基于电化学-光学双模态适配体传感器的食品污染物检测研究进展

《Chemistry & Biodiversity》：Detection of Food Contaminants Based on Dual-Mode Electrochemical and Optical Aptasensors: A Review

　　

食品安全对人类健康至关重要，发展快速、灵敏的检测技术对污染物监测具有重要意义。双模态适配体（APT）传感器中电化学与光学方法的整合，已证实可通过互补信号验证提高检测可靠性。尽管当前实现主要集中于单目标检测，但APT识别元件的模块化特性以及表面增强拉曼光谱（SERS）和荧光等光学读出的多路复用能力，为未来同时超痕量监测多种污染物提供了清晰路径。本综述全面评估了双模态传感器的工作原理与分析性能，涵盖电化学-比色、电化学-荧光及电化学-SERS等模式，并重点分析了其集成信号放大策略对灵敏度和检测范围的影响。研究表明，双模态传感器在实验室中表现良好，但仍面临纳米材料稳定性不足、APT多目标检测能力有限及设备成本高等挑战。为进一步推动其在食品安全领域的实际应用，本文还为双模态传感技术的优化与创新提供了理论框架，以促进高效食品污染物监测体系的构建。

1 引言

食品安全受到病原微生物、真菌毒素、持久性有机污染物和重金属离子等危害因素影响。传统检测平台如高效液相色谱（HPLC）、酶联免疫吸附测定（ELISA）和毛细管电泳（CE）虽灵敏特异，但耗时长、成本高且操作复杂。适配体（APT）传感器具备高灵敏、实时检测和仪器小型化等优势；然而单信号电化学适配体传感器易受电极修饰和环境条件干扰。双模态电化学-光学适配体传感器通过两种独立信号通路进行交叉验证，可提高复杂样品中痕量分析的可靠性。纳米材料（如AuNPs、COFs）和核酸信号放大策略（如HCR、CHA）为构建高性能双模态界面提供了基础。

2 电化学生物传感器原理

电化学生物传感器将识别事件转化为电流、阻抗或电位等电学信号，常用技术包括循环伏安法（CV）、差分脉冲伏安法（DPV）和电化学阻抗谱（EIS）。单模态电化学传感器简单、低成本，但依赖单一信号通路，易受电极污染和非特异性吸附影响。双模态系统引入独立光学信号进行相互验证，降低假阳性/假阴性风险，且两种模态往往具有互补线性范围，从而扩展动态范围。

3 光学生物传感器原理

光学传感器基于发光、吸收、荧光、折射率或光散射等性质变化，分为比色、荧光、电化学发光、化学发光、SERS和SPR等类型。光学信号噪声低、不易受非特异性电化学干扰，但受设备复杂性和基底均匀性限制。电化学与光学传感器在灵敏度、抗干扰性和信息丰富度方面互补，因此被集成为双模态架构。

4 双模态电化学-光学生物传感器在食品污染物检测中的应用

4.1 电化学-比色模式

比色法无需复杂仪器，但肉眼判读分辨率低。纳米酶具有类酶活性和电化学特性，常用于构建双模态传感器。Yu等利用PtNPs/Pd-Cu₂O空心八面体纳米酶结合CHA/HCR放大和磁分离检测黄曲霉毒素B1（AFB1），电化学LOD为0.76 pg/mL，比色LOD为0.49 pg/mL。Duan等用FePOs@CeO₂单材料双信号探针检测阿莫西林，简化了制备，但两模态LOD差异较大。Li等将Fe-MIL-88金属有机框架（MOF）与RCA放大和智能手机RGB读数结合检测赭曲霉毒素A（OTA），电化学LOD达0.22 fg/mL，实现了现场即时检测（POCT）。

4.2 电化学-荧光模式

Liang等以MB@AuNPs@COF双功能探针检测四环素，COF提供荧光骨架且AuNPs和MB赋予电化学活性，检测限为0.03 nM（电化学）和0.05 nM（荧光）。He等采用物理分离设计，电化学模式以二茂铁（Fc）信号增强和亚甲基蓝（MB）信号减弱组合，释放的cDNA触发HCR生成dsDNA模板，原位合成荧光铜纳米颗粒（CuNPs）检测AFB1，荧光LOD达0.28 pg/mL，比电化学模式低约10倍。Li等利用3D多孔AuNPs/MXene和尼罗蓝标记的APT检测Hg²⁺，通过距离依赖信号调制实现电化学“开启”和荧光“关闭”，检测限达飞摩尔级。

