基于磁性碳纤维（COFs）和金纳米棒的纳米酶制备方法及其对玉米赤霉酮（Zearalenone）的表面增强拉曼散射（SERS）检测技术

《Analytica Chimica Acta》：Nanozyme fabrication based on magnetic COFs and gold nanorods and its SERS detection of zearalenone

本研究开发了一种基于COF和贵金属纳米材料的SERS平台，用于高效检测食品中的黄曲霉毒素ZEN。通过合成MCOF-Au和AuNR/Pd复合物，结合磁分离与催化反应，实现了ZEN的高灵敏检测（LOD 1.88×10?? μg/kg），线性范围0.001-1000 μg/kg，小麦和玉米加标回收率88.91%-115.78%。该平台通过aptamer选择性识别与纳米材料催化增强，为食品中ZEN检测提供了新策略。

　　

马晓媛|马曦|张沐熙|韩金池|王周平

江南大学食品科学与资源国家重点实验室，中国无锡214122

摘要：

背景

玉米赤霉烯酮（ZEN）是最常见的霉菌毒素之一，它不仅会污染谷物作物，由于其化学稳定性，也会存在于加工后的谷物产品中。通过食物链进入人体后，ZEN表现出显著的生物累积特性，对人类健康造成不同程度的危害。传统的色谱仪器方法需要昂贵的设备和复杂的实验程序。本文旨在开发一种简便且准确的检测食品样品中ZEN的方法。

结果

本文开发了一种基于SERS平台的方法，使用具有硝基还原酶（NTR）活性的COF和贵金属纳米材料来检测ZEN。首先，合成了负载金纳米颗粒的磁性COF（MCOF-Au）作为具有部分NTR活性的SERS增强基底。同时，制备了负载钯的哑铃形金纳米棒（AuNR/Pd），并在4-NTP/NaBH₄体系中作为主要的NTR，显著提高了催化活性和SERS信号。经过核酸功能化处理后，这两种成分组装在一起。加入ZEN可以调节AuNR/Pd在MCOF-Au上的组装。通过磁分离后，沉淀物的催化活性和SERS活性发生了变化。利用输出产物4-ATP在390 cm^-1处的拉曼峰作为定量标记，该方法在0.001 μg/kg至1000 μg/kg的范围内表现出线性关系。检测限（LOD）为1.88×10^-4 μg/kg，小麦粉和玉米中的加标回收率在88.91%至115.78%之间，证明了该方法对实际样品检测的高灵敏度和可靠性。

意义

这种适配体传感器结合了拉曼信号的高灵敏度和适配体的选择性，为食品中ZEN的准确检测提供了一种强大而有效的工具。基于COF的纳米复合材料被证明具有显著的NTR活性，而催化产物4-ATP具有明显的拉曼信号，适合定量检测。这一设计为食品安全监测和公共卫生保护提供了一个多功能平台。

引言

真菌霉菌毒素污染仍然是全球食品安全面临的一个关键挑战。玉米赤霉烯酮（ZEN），也称为F-2毒素，主要由Fusarium spp.产生，是最常见的霉菌毒素之一[1]，[2]。ZEN不仅会污染小麦、玉米、大麦、高粱和大豆等谷物作物，还会存在于面粉、麦芽和啤酒等加工谷物产品中[3]，[4]，[5]。由于其化学稳定性，ZEN在储存和加工过程中难以通过常规方法去除。人们可能通过食物链直接或间接摄入ZEN及其代谢物，使其成为重要的食品安全风险因素。ZEN及其代谢物表现出显著的生物累积特性。长期暴露可能导致DNA损伤、免疫系统紊乱和癌症风险[6]，[7]。因此，准确检测食品样品中的ZEN至关重要。

已经开发了几种检测玉米中ZEN的方法，包括高效液相色谱（HPLC）、HPLC-MS、毛细管电泳和免疫测定[8]，[9]，[10]，[11]。HPLC仍然是使用最广泛和最成熟的分离技术之一。Duca等人开发了一种新的HPLC方法，用于分离和定量肉鸡中的ZEN及其代谢物。Hypersil gold C18柱表现出优异的分离效率[12]。Maragos等人创建了一种毛细管电泳激光诱导荧光（CE-LIF）方法，使用22种环糊精增强ZEN的荧光强度，在玉米中的检测限低至5 ng/g[13]。Shang等人提出了一种碱性磷酸酶（ALP）触发的双信号免疫测定方法，用于检测玉米粉中的ZEN[14]。基于K₃[Fe(CN)₆]在多色生成和电子转移中的关键作用，通过比色法和电化学方法实现了ZEN的定量。然而，每种方法都存在一些局限性，如设备昂贵、样品预处理复杂、灵敏度和重复性差、交叉反应以及抗体制备困难等。这些限制在实际应用中需要仔细考虑。

