基于偏置电压调制的光电化学适体传感器用于食品中赭曲霉毒素A和脱氧雪腐镰刀菌烯醇的双重检测

《Journal of Future Foods》：Bias voltage modulation-based PEC aptasensor for dual-detection of ochratoxin A and deoxynivalenol in food

　　

在本研究中，研究人员构建了一种基于偏置电位的光电化学（PEC）传感器，用于痕量同时检测赭曲霉毒素A（OTA）和脱氧雪腐镰刀菌烯醇（DON）。该传感器采用分割为两个区域的ITO电极。区域1涂覆有负载于N掺杂CdS/TiO₂上的Tm³⁺掺杂In₂S₃，用于OTA的光电化学检测；区域2涂覆有CdS/WO₃，用于DON的光电化学检测。通过施加不同电压，两个区域产生的电流极性可被清晰区分且互不干扰。随后，将OTA和DON适体分别固定于两个区域，构建单一传感器实现双分析物顺序检测。该研究通过施加不同偏置电压，在同一电极上实现对两种目标分析物的同时分析，无需制备两个独立电极。此外，研究已验证电极上两个区域之间互不干扰。在最优条件下，该适体传感器表现出宽线性范围（OTA和DON均为10^?5 ng/mL–10³ ng/mL）、低检测限（OTA为3.125 fg/mL，DON为3.29 fg/mL），并成功应用于常见谷物和食品中OTA与DON的检测。

**论文解读：基于偏置电压调制的双区光电化学适体传感器用于食品中OTA与DON的同时检测**

**1. 研究背景与问题提出**

霉菌毒素是真菌产生的有毒次级代谢产物，广泛存在于食品、饲料及环境中，对人类和动物健康构成严重威胁，并可造成农业经济的重大损失。长期摄入受霉菌毒素污染的食品可能引发免疫毒性、致癌性、致畸性、神经毒性和肝毒性等多种毒理学效应。赭曲霉毒素A（OTA）是一种稳定的无色结晶化合物，主要在农作物种植和储存过程中产生，慢性低剂量摄入可导致不可逆的进行性肾纤维化和肾功能衰竭。国际癌症研究机构（IARC）将其列为2B类致癌物，欧洲食品安全局（EFSA）设定OTA的每周耐受摄入量（TWI）为120 ng/kg体重。与OTA这类“储存型”霉菌毒素不同，脱氧雪腐镰刀菌烯醇（DON）的污染主要发生在作物生长阶段，高剂量暴露可诱发人体严重恶心、呕吐、腹泻和头晕等急性症状，慢性低剂量暴露可能导致免疫和消化系统损伤及潜在致癌效应。鉴于霉菌毒素难以去除且污染往往涉及多种毒素同时存在，建立便捷、灵敏的多重污染物同时检测方法至关重要。

光电化学（PEC）方法作为一种新兴检测技术，相比传统方法（如ELISA、HPLC和GC-MS）具有操作简单、易于小型化、成本低廉等优势，在霉菌毒素检测领域展现出良好应用前景。然而，PEC传感器的构建仍面临载流子复合倾向严重和光腐蚀等挑战，因此选择合适的半导体材料至关重要。金属硫化物因可见光利用效率高、能带可调性好、比表面积大和成本低等优点被广泛用于PEC传感器构建。其中，CdS虽具有适中的带隙和优良的光电转换效率，但易发生光腐蚀且光生电子-空穴复合速率较快；β-In₂S₃虽有合适的导带边位置和良好的化学稳定性，但导电性中等且光生载流子复合率较高。为克服上述局限，构建异质结和元素掺杂是可行且有效的策略。

**2. 研究内容与意义**

针对上述问题，研究人员在ITO导电玻璃基底上构建了两个独立区域，以实现偏置电压可控的OTA和DON同时PEC检测。区域1将Tm³⁺掺杂In₂S₃（Tm³⁺-In₂S₃）涂覆于N-CdS/TiO₂上，区域2采用CdS/WO₃异质结。利用上述半导体异质结的优异特性和相应电位，开发了用于OTA和DON分别检测的高灵敏PEC适体传感器。该平台的核心创新在于将两个独立的光活性界面空间集成于同一ITO基底上，通过施加不同偏置电压作为信号解析窗口区分靶标诱导的界面响应，实现了适体特异性识别、界面电荷转移调控和偏置分辨的顺序检测。该传感器成功应用于常见食品和农产品中OTA和DON的检测，结果表现出高可靠性。

**3. 主要技术方法**

本研究采用以下关键技术方法：（1）溶剂热法合成Tm³⁺-In₂S₃，通过多步法合成N-CdS/TiO₂复合材料和CdS/WO₃异质结；（2）在ITO电极上分区域滴涂光活性材料，通过EDC/NHS偶联分别固定OTA和DON适体，BSA封闭非特异性位点，构建双区PEC适体传感器；（3）采用传统三电极体系，在含抗坏血酸（AA）的PBS缓冲液中进行PEC测量，施加不同偏置电压区分两区域光电流信号；（4）利用X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、X射线光电子能谱（XPS）、紫外-可见漫反射光谱（DRS）、Mott-Schottky曲线和电化学阻抗谱（EIS）对材料结构和光电性能进行表征；（5）通过单区独立改性对照、适体交换实验和单区与双区响应比较验证区域特异性与互不干扰性；（6）实际样品检测采用全麦面包、燕麦、牛奶和面粉（购自中国山东泰安当地市场），进行加标回收实验并与HPLC结果对照验证。

