一种高性能共价有机框架材料辅助代谢组学检测小麦真菌毒素感染

《Food Chemistry》：A high performance covalent organic framework material assists metabolomics in the detection of mycotoxin infection in wheat

　　

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  开发了一种高结晶度羟基官能化共价有机框架（COF）作为LDI-MS基底材料。
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  该平台具有高灵敏度、低干扰峰和高重现性。
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  该平台在极少量样品前处理条件下即可实现小麦代谢组学的快速分析。
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  成功区分了黄曲霉毒素A₁（AFB₁）感染的小麦与健康小麦。
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  成功揭示了AFB₁感染小麦的潜在生物标志物。

引言

小麦（Triticum aestivum L.）是全球主要的粮食作物和保障全球粮食安全的重要基石，其种植面积和总产量均位居世界前列（Sheera等，2025；R. Wang, Tang等，2025）。然而，小麦在田间生长、储存、运输和加工过程中极易受到霉菌毒素污染（Lin等，2024；Long等，2026）。这些霉菌毒素包括黄曲霉毒素（AFs）、脱氧雪腐镰刀菌烯醇（DON）、玉米赤霉烯酮（ZEN）、赭曲霉毒素A（OTA）和伏马菌素B₁（FB₁）。其中，由黄曲霉和寄生曲霉产生的黄曲霉毒素（尤其是AFB₁）因其强烈的致癌、致畸和免疫抑制特性而备受关注（Luan等，2025）。国际癌症研究机构（IARC）已将AFB₁列为I类致癌物，对人类和动物健康构成严重威胁（Kumar等，2017）。此外，气候变化、秸秆还田以及高产品种（但同时抗病性较弱）的种植进一步增加了小麦霉菌毒素污染的风险（Liu & Van Der Fels-Klerx, 2021; Yilmaz等，2025）。因此，亟需建立可靠的霉菌毒素检测与控制方法，尤其是针对AFB₁的检测，以确保小麦品质并保障公众健康。

目前，高效液相色谱（HPLC）和液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）等霉菌毒素检测方法灵敏度高、准确性好。然而，这些方法主要侧重于污染发生后的分析，需要复杂的样品前处理，且往往耗时较长（Huang & Xu, 2025; Suo等，2023）。此外，霉菌毒素化学性质稳定，一旦形成便难以去除（K?pińska-Pacelik & Biel, 2021）。因此，在小麦生长或储存过程中早期检测和及时预警霉菌毒素污染，对于防止污染扩散和减少损失至关重要。在真菌污染的早期阶段，霉菌毒素的积累量往往极低，直接检测难度较大。为克服这一局限性，代谢组学被提出作为一种间接检测策略：真菌感染会改变宿主的代谢物谱，这些变化可作为污染早期指标（Cajka等，2014；Nathanail等，2015；Rubert等，2017）。例如，有研究利用稳定同位素辅助的代谢组学方法探讨了小麦霉菌毒素胁迫下酪氨酸（Tyr）和苯丙氨酸（Phe）之间的代谢差异（Rypar等，2025）。这些研究证明了代谢组学在霉菌毒素检测和解析小麦防御机制方面的可行性，同时也可能有助于抗病育种（Li等，2022）。然而，关于AFB₁早期感染小麦的代谢组学研究仍然有限，目前仍缺乏一种快速、灵敏且耐受基质干扰的分析平台。

近年来，质谱技术（MS）凭借其高灵敏度、高分辨率和强大的结构解析能力，已成为代谢组学研究中不可或缺的核心工具（M?ynarczyk等，2024；Shi等，2024；Zhang等，2026）。特别是激光解吸/电离质谱（LDI-MS），因其样品前处理简单、抗基质干扰能力强、检测速度快以及样品消耗量极低（微升级）而受到越来越多的关注，尤其适合复杂生物系统中的高通量代谢物分析（Ouyang等，2023；Ouyang等，2024）。LDI-MS的性能在很大程度上取决于辅助基质材料的选择（Z. Wang, Zhao等，2025）。然而，传统有机基质在低分子量范围会产生强烈的背景干扰，严重限制了小麦中小分子代谢物的检测（Sun等，2024）。

