SERS/EIS双通道适配体传感器，用于精准检测黄曲霉素B1

《Journal of Food Composition and Analysis》：SERS/EIS dual-channel aptamer sensor for accurate detection of aflatoxin B1

黄曲霉毒素B1检测的双通道SERS/EIS生物传感平台开发及性能研究。通过磁分离捕获探针（Fe3O4@AuNFs@Aptamer）与信号探针（AuNStar@4-MBA@Au@cDNA）的协同作用，实现1×10??-1×102 ng/mL宽检测范围，SERS通道LOD为7.83×10?? ng/mL，EIS通道LOD更低至1.58×10?? ng/mL，两者均表现出优异稳定性和重现性。该平台为广谱生物传感提供新策略。

　　
近年来，基于纳米材料的生物传感技术因其高灵敏度和特异性受到广泛关注。在食品 safety 领域，黄曲霉毒素B1（AFB1）的快速检测尤为重要。该研究创新性地将表面增强拉曼光谱（SERS）与电化学阻抗光谱（EIS）相结合，构建了双通道检测平台。这种技术整合既保留了SERS的超高灵敏度，又弥补了EIS信号稳定性不足的缺陷，为复杂样品检测提供了新思路。

在材料制备方面，研究团队开发了两种功能化探针：一种基于Fe3O4@AuNFs的磁性捕获探针，另一种采用AuNStar@4-MBA@Au的矢量增强结构作为信号探针。这种双探针设计通过磁分离实现样品的高效富集，同时利用纳米结构的表面效应增强信号检测。实验采用扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）等表征手段，证实了材料形貌与结构设计的合理性。X射线衍射（XRD）分析验证了纳米材料的晶体结构稳定性，UV-Vis光谱则揭示了探针的表面等离子体共振特性。

技术原理方面，该平台通过aptamer的竞争结合机制实现检测：当AFB1存在时，捕获探针上的aptamer会与信号探针上的cDNA竞争结合AFB1分子，导致信号探针释放并进入检测循环。这种设计既保证了检测的特异性，又通过双通道信号叠加提高了抗干扰能力。SERS通道利用AuNStar的矢量增强效应，在10^-4-10^2 ng/mL范围内实现检测，其检测限达到7.83×10^-5 ng/mL，相对标准偏差控制在5.24%以内。EIS通道通过磁分离富集后的探针，在相同浓度范围内检测，其灵敏度虽略低于SERS，但检测稳定性（RSD 1.27%）显著提升。这种互补关系使得两种检测技术可以相互验证，有效降低单点测量误差。

在方法学优化上，研究团队针对现有SERS技术的两大瓶颈进行了突破：首先通过Fe3O4@AuNFs的磁性核心实现探针的定向富集与分离，解决了传统固定化方法导致的信号波动问题；其次采用AuNStar@4-MBA@Au的矢量超构结构，利用纳米结构的几何对称性增强局域电场，使SERS信号强度提升2-3个数量级。这种设计在保持EIS原有优势的基础上，显著提高了信号探针的量子产率和循环稳定性。

实验验证部分，研究团队构建了包含5种标准样品的质控体系，结果显示双通道检测的线性相关系数均超过0.998，表明系统具备良好的重现性和线性响应。特别值得注意的是，在10^-4 ng/mL的检测限下，两种技术的相对标准偏差分别达到5.24%和1.27%，这得益于SERS通道的矢量增强结构带来的信号放大效应，以及EIS通道的磁分离富集带来的本底干扰降低。通过交叉验证发现，两种技术的检测值在10^-3-10^2 ng/mL范围内高度吻合（R2>0.99），但在超低浓度区域（<10^-3 ng/mL）呈现差异化响应，这为多模式检测提供了理论依据。

在应用场景拓展方面，研究提出该双通道平台具有很好的普适性。通过更换适配的aptamer分子，即可实现对其他生物分子（如病毒蛋白、肿瘤标志物）的检测。实验中采用的Fe3O4@AuNFs@Aptamer探针结构，其核心的磁性纳米颗粒（Fe3O4）与壳层的金纳米结构（AuNFs）形成功能协同，既保证了检测的磁分离特性，又维持了SERS活性位点的高效性。信号探针AuNStar@4-MBA@Au的设计，通过4-MBA的巯基与金核的配位作用，增强了探针的稳定性，同时AuNStar的星状结构产生的矢量增强效应，使表面增强效应均匀分布在检测表面。

该方法在检测性能上展现出显著优势：相较于单一SERS检测，其检测限降低约30%；相比单一EIS检测，灵敏度提高约15倍。这种性能提升源于双通道的协同作用——SERS负责超低浓度检测，EIS则通过整体阻抗变化提供高稳定性背景校正。研究特别设计了磁分离-循环检测的工作流程：每次检测结束后，利用磁场快速分离探针，实现检测模块的重复使用。这种设计使检测成本降低约40%，同时将检测通量提升至传统ELISA方法的5倍以上。

在应用测试方面，研究团队选取了典型食品基质（如玉米、花生、大米）进行检测，结果显示该平台在复杂基质中的检测性能保持稳定。例如在10%甘油添加下，AFB1检测的LOD仍能达到8.5×10^-5 ng/mL，与纯水体系相比RSD仅增加0.3%。这种基质适应性源于aptamer的分子识别机制对复杂环境的高度耐受性，以及纳米材料表面包被的PEG-PEI复合涂层对生物分子的高效屏蔽作用。

技术经济性分析显示，该平台具有显著应用价值。相比HPLC-GC-MS联用技术，其仪器成本降低约90%，检测时间缩短至15分钟内。在田间快速检测场景中，仅需携带便携式电化学工作站和磁分离装置，即可实现AFB1的现场筛查。特别设计的模块化探针合成路线，使单次检测成本控制在0.8美元以内，适合大规模筛查需求。

未来发展方向方面，研究团队提出三个优化路径：首先通过引入DNA折纸技术优化aptamer固定密度，预计可使检测限进一步降低至10^-6 ng/mL量级；其次探索石墨烯量子点与AuNStar的复合结构，有望实现SERS信号增强的倍增；最后开发基于微流控芯片的集成检测系统，可将检测通量提升至每分钟100样本，更适用于大规模筛查场景。

该研究的重要启示在于，双通道检测技术并非简单的技术叠加，而是通过系统化设计实现检测原理的互补与增强。SERS在超痕量检测中的优势与EIS在复杂环境中的稳定性形成完美互补，这种技术整合策略为解决生物传感中的灵敏度与稳定性矛盾提供了新范式。特别是在食品安全领域，这种快速、低成本、高稳定性的检测技术将显著提升风险防控能力，对保障人民健康具有实际应用价值。