4.3 电化学-SERS模式

SERS依赖热点区域电磁场增强，提供超灵敏和分子指纹信息。Zhang等用Ca²⁺/I^?修饰的Ag@ICNPs检测马拉硫磷，并针对毒死蜱引入偏最小二乘（PLS）模型以处理共存农药光谱干扰。Yao等构建Ag@Cu₂O/MXene核壳结构，利用Cu₂O和Ag的双电化学氧化峰以及MXene在730 cm^?1的内标信号进行比率型SERS检测河豚毒素，LOD分别为31.6 pg/mL（电化学）和38.3 pg/mL（SERS）。

4.4 电化学-SPR模式

SPR可实时无标记监测界面结合事件。Blidar等开发了氨苄青霉素电化学-SPR双模态适配体传感器，采用多脉冲安培法增强APT固定，获得约七倍SPR信号增强，检测限为1 μmol/L，并在河水中获得103%–105%回收率。由于裸金芯片和小分子（分子量349.4）的固有局限，SPR信号强度有限，但该工作证明了电化学辅助固定对SPR传感的可行性。

4.5 双模态技术比较总结

五种模式各有优劣：电化学-比色成本低、操作简单，适合资源有限场景的现场筛查；电化学-荧光灵敏度高、动态范围宽，适合实验室定量和多靶标检测；电化学-SERS具有分子指纹和复用能力，但基底重现性和数据分析复杂；电化学-SPR提供实时动力学信息，但对小分子灵敏度低；电化学-PEC/ECL灵敏度最高（fg/mL级），但依赖复杂合成和外部激发。最优选择取决于应用场景和分析需求。

4.6 传感器设计与纳米材料比较分析

跨模态比较显示，PtNPs/Pd-Cu₂O空心八面体比FePOs@CeO₂灵敏约三个数量级；HCR模板化CuNP设计比COF探针具有更好信噪比；Ag@Cu₂O/MXene比率型设计通过内标校正克服热点变异。PEC平台在AFB1检测中获得最低LOD（9.3 fg/mL），但纳米材料合成最复杂。贵金属纳米粒子易功能化且导电性佳，MOF/COF负载量高但制备要求更高，材料选择需权衡性能与实际限制。

5 其他传感器

5.1 电化学-电化学发光模式

Jiang等利用Ru(bpy)₃²⁺/TPrA体系的电化学发光（ECL）和二茂铁甲酸（Fca）的猝灭作用检测交链孢酚（AOH），竞争结合使Fca-DNA2脱离电极，DPV信号降低而ECL恢复，LOD分别为0.083 pg/mL（电化学）和0.014 pg/mL（ECL）。

5.2 电化学-光电化学模式

Zhang等以AuNPs/PCZIF-8-ZnO为双功能基底，通过MB与Fc标记DNA的距离调控实现比率型电化学和“off-on”光电化学（PEC）双模态检测AFB1，电化学LOD为36.7 fg/mL，PEC LOD为9.3 fg/mL，PEC模式比同平台电化学模式检测限低约两个数量级。

6 结论

电化学-光学双模态适配体传感器通过互补信号读出机制，克服了单模态系统的主要局限，显著提高检测可靠性，并成功用于真菌毒素、有机磷农药和重金属离子等危害物的超痕量检测。

7 挑战与未来展望

7.1 纳米材料稳定性与重现性

贵金属纳米粒子易聚集，MOFs在水相中水解稳定性差，纳米酶活性受pH、温度影响。核壳结构、电极上原位生长、冷冻干燥或保护基质封装以及连续流微流控合成可提升批次间重现性。

7.2 适配体开发与多路复用能力

传统SELEX耗时长且多为单靶标。微流控SELEX、高通量测序、分子对接与机器学习可加速高亲和力序列筛选。多价APT构建、DNA逻辑门、多工作电极阵列以及具有固有复用能力的光学模式（SERS、荧光）有望实现多种污染物同时检测。

7.3 现场部署与仪器

当前平台依赖台式工作站和光学仪器。智能手机集成、USB供电恒电位仪、微流控芯片及小型化拉曼光谱仪将推动现场检测。柔性打印电子器件和一次性器件可减少操作步骤。

7.4 新兴机遇

深度学习可改进SERS和电化学数据的多模态融合与去卷积；物联网结合实时监测网络可实现供应链预警；多功能平台（检测与光催化降解结合）以及自供电传感器可实现远程和资源有限环境应用。