基于AuNPs/MXene/SBMA防污导电水凝胶的电化学生物传感器用于复杂鱼肉基质中鲜味检测

《Food Chemistry: X》：An electrochemical biosensor based on antifouling conductive hydrogel for umami detection in complex fish matrices

　　

研究人员开发了一种基于防污导电水凝胶的电化学生物传感器，用于复杂鱼肉基质中的鲜味检测。该传感器集成了一种新型AuNPs/MXene/SBMA水凝胶以实现仿生传感。该水凝胶界面在鱼类相关污染条件下表现出低信号波动。研究人员实现了对鲜味物质的超灵敏检测，检出限低至0.33 pM（皮摩尔每升）。该平台可监测鱼类中与储存时间相关的整体鲜味响应变化。

鲜味对食品风味品质至关重要。三文鱼、鲫鱼和鳕鱼等鱼肉富含鲜味化合物，特别是谷氨酸钠（MSG）和肌苷5′-单磷酸（IMP）等。然而，传统感官评价受主观因素影响，仪器分析方法操作复杂且特异性不足。电化学生物传感技术因高灵敏度、快速响应而成为替代方案，但面临两大瓶颈：一是固定化受体蛋白难以在长期储存中维持活性；二是真实鱼肉中的蛋白质、脂类等非特异成分易吸附于电极表面产生生物污染（biofouling），严重干扰靶标识别并降低信噪比。

为解决上述问题，研究人员将强亲水性两性离子化合物磺基甜菜碱甲基丙烯酸酯（SBMA）引入水凝胶以形成水化层并维持界面电中性，同时利用高导电性Ti₃C₂ MXene和AuNPs构建电子传输框架，并整合鲜味受体T1R1-VFT，通过一步法合成了AuNPs/MXene/SBMA/T1R1-VFT（AMST）防污导电水凝胶。该传感界面在鱼类相关污染条件下信号变化仅0.18%–4.42%，储存20天保留81%活性，对MSG、IMP、有机酸WSA和鲜味肽BMP的检出限低至0.33 pM，并成功监测了三种鱼肉储存过程中的整体鲜味相关响应变化。该项研究为复杂食品基质中风味物质的稳定、准确检测提供了新策略。

研究人员在开展研究时采用了以下关键技术方法：通过一步自由基聚合法制备AMST水凝胶，将T1R1-VFT受体溶液与AuNPs/MXene复合后加入SBMA预水凝胶中聚合。利用扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、能量色散光谱（EDS）、X射线光电子能谱（XPS）和流变学表征材料结构与受体固定情况。采用循环伏安法（CV）、差分脉冲伏安法（DPV）和电化学阻抗谱（EIS）评价界面电化学行为。防污性能评估选用了牛血清白蛋白（BSA）、血红蛋白（Hb）、溶菌酶（Lys）、粗三文鱼蛋白提取物、卵磷脂（Lec）、磷脂酰胆碱（PC）、乳酸（LA）和次黄嘌呤（Hx）作为污染物。真实样本为市场购买的新鲜三文鱼、鲫鱼和鳕鱼，分别于25 ℃储存0–24 h和4 ℃储存0–6天，样品经前处理后稀释用于电化学检测，并以色氨酸荧光淬灭作为辅助验证手段。

在材料表征方面，SEM显示AuNPs/MXene的嵌入使水凝胶形成更致密、连通性更好的多孔网络；XRD确认了AuNPs的特征衍射峰和MXene（002）峰位移；FT-IR可见SBMA的特征峰以及受体蛋白的酰胺I带（1648 cm^-1）和酰胺III带（1242 cm^-1）；XPS中S 2p谱的变化表明受体含硫残基参与了界面结合；流变学结果显示储能模量（G′）始终高于损耗模量（G″），证实形成了稳定的交联网络。

电化学表征方面，SBMA水凝胶因高含水量阻碍电子传递而使电流降低、阻抗增大；AuNPs/MXene的引入显著增强了电子传递，而受体固定和靶标结合依次使电流降低、阻抗升高。对照实验显示，无受体、变性受体和受体预饱和组的响应仅分别为2.48、0.93和0.37 μA，远低于天然受体的16.27 μA，证明信号主要来源于功能性T1R1-VFT介导的识别。

防污性能方面，水接触角测定显示SBMA水凝胶接触角低至19.78°，使界面高度亲水；Zeta电位表明AMST水凝胶接近电中性（-0.30 mV）；FITC-BSA荧光成像显示平均荧光强度从裸电极的6.395降至0.264。在多种蛋白、脂质和代谢物污染20–40分钟后，AMST界面的DPV信号变化率仅为0.18%–4.42%，而对照组高达40.74%–84.14%。

条件优化得到最佳参数：MXene浓度0.6 mg/mL、AuNPs/MXene与预凝胶体积比1:2、受体浓度0.15 mg/mL、配体孵育时间20 min。

检测性能方面，传感器对MSG、IMP、WSA和BMP的线性范围分别为10^-12–10^-4 M、10^-11–10^-5 M、10^-11–10^-5 M和10^-12–10^-6 M，检出限分别为0.33、3.3、3.3和0.33 pM。时间依赖和浓度依赖的DPV响应分别符合一级结合模型和Langmuir型模型，表明响应源于结合诱导的界面阻挡效应。

选择性、重复性和稳定性方面，该传感器对MSG和IMP的响应（38.14和43.18 μA）显著高于酸、甜、苦、咸味物质及结构类似物（最高5.74 μA）。三批次18根电极的总体相对标准偏差（RSD）为4.83%；储存20天后信号保持初始值的81%。

在真实鱼肉监测中，三文鱼、鲫鱼和鳕鱼在25 ℃储存0–24 h和4 ℃储存0–6天期间，传感器的DPV响应均先升后降。储存初期，ATP逐步转化为IMP，同时肌原纤维蛋白水解释放鲜味氨基酸，使受体介导信号增强；储存后期，IMP进一步降解为次黄嘌呤，脂质氧化和微生物活动改变配体组成，导致信号下降。色氨酸荧光淬灭结果与电化学信号变化趋势一致，相关系数介于0.80–0.95，验证了结果的可靠性。

讨论部分指出，该水凝胶平台在鱼类相关污染环境下对蛋白质、脂质和代谢物均表现出低信号波动，且检测性能优于已报道的鲜味评估方法。结论部分总结：该研究成功构建了基于AuNPs/MXene/SBMA防污导电水凝胶的仿生传感平台，可有效抑制复杂鱼肉基质中的非特异性吸附，显著提高检测准确性和长期稳定性，实现对鲜味分子的超灵敏检测，并可用于监测储存过程中鱼类整体鲜味相关响应的动态变化。未来研究将进一步关联受体介导信号与关键鲜味标记物及感官指标，以提升该仿生传感策略在真实食品体系中的实用性。