰技术，提高了检测的特异性和稳定性。

在实际应用中，该传感器能够满足多种检测需求。例如，在食品检测中，该方法可以用于快速筛查玉米、花生、谷物等易受AFB1污染的农产品。在环境监测中，它可用于检测空气、水源或土壤中的AFB1残留，为环境安全评估提供数据支持。在生物医学领域，该传感器还可能用于检测与AFB1相关的生物标志物，为疾病诊断和预防提供新的工具。这些潜在的应用场景表明，该研究不仅在科学上有重要意义，也具有广阔的现实价值。

此外，研究团队还对材料的生物相容性进行了评估，确保其能够稳定地固定抗体并维持良好的电化学性能。实验结果显示，该材料对生物分子具有良好的亲和力，能够有效支持免疫反应的进行。这种生物相容性使得材料在实际应用中更加安全可靠，进一步提升了其作为检测平台的可行性。

从整体来看，本研究提出了一种新型的电化学免疫传感器，其基于Cu/Cu?O/C纳米复合材料，通过竞争型检测机制实现了对AFB1的超高灵敏度检测。该方法不仅在技术上具有创新性，而且在实际应用中展现出良好的性能。研究团队通过系统的实验验证，证明了该传感器在灵敏度、特异性、稳定性以及适用性方面的优势。这些成果为未来的霉菌毒素检测技术提供了新的思路和方法，同时也为构建更广泛适用的无标记免疫传感器平台奠定了基础。未来，随着材料科学和生物传感技术的不断发展，这类传感器有望在更多领域得到应用，为食品安全、环境监测和生物医学研究提供更加便捷和高效的解决方案。