综述：基于纳米酶的生物传感策略用于黄曲霉毒素检测：最新进展与展望

《Food Chemistry》：Nanozyme-based biosensing strategies for aflatoxin detection: Recent advances and perspectives

　　

黄曲霉毒素（AFs）是最具毒性的真菌毒素之一，对食品安全和健康具有深远影响。因此，需要痕量水平检测，例如欧盟指南规定谷物中黄曲霉毒素B₁（AFB₁）的限量为2 μg/kg。尽管传统的色谱法和基于免疫分析的检测方法可靠，但通常耗时且需要专业知识。基于纳米酶（nanozyme）的生物传感器因其提供稳定、可工程化、模拟酶的催化放大而受到越来越多的关注。在本文中，研究人员介绍了主要的AFs、基于组成和位点结构的不同类型纳米酶，并详细讨论了用于AFs的基于纳米酶的生物传感器。此外，研究人员强调了该技术面临的挑战和未来发展路径。

1. Introduction
研究人员指出，黄曲霉毒素（AFs）是最具危害性的真菌毒素之一，对全球食品安全和公众健康构成严重威胁，因其高毒性、致癌性及在农产品中的广泛存在。传统检测方法如高效液相色谱（HPLC）、液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）和免疫分析虽可靠，但耗时且需专业操作。因此，亟需快速、现场检测（POCT）技术。基于纳米酶（nanozyme）的生物传感器因其稳定的模拟酶催化放大特性而受到关注。本文聚焦于纳米酶在黄曲霉毒素生物传感中的设计、分类与整合，涵盖主要AFs类型、纳米酶分类（碳基、金属基、金属氧化物基、MOF基/MOF衍生及单原子纳米酶），以及比色、荧光、表面增强拉曼散射（SERS）、化学发光/电化学发光（CL/ECL）、电化学和光电化学（PEC）等传感模态，并总结挑战与展望。

2. Major types of aflatoxins
黄曲霉毒素（AFs）是一类二呋喃香豆素衍生物，主要分为B型（蓝色荧光）和G型（绿色荧光），其中AFB₁毒性最强，被国际癌症研究机构（IARC）列为I类致癌物。AFB₂、AFG₁、AFG₂及其羟基化代谢物AFM₁和AFM₂也常见于食品。AFB₁的C8=C9双键是毒性关键。污染主要来源于谷物、坚果、油籽等，受高温高湿环境影响。监管机构如欧盟设定了严格限量，如谷物中AFB₁最大限量为2 μg/kg，总AFs为4 μg/kg，牛奶中AFM₁为0.05 μg/kg。因此需灵敏可靠的检测方法，纳米酶生物传感器成为潜在解决方案。

3. Classification of nanozymes
纳米酶（nanozyme）根据组成和结构分为碳基、金属基、金属氧化物基、MOF基/MOF衍生及单原子纳米酶。它们主要表现出过氧化物酶样（POD-like）和氧化酶样（OXD-like）活性，用于底物氧化和电子传递。表面化学、导电性、胶体稳定性和生物共轭能力影响探针固定、电子转移和基质耐受性。

3.1. Carbon-based nanozymes
碳基纳米酶包括碳点（CDs）、石墨烯氧化物（GO）、还原氧化石墨烯（rGO）、碳纳米管（CNTs）及杂原子掺杂碳结构，通过表面缺陷、π共轭体系和掺杂调控催化活性。在黄曲霉毒素（AFs）生物传感中，它们通过π-π堆积和疏水相互作用高效负载单链DNA适配体。POD-like活性利用H₂O₂氧化TMB、ABTS等底物，支持比色分析。例如，GO-Fe₃O₄复合物用于比率荧光/比色双模态检测AFB₁，Fe³⁺掺杂介孔碳纳米球集成于纸芯片，实现智能手机定量读出的AFB₁检测。碳基纳米酶优势在于低成本、高稳定性、易修饰，但固有活性低于贵金属纳米酶，且存在非特异性吸附问题。