共价有机框架（COFs）因其独特的优势——包括高度有序的结晶结构、大比表面积、可调孔径、优异的化学稳定性以及精确可设计的官能化修饰——而作为理想的LDI-MS基底材料引起了广泛关注（Jin等，2025；Yang等，2025）。COF的大π共轭体系有利于高效的紫外光吸收和能量转移，而其多孔结构则能有效富集目标分子（Du等，2023；Hu等，2023）。值得注意的是，COF中的特定官能团可促进质子转移并提高电离效率。近期研究表明，羟基官能化COF在生物流体代谢物分析中具有潜力，能够灵敏、可重复地检测小分子代谢物，且对盐和蛋白质干扰具有较强的耐受性（Chen等，2026）。然而，利用COF辅助的LDI-MS代谢组学来检测霉菌毒素污染小麦的研究仍鲜有报道。

本文开发了一种高结晶度羟基官能化COF（COF1）作为高效的LDI-MS基底材料，建立了高性能代谢分析平台，用于捕获AFB₁污染小麦早期的代谢变化。随后，采用多变量统计分析方法区分霉菌毒素感染的小麦样本与健康小麦样本，并鉴定潜在代谢生物标志物。此外，通过KEGG通路分析探讨了小麦对霉菌毒素感染的代谢响应机制。本研究旨在建立小麦霉菌毒素污染的快速、灵敏、可靠的早期预警策略，为食品安全监管和小麦抗病育种提供理论依据。

章节摘要

材料与试剂

1,3,5-三（4-氨基苯基）苯（TAPB）和2,4-二羟基苯-1,3,5-三甲醛（DHTA）购自上海阿拉丁试剂有限公司（中国上海），用于COF的合成。组氨酸（His）、丝氨酸（Ser）、脯氨酸（Pro）、天冬酰胺（Asn）、赖氨酸（Lys）、葡萄糖（Glc）、亚油酸（LA）和腺嘌呤（维生素B₄，VB₄）购自上海源叶生物科技有限公司（中国上海），用于代谢小分子标准品的检测。2,5-二羟基苯甲酸

COF的合成与表征

COF2的制备按照此前报道的方法进行，而COF1则通过优化和调节配体浓度、反应条件、反应时间和催化剂浓度来制备，如图1A所示。随后对合成的COF进行了表征性能测试。首先，通过两种合成COF及其配体的傅里叶变换红外光谱（FT-IR）（图1B）确认了TAPB与

结论

总之，本文开发了一种高结晶度羟基官能化COF（COF1）作为高效的LDI-MS基底材料，用于AFB₁污染早期阶段小麦的快速代谢组学分析。得益于其大比表面积、有序的微孔结构以及优异的质子转移能力，COF1能够无干扰地检测低分子量代谢物，具有高灵敏度、优异的耐盐性和耐蛋白质干扰能力以及良好的重现性。基于COF1的

作者贡献声明（CRediT）

夏启新：原创稿件撰写、方法论、正式分析、数据整理。傅宇峰：调查研究。刘婷：稿件审校与编辑、数据整理。王雨欣：稿件审校与编辑、数据整理。万莹：数据整理。鲍晓瑾：验证。翟宇恒：验证。罗晓虎：稿件审校与编辑、数据整理。欧阳丹：稿件审校与编辑、监督指导、项目管理、资金获取。行佳莉：稿件审校与编辑、监督指导、

利益冲突声明

作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些关系可能对本研究的工作产生影响。

致谢

本工作得到了宁波市科学技术局公益计划项目（2024S127）、浙江省市场监督管理局科技计划项目（QN2025053）以及浙江省自然科学基金（LQN26C200007）的资助。

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