基于叉指电极的无标记双靶点电化学发光适体传感器用于谷物中霉菌毒素的快速现场检测

《Food Chemistry》：Label-free dual-target electrochemiluminescence aptasensor based on interdigitated electrodes for rapid on-site detection of mycotoxins in grain

　　•MEMS Au/Pt叉指电极构建小型化ECL微流控器件。
•在Au电极上无标记层层自组装ZnCdS@ZnS量子点与适配体。
•便携式芯片实现对两种真菌毒素的现场双通道快速筛查。
•OTA和ZEN的检出限分别达到0.42 ng/mL和0.85 ng/mL，相对标准偏差均小于3.8%。
•1小时全流程实现对真实谷物基质中真菌毒素的可靠检测。

引言

真菌毒素是曲霉属、镰刀菌属、青霉属和链格孢属等真菌在生长和代谢过程中产生的低分子量次级代谢产物（Q. Yang等，2024；W. Yang等，2025）。目前已鉴定出超过400种真菌毒素（Zhou等，2025），它们可广泛污染农产品、食品、药品和中药材（Jiang等，2024）。这些毒素通常具有致癌性、致畸性和致突变性，可损害肝肾功能、削弱免疫系统并干扰生殖健康（Zou等，2025）。它们通过受污染的食品和饲料进入食物链，对人类和动物健康构成严重威胁（C. Wang等，2024）。在实际生产和储存过程中，温度和湿度波动等环境因素极易导致真菌毒素污染，且不同产毒真菌的最佳生长条件高度重叠（He等，2025）。例如，在25–30 °C和相对湿度高于75%的条件下，产生OTA的曲霉属和产生ZEN的镰刀菌属可同时增殖（Veenuttranon等，2024），导致玉米和小麦等主要谷物和油料作物出现协同性复合污染（He等，2024）。此类混合污染具有显著的增毒效应（Tang等，2024；Wu等，2025），加剧了食品安全风险，并给全球谷物贸易造成重大经济损失。然而，大多数食品供应链缺乏先进的检测设备和训练有素的人员，使得及时准确的真菌毒素监测面临挑战（X. Wang等，2026）。因此，开发一种能够现场快速灵敏检测多种真菌毒素的便携式传感器，对于监测食品污染和保护公众健康至关重要。

传统真菌毒素检测方法主要包括高效液相色谱法（HPLC）（Hao等，2025；D. Zhang等，2025）、薄层色谱法（TLC）（Hasan等，2025；Maggira等，2022）和气相色谱法（GC）（Schincaglia等，2023）等色谱技术，以及生物分析方法。其中，液相色谱-串联质谱法（LC-MS/MS）因其卓越的灵敏度、选择性和多毒素检测能力而被广泛认为是真菌毒素检测的金标准（S. Li等，2022；Okechukwu等，2024）。然而，这些方法通常存在操作繁琐、样品前处理耗时以及对大型精密仪器的强依赖性等缺点，限制了其在快速现场筛查和实时食品安全监测中的适用性（Areo等，2023；Ciobanu等，2023）。因此，免疫分析（Huang等，2023；Zhang, Chen等，2024）和表面增强拉曼散射（SERS）（Chen等，2023；Jiao等，2025）等快速检测技术迅速兴起。然而，它们仍面临成本高、抗体稳定性有限和基底稳定性不足等局限（Shan等，2023）。对于实际现场真菌毒素筛查，传感平台应理想地具备足够的灵敏度和选择性、快速分析、操作简便和小型化仪器等特性（Tan等，2025；Tao等，2026；Y. Wang等，2025）。多重检测对于监测食品中不同真菌毒素的共存尤为重要。电化学发光（ECL）非常适合这些要求，因为它将灵敏的信号产生与低光学背景相结合，无需外部激发光源即可通过电化学方式产生发光。此外，其电化学特性便于与小型化电极和微流控器件集成，为便携式多重真菌毒素传感提供了有前景的平台（Han等，2024；Hua等，2024；Song等，2024）。

尽管具有上述优势，目前的ECL传感系统通常依赖复杂的标记策略，包括发色团标记、猝灭剂偶联或夹心格式。虽然这些策略可提供有效的信号调控或放大，但通常需要分别制备标记探针并进行随后的杂交或夹心组装，这增加了操作复杂性，并可能涉及额外的离心和纯化步骤（Li, Wang等，2024；Pandit等，2024；Saraban等，2026）。例如，Zhang等开发的Ti3C2@AuNRs-Ru适配体传感器实现了T-2毒素的超灵敏检测（检出限：6.44 fg/mL），但其依赖于涉及Ru(bpy)32?发光体和二茂铁猝灭剂的双标记信号调控策略，需要制备发光探针、二茂铁标记适配体和捕获DNA，随后进行探针杂交和靶标孵育，每个步骤需耗时90分钟（Zhang, Deng等，2024）。这些需求凸显了通过避免单独制备和组装标记信号探针来简化ECL信号构建的必要性。量子点（QDs）提供了一种合适的方法，因为它们可以直接作为电极界面的ECL发光体，并进一步与识别元件偶联，从而避免单独制备ECL标记或猝灭剂标记的信号探针及其相关的组装或杂交步骤（H. Sun等，2023）。例如，Sun等开发了一种基于量子点的无标记ECL免疫分析法用于AFB1检测，检出限达0.01 ng/mL（C. Sun等，2020）。然而，传统的宏观Au圆盘电极限制了小型化和空间集成，阻碍了用于同时检测多种真菌毒素的多个传感单元的整合。因此，虽然基于QDs的ECL可以简化信号探针的制备和组装，但实际的多重真菌毒素检测仍需进一步的小型化和空间集成。