3.2. Metal-based nanozymes
金属基纳米酶主要包括贵金属纳米结构（Au、Pt、Pd、Ag）及其合金/核壳结构，通过表面原子构型和电子结构调控催化活性。常见POD-like和OXD-like活性，用于光学/电化学信号读出。例如，Au@Pt核壳纳米棒（图1B）提高了催化活性，PtPd纳米花通过分子印迹纳米凝胶补偿选择性不足。普鲁士蓝纳米酶作为“人工过氧化物酶”，其催化活性与金属中心氧化态动态相关。金属纳米酶在复杂基质中可能因聚集或表面中毒而失活，因此常采用分散修饰、防污界面或“按需”生成策略，如酶控铜六氰合铁酸盐纳米颗粒的即时生成。

3.3. Metal oxide-based nanozymes
金属氧化物纳米酶包括Fe₃O₄/铁氧体、CeO₂、MnO₂、CuO/Cu₂O等，通过金属中心、氧空位和缺陷表面参与氧化还原反应。Fe₃O₄纳米颗粒具有内在POD-like活性，MnO₂纳米片具有OXD-like活性，可直接氧化TMB。通过掺杂、缺陷工程和杂化构建（如氧化物-金属杂化、氧化物-导电载体杂化）可提高活性。例如，组氨酸修饰的Fe₃O₄“空间网络”结合磁三相单滴微萃取，实现快速富集和基质抑制。氧化物纳米酶在条带分析中应用广泛，如MnO₂纳米片作为催化标签，检测限15 pg/mL。但pH和离子环境会影响其活性，蛋白质和脂质易阻塞活性位点，因此常采用防污策略和导电/贵金属杂化。

3.4. MOF-based and MOF-derived nanozymes
MOF基纳米酶通过可设计的金属节点/配体、有序孔隙和微环境调控，调节底物扩散和活性位点可及性。分为三类：固有催化MOF、功能化/掺杂MOF以及MOF衍生催化剂。例如，氯高铁血红素（hemin）封装于MOF（hemin@MOF）保留POD-like功能，Ni-hemin MOF用于比色检测。ZIF-67衍生V掺杂Co@NC通过V掺杂调控电子结构，使双POD-like/OXD-like行为转向特异性OXD-like。卟啉基纳米MOF（NanoPCN-223(Fe)）具有高底物亲和力（K_m = 2.0×10^-4 M），用于增强分散MOF连接免疫吸附分析（Ed-MOFLISA），检测限0.003 ng/mL。MOF纳米酶也用于免疫分析中的催化标签，如Pt@Fe-MIL-101（约61 nm，17.33 U/mg）。此外，共价有机框架（COF）如COF@NH₂-apt-AFM₁用于适配体纳米酶，催化TMB氧化并产生荧光信号，检测AFM₁限5 pg/mL。

3.5. Single-atom nanozymes (SAzymes)
单原子纳米酶（SAzymes）以原子分散的金属原子（M-N_x）为特征，最大化原子利用率，催化活性高度依赖金属身份和电子结构。合成方法包括原子锚定、配位环境调控和双/多中心工程。例如，CNT支撑Fe-N-C SAzymes（CNT/FeNC）具有POD-like活性，OXD-like Co-N-C SAzymes用于比色传感。金属-配体双位点SAzyme（Ni-DAB）实现选择性尿酸氧化，解决纳米酶低特异性问题。双FeCo单原子位点（FeCo/NC）具有特异性OXD-like活性，单原子Fe-MNC纳米酶集成于PEC放大架构。空间工程如FePc@2D-Cu-N-C通过垂直堆叠FeN₄和CuN₄增强OXD-like活性。

4. Nanozyme-based biosensing strategies for aflatoxin detection
纳米酶整合平台通过不同信号转导机制实现黄曲霉毒素（AFs）的视觉筛查和仪器辅助定量分析，包括比色、荧光、SERS、CL/ECL、电化学和PEC传感。