近年来，基于纳米探针的生物传感检测方法在食品安全危害的分析和检测中得到了广泛应用[15]，[16]，[17]，[18]，[19]。例如，基于MOF纳米片和Bi₂S₃纳米棒的“开-关”电化学发光适配体传感器被用于检测小麦和玉米中的脱氧雪腐镰刀菌烯醇（DON）[20]。纳米酶包含许多具有内在酶活性的合成纳米材料。与天然酶相比，纳米酶具有显著的优势，包括制备成本低、环境稳定性高、使用寿命长、合成过程简单以及催化活性可调[21]，[22]，[23]。已经开发并报道了超过1000种具有不同组成和结构的纳米酶，包括贵金属（如Au、Ag、Cu、Pt、Pd）及其化合物/混合形式、金属有机框架（MOFs）以及共价有机框架（COFs）[24]，[25]，[26]，[27]，[28]。这些纳米酶可以与多种定量检测方法结合使用，如比色分析、荧光检测、表面增强拉曼散射（SERS）、化学发光和电化学分析。Liao等人开发了一种由Eu³⁺和双金属有机框架Ce/UiO-67组成的多功能发光纳米酶，用于高效降解和对氧磷酰酯（paraoxon）的双模式检测[29]。4-硝基酚（4-NP）是paraoxon的水解产物，在可见光区域具有明显的紫外-可见吸收。此外，它可以通过光诱导电子转移（PET）效应抑制Eu@Ce/UiO-67的荧光信号，从而实现基于比色和荧光方法的双模式检测。

SERS凭借其单分子检测灵敏度、独特的分子指纹识别和非破坏性分析特性，迅速成为分析化学的研究热点[30]，[31]，[32]。4-硝基噻酚（4-NTP）在氢气（H₂）存在下可以通过硝基还原酶（NTR）反应转化为4-氨基噻酚（4-ATP）。作为经典的SERS探针分子，4-ATP通过其强电子给体氨基（-NH₂）和巯基的金属配位能力的协同作用，在金属纳米颗粒上表现出增强的吸附稳定性，并通过电荷转移放大拉曼信号。然而，单一贵金属催化剂常常因聚集而失活且稳定性不足。近年来，金属-COFs由于其高度有序的多孔结构、可定制的功能位点和出色的结构稳定性，在催化方面显示出巨大潜力。通过有机单元的强共价键形成具有高比表面积和规则纳米孔的晶体网络，COFs为催化活性中心提供了理想的支撑[33]。这些材料结合了天然酶的高催化效率和合成材料的稳定性优势，为4-NTP的氢化还原提供了新的方法。

在本研究中，使用了同时具有SERS效应和NTR活性的金属-COF复合纳米材料来构建SERS平台，以实现ZEN的灵敏和选择性检测。磁性COF是一种理想的载体，可以容纳大量的金纳米颗粒（AuNPs），并作为拉曼增强基底。Pd被负载在哑铃形金纳米棒（AuNRs）上，以实现主要的催化活性和SERS增强。ZEN适配体及其互补序列分别进行了修饰，用于纳米酶的组装和选择性目标检测。当引入ZEN时，适配体对ZEN的更高亲和力导致组装解离，从而在磁分离后减弱了沉淀物的催化和SERS信号。通过计算输出产物4-ATP的拉曼信号强度来实现ZEN的定量检测。

化学物质和材料

2,5-二羟基对苯二甲醛（DHTA，C₈H₆O₄）、1,3,5-三(4-氨基苯)苯（TAPB，C₂₄H₂₁N₃）、十六烷基溴化铵（CTAB，C₁₆H₃₆BrN）、碘化钠（NaI）、四氢呋喃（THF，C₄H₈O）从上海Titan科技有限公司购买。1,4-二氧环己烷（C₄H₈O₂）、1-丁醇（C₄H₁₀O）、乙醇（C₂H₅OH）、乙酸（CH₃COOH）、丙酮（CH₃COCH₃）、盐酸（HCl）、氯金酸（HAuCl₄·3H₂O）、四氯钯酸钠（Na₂PdCl₄）、硝酸银（AgNO₃、无水醋酸钠（C₂H

基于纳米酶组装的ZEN SERS检测原理

如图1所示，通过水热合成制备了磁性Fe₃O₄纳米颗粒，随后进行原位COF壳层形成和AuNPs还原，制备出具有增强SERS和催化性能的MCOF-Au复合材料。同时，合成了哑铃形AuNR/Pd，用于催化4-NTP还原为4-ATP，进一步增强了SERS活性。经过ZEN适配体及其互补链的功能化处理后，两部分通过碱基互补配对组装在一起

结论

利用MCOF-Au-cDNA-apt-AuNR/Pd复合材料制备了一种SERS适配体传感器，并成功应用于ZEN的检测。采用了TEM、EDS、FT-IR、XRD、UV-Vis和Zeta电位等多种技术来表征材料的形态和性能。适配体及其互补链经过修饰，以实现纳米复合体的组装，适配体对ZEN的更高亲和力实现了选择性检测。组装过程得到了验证

CRediT作者贡献声明

王周平：项目监督和管理。韩金池：撰写 – 审稿与编辑。张沐熙：撰写 – 审稿与编辑、数据可视化、数据管理。马曦：资源获取、调查、形式分析。马晓媛：撰写 – 原稿撰写、方法学研究、资金申请、概念构思

遵守伦理标准

作者声明没有竞争利益。

利益冲突声明

作者声明没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到了国家重点研发计划（2025YFF1107501）和国家自然科学基金（32372422）的支持。