Y形DNA适配体修饰的红外双波段超表面传感器，用于高效检测同时存在的霉菌毒素的指纹特征

《Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy》：Y-shaped DNA aptamer-modified infrared dual-band metasurface sensor for high-performance fingerprint detection of co-occurring mycotoxins

本研究提出一种基于金属绝缘体金属表面（Metasurface）的双波段红外光谱传感器，结合自组装Y形DNA aptamer实现对黄曲霉毒素B1（FB1）和 ochratoxin A（OTA）的同步高灵敏度检测。实验显示检测限分别为0.148 ng/mL和0.202 ng/mL，并通过啤酒和绿茶加标回收测试验证了方法的准确性和实用性，为食品安全监测提供新思路。

　　近年来，食品中的霉菌毒素污染问题日益受到关注。这些毒素由真菌产生，广泛存在于人类消费的各种食品和动物饲料中，对健康构成严重威胁。其中，赭曲霉毒素A（Ochratoxin A，OTA）和玉米赤霉烯酮（Fumonisin B1，FB1）是最常见的两种霉菌毒素。这两种毒素不仅在食品中频繁共存，而且它们的毒性作用可能是相加的，甚至具有协同效应，这使得开发一种高灵敏度、多目标检测的分析方法变得尤为重要。传统方法如色谱法、酶联免疫吸附测定（ELISA）、荧光检测和电化学传感虽然在单目标检测方面取得了一定成效，但在面对共污染情况时显得力不从心。因此，研究者们正在寻求更先进的技术手段，以实现对多种霉菌毒素的同时检测。

红外光谱技术因其在食品检测中的独特优势而备受青睐。与传统方法相比，红外光谱具有更强的抗噪声干扰能力，能够在原位进行非破坏性检测，并且不需要对样品进行标记。这些特点使其成为食品检测领域的重要工具。然而，由于生物分子与中红外波长之间存在固有的尺寸不匹配，光与物质之间的相互作用较弱，导致红外光谱检测的灵敏度不足。为了解决这一问题，表面增强红外吸收（Surface-Enhanced Infrared Absorption，SEIRA）光谱技术应运而生。该技术利用金属纳米结构产生高度局域化的电磁场，从而显著放大分子振动信号，使得即使在极低浓度下也能实现检测。

在SEIRA技术的基础上，研究人员进一步探索了多目标检测的可能性。通过设计不同形状的纳米结构，如纳米圆盘、不对称十字形纳米天线、垫杆型纳米天线以及多共振超表面，实现了对两种目标分子的同时检测。尽管这些结构设计在提高检测灵敏度方面取得了一定进展，但在实际应用中仍面临一些挑战。特别是在多目标检测过程中，如何实现不同目标分子在特定波长范围内的高效共定位和结合，是技术实现的关键。

为了克服这一难题，研究者们开始探索使用专门设计的DNA适配体作为靶向策略。DNA适配体利用碱基配对原理实现对特定分子的识别和表面修饰，相比传统的抗体修饰方法，其优势在于无需严格的体外合成条件，具有更高的结合亲和力、更好的热稳定性和可编程的序列设计能力。然而，单链DNA适配体的长度较短，可能会影响其识别特异性。此外，当使用混合单链DNA适配体来同时捕获多个目标分子时，可能会出现结合位点比例不均衡和自由适配体链之间相互纠缠的问题，导致假信号或显著的信号干扰。

基于上述问题，本研究提出了一种定制设计的Y型DNA适配体，用于同时且选择性地捕获共存的霉菌毒素（FB1和OTA）。同时，我们开发了一种具有协同增强作用的双波段红外光谱传感器，该传感器集成了六边形和矩形超表面结构。通过优化超表面的结构尺寸，可以在特定波长范围内产生高强度的局域电场。利用三种单链DNA序列的自组装，合成了一种具有增强结构稳定性的Y型DNA适配体，能够通过两个不同的DNA臂实现对FB1和OTA的特异性捕获。该传感器通过结合六边形和矩形超表面结构，实现了双波段增强，有效解决了传统红外传感器在灵敏度方面的不足。同时，由于采用了单一的Y型DNA适配体，避免了多个适配体可能带来的复杂性和信号干扰问题。

实验结果表明，该传感器对FB1和OTA的检测灵敏度分别为2.051%（ng/mL）?1和2.705%（ng/mL）?1，检测限分别为0.148 ng/mL和0.202 ng/mL。通过在啤酒和黑茶中的加标回收实验，验证了该传感器在实际样品分析中的准确性和可靠性。这一研究不仅推动了基于红外光谱的霉菌毒素检测技术的发展，还为食品安全和公共卫生领域的痕量分子检测提供了新的思路。

此外，本研究还探讨了该传感器的结构设计和光学特性。所提出的双波段超表面传感器由多层夹心结构组成，包括硅基底、金反射层、氧化铝（Al?O?）介电层和金超表面纳米结构。当红外光照射到传感器上时，由于阻抗匹配和多次内部反射，光被有效地捕获并在超表面中局域化。通过合理优化各层的厚度和顶部结构，可以在共振条件下实现近完美的吸收。这种结构设计不仅提高了传感器的灵敏度，还增强了其对不同波长范围的适应能力。

为了进一步理解传感器的检测机制，我们模拟了在加载分子后的光谱变化。利用洛伦兹模型构建了三个振荡器，以适应实验中获得的目标分子的红外吸收光谱。通过这种方式，我们能够准确地分析分子对光谱的影响，并进一步优化传感器的性能。此外，我们还研究了该传感器在实际应用中的可行性，包括其在不同环境条件下的稳定性以及在复杂样品中的适用性。

综上所述，本研究通过结合超表面结构和DNA适配体技术，开发了一种新型的双波段红外光谱传感器，用于检测共存的霉菌毒素。该传感器在灵敏度、特异性以及实际应用的可行性方面均表现出色，为食品安全和公共卫生领域的检测技术提供了新的发展方向。未来，随着技术的不断进步，这种传感器有望在更广泛的领域中得到应用，为保障人类健康和食品安全发挥重要作用。