4.1. Optical and luminescence-based nanozyme biosensors

4.1.1. Colorimetric sensing
比色传感通过纳米酶催化生色反应（如TMB、ABTS氧化）产生视觉信号。例如，纳米酶和适配体免疫吸附分析（NAISA）使用SiO₂/Au-Pt纳米酶，检测限5 pg/mL。Ed-MOFLISA策略使用NanoPCN-223(Fe)达到0.003 ng/mL，批内和批间变异系数0.78-3.85%。为抑制背景活性，利用纳米酶热稳定性通过焦耳加热（75-80°C）灭活玉米提取物中的内源性过氧化物酶，信噪比提高3.5倍。纳米酶-适配体侧流层析（LFA）结合智能手机检测，检测限2.2 pg/mL。纸微反应器中Fe³⁺掺杂介孔碳纳米酶增强TMB显色，检测限3.9 pg/mL。组氨酸修饰Fe₃O₄空间网络结合磁微萃取，回收率91.7-108.3%。CRISPR-Cas12a与OXD-like MnO₂纳米花用于AFM₁比色，检测限2.1 ng/L。比色传感器正转向基质耐受和高定量可靠性设计。

4.1.2. Fluorescence sensing
荧光传感通过纳米酶催化反应或界面调控改变荧光发射。例如，GO-Fe₃O₄用于比率荧光/比色双模态检测AFB₁，线性范围0.1-150 μg/L，与LC-MS/MS结果一致。COF基适配体纳米酶（COF@NH₂-apt-AFM₁）实现无标记荧光检测AFM₁，检测限5 pg/mL，回收率96-101%。碱性磷酸酶（ALP）与CuO/ZIF-8纳米酶协同催化用于比率荧光免疫传感，检测限2.4 pg/mL，但需33倍和20倍稀释处理大米和燕麦提取物。荧光纳米酶生物传感器适合定量检测，尤其结合比率或双模态以降低信号变异，但需应对基质自荧光、猝灭和散射干扰。

4.1.3. Surface-enhanced Raman scattering (SERS) sensing
SERS传感结合纳米酶催化反应和等离子体转换。例如，Au@HgNPs/Ce-CDs纳米酶中Hg²⁺诱导AuHg合金纳米颗粒，增强OXD-like活性并氧化无拉曼活性的LMG至拉曼活性MG，同时通过纳米颗粒聚集形成热点。AFB₁与Hg²⁺相互作用抑制聚集，产生“OFF”SERS响应，检测限0.08 ng/mL，回收率93.97-109.30%。AgMOF衍生银单原子催化剂（AgSAC）结合适配体控制的“催化开-关”和纳米金指示反应，产生密集电磁热点，实现双模态SERS/共振瑞利散射（RRS）检测，检测限0.002 μg/L，回收率95.0-109.3%。SERS传感器依赖热点密度和分布、聚集控制和基质背景，近期策略通过催化放大、单原子位点和双光学输出提高可靠性。

4.1.4. Luminescence sensing
化学发光（CL）传感利用纳米酶POD-like催化鲁米诺氧化，产生光子。例如，双功能Co-CD/PMOF纳米酶产生持久“辉光型”CL，检测限0.217 ng/mL。流动注射CLIA（FI-CLIA）中，AuPt@ZIF-67增强CL，检测限0.68 pg/mL，回收率81.5-110.3%。氯高铁血红素整合Tb-MOF(Fe)纳米酶用于FI-CLIA，检测限1.3 pg/mL，回收率86.92-118.87%。电化学发光（ECL）传感中，DNA walker-RCA电路与Au@Ag-Pt纳米酶结合，ECL增强17.67倍，检测限0.0272 pg/mL。CuMOF纳米酶触发自级联抗氧化链，ECL检测限0.18 fg/mL。CL和ECL传感器避免吸光度读出，但需应对快速CL衰减、试剂新鲜度和界面可重复性，近期通过辉光型CL、流动注射和核酸放大设计改善。

4.2. Electrochemical and photoelectrochemical nanozyme-based