受此需求驱动，电化学传感与微流控技术的集成已成为生物分析中一种特别有前景的策略，因为它能够构建集成化检测平台，减少样品消耗并提高通量，从而促进真菌毒素的快速现场筛查（Li, Yang等，2024）。例如，Peng等利用ZrMOF纳米片/Au@MoS?纳米花复合材料开发的ECL免疫分析实现了ZEN的超灵敏检测；然而，该器件仍然笨重，不适合小型化和现场检测（Peng等，2024）。Lu等在ITO基底上集成了三电极微流控系统，实现了FB1和DON的同时检测（Lu & Gunasekaran, 2019）；然而，其准参比电极在长时间测量过程中易发生电位漂移，从而损害ECL信号的长期稳定性和重现性。相比之下，叉指电极（IDEs）通常集成在双极电极（BPE）构型中，无需独立的参比电极，从而避免了参比电极引起的漂移，并在时间上提供本质上更稳定的ECL测量（Arathy等，2025；Kala等，2024）。此外，由于其叉指间距狭窄，IDEs产生强局部电场，增加了电活性表面积并促进相邻电极带之间的氧化还原循环，凸显了其在信号放大和系统集成方面的巨大潜力（Kulkarni等，2025）。然而，其在基于ECL的真菌毒素检测中的应用仍基本未被探索。

为解决现有真菌毒素检测方法的局限性，包括集成度低、信号探针制备和组装复杂、同时检测多种靶标的多重能力有限以及不适合快速现场检测等问题，本研究通过将异质Au/Pt叉指电极与PDMS微流控芯片集成，开发了一种无标记双通道ECL适配体传感器，用于同时检测OTA和ZEN。首先通过有限元电场模拟优化叉指电极结构，并在此基础上构建双通道ECL传感平台。在Au工作电极上组装半胱胺-QD-适配体传感界面，并与PDMS芯片集成以实现图案化双通道制造。靶标结合后，毒素-适配体相互作用在空间上抑制界面电子转移，产生基于猝灭的ECL强度降低（ΔECL = ECL? – ECL?），作为定量信号。优化实验条件以最大化传感性能，并评估传感器的检测性能、灵敏度限、特异性、重现性和稳定性。通过检测真实谷物样品中的加标真菌毒素进一步验证了传感器的实际适用性。通过将猝灭模式ECL检测机制与高度集成的微流控芯片格式相结合，该平台具有低样品消耗和操作简便的特点，为现场双通道真菌毒素筛查提供了一种便携高效的解决方案。

材料与试剂

本研究所用OTA和ZEN适配体购自安徽昂普拓迈生物科技有限公司（中国）。OTA适配体序列为5′ - NH? - GATCGGGTGTGGGTGGCGTAAAGGGAGCATCGGACA - 3′。ZEN适配体序列为5′ - NH?-TCATCTATCTATGGTACATTACTATCTGTAATGTGATATG - 3′。ZnCdS/ZnS量子点购自上海星子新材料科技发展有限公司。N-羟基琥珀酰亚胺（NHS）、1-乙基-3-(3-二甲氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐（EDC）、钾...

叉指电极芯片的设计与制造

本研究开发了一种高度集成的电化学发光（ECL）微流控传感器，用于双通道真菌毒素检测。如图2A所示，在玻璃基底上制造了四电极微阵列，电极层的详细几何参数见图S1。电极采用叉指构型，由金（Au）工作电极和铂（Pt）对电极组成。与传统叉指电极不同...

结论

本研究设计并制造了一种高度集成的无标记电化学发光（ECL）微流控适配体传感器芯片，采用同时双通道检测策略检测OTA和ZEN。该传感器将MEMS制造的叉指电极阵列与PDMS微流控平台集成。Au工作电极和Pt对电极均采用分段式空间互补结构，其中环形区域提供了扩大的表面积用于表面...

CRediT作者贡献声明

Yan Xu：初稿撰写、方法学、数据管理、概念化。Haojun Yuan：审阅与编辑、方法学、形式分析、概念化。Wanlei Gao：审阅与编辑、监督、项目管理、经费获取。Panhui Yang：审阅与编辑、资源。Haojie Chen：验证、软件。Xingyu Diao：方法学。Jiancheng Yu：形式分析。Chunping Jia：形式分析。Jianlong Zhao：形式分析。Qinghui Jin：经费...

利益冲突声明

作者声明，他们之间不存在已知的、可能影响本论文所报告工作的竞争经济利益或个人关系。

致谢

本工作得到浙江省应用基础研究计划项目（No.2026C02A1200）的资助。本研究还得到上海市科学技术委员会项目（25xtcx00402和25JC3201402）、宁波市智能光电材料与器件基础研究人才培养基地（宁波大学）开放基金（Grant No. NBRCJD2026000004-13）以及中国博士后科学基金（2025M770568）的资助。

Yan Xu|Haojun Yuan|Wanlei Gao|Panhui Yang|Haojie Chen|Xingyu Diao|Jiancheng Yu|Chunping Jia|Jianlong Zhao|Qinghui Jin