**4. 研究结果**

**4.1 半导体材料的表征**

XRD分析确认了N-CdS/TiO₂、CdS/WO₃和Tm³⁺-In₂S₃的成功合成，分别对应金红石TiO₂、六方CdS、WO₃和β-In₂S₃的特征衍射峰。SEM观察显示N-CdS/TiO₂由聚集球形纳米颗粒组成，可缩短载流子体相扩散路径并降低复合概率；CdS/WO₃呈现堆叠纳米颗粒结构，可有效抑制电子-空穴复合并提供丰富活性位点；Tm³⁺-In₂S₃呈现由纳米片组成的多层球形结构，具有高效“陷光”效应和充分暴露的活性位点。XPS分析确认了各材料的表面化学组成和元素化学态，包括Cd 3d、Ti 2p、S 2p、W 4f、O 1s、In 3d和Tm 4d信号。

**4.2 偏置电压的优化**

通过测量N-CdS/TiO₂/Tm³⁺-In₂S₃在?0.1 V至?0.3 V偏压范围和CdS/WO₃在0 V至0.1 V偏压范围的光电流响应，确定了两者的临界电位分别为?0.3 V和0.1 V。当两材料共同修饰于同一ITO电极并分为两个独立区域后，在0.1 V偏压下测得的光电流与N-CdS/TiO₂/Tm³⁺-In₂S₃单独产生的光电流一致；在?0.3 V偏压下测得的光电流与CdS/WO₃单独产生的信号一致。这表明在特定偏置电压下，两个区域的光电流可被完全区分且互不干扰。

**4.3 修饰电极与PEC适体传感器的表征**

通过单区独立改性对照实验、适体交换实验和单区与双区响应比较，验证了电极上两区域间不存在交叉污染，靶标响应源于区域特异性适体固定而非非特异性吸附或区域间交叉干扰。PEC测试表明，N-CdS/TiO₂/Tm³⁺-In₂S₃复合物比单一N-CdS/TiO₂或Tm³⁺-In₂S₃产生更高的光电流，EIS显示复合后电子转移电阻降低，说明异质结构有效促进了载流子分离和电荷收集。在电极逐级修饰过程中，随着适体和BSA的固定以及靶标的特异性结合，PEC信号逐步降低，表明生物修饰层的非导电性质和对界面电子转移的阻碍作用。

**4.4 PEC适体传感器的机理**

UV-Vis DRS和Tauc plot分析表明，N-CdS/TiO₂引入Tm³⁺-In₂S₃后带隙从约2.352 eV窄化至2.078 eV，CdS和WO₃复合后带隙从2.985 eV降至2.213 eV，均拓宽了可见光吸收范围。Mott-Schottky曲线计算得到各材料的费米能级（E_f vs. NHE），N-CdS/TiO₂的E_f约为?0.42 V，形成三元复合物后正移至约?0.20 V，表明异质结构调变了界面能带排列，促进了电子-空穴分离；CdS的E_f约为?0.52 V，与WO₃复合后正移至约?0.47 V，说明界面电子重新分布产生了内建电场，有利于光生载流子的定向迁移。

**4.5 实验条件的优化**

通过系统优化确定了最佳实验条件：区域1中N-CdS/TiO₂和Tm³⁺-In₂S₃的最佳浓度均为3.0 mg/mL且涂覆体积比为1:1（各20 μL）；区域2中CdS/WO₃的最佳浓度同样为3.0 mg/mL；PBS中AA的最佳浓度为0.3 M；OTA和DON适体的最佳孵育体积均为15 μL。

**4.6 PEC适体传感器的分析性能**

对照电极实验表明，信号转导过程主要由特异性适体-靶标相互作用及由此产生的界面电荷转移调控主导。在最优条件下，OTA和DON的光电流强度在10^?5–10³ ng/mL范围内与浓度呈良好线性关系，OTA的线性回归方程为Y = 0.0697 lgc + 0.0080（R2 = 0.99367），DON的线性回归方程为Y = 0.0328 lgc ? 0.3998（R2 = 0.99074）。OTA和DON的检测限（LOD）分别为3.125 fg/mL和3.29 fg/mL（S/N = 3）。与已报道方法相比，该传感器具有更宽的线性检测范围、更高的灵敏度、更低的检测限以及多分析物同时检测能力。

**4.7 PEC适体传感器的评估**

在4 °C储存15天期间，OTA检测信号保持在初始值的78.56%，DON维持在初始值的86.80%；在连续三次光开关循环中信号无明显变化，表明传感器具有良好的储存稳定性和信号稳定性。六个独立制备电极的光电流RSD分别为OTA 2.35%和DON 5.83%，显示出良好的重现性。在含有50倍浓度干扰物（AF1、ZEN、维生素B₂、Fe³⁺、Mg²⁺、谷蛋白、葡萄糖、亚油酸）以及OTA和DON混合物的条件下，信号波动极小，证明传感器具有强的抗干扰能力。

**4.8 实际样品的回收率实验**

对全麦面包和燕麦中添加0.10、1.00和5.00 ng/mL混合标准溶液进行加标回收实验。OTA在全麦面包和燕麦中的回收率分别为95.59%–107.23%和94.51%–108.31%，RSD分别为0.74%–3.12%和1.48%–4.11%；DON的回收率分别为94.17%–106.36%和93.21%–107.64%，RSD分别为0.86%–3.08%和2.69%–4.20%。结果与HPLC测定值吻合良好，验证了传感器在实际样品检测中的可行性和实用性。

**5. 讨论与结论**

综上所述，研究人员通过将N-CdS/TiO₂/Tm³⁺-In₂S₃和CdS/WO₃两种光活性材料集成于单一ITO电极的两个独立区域，成功构建了一种双区可独立寻址的光电化学适体传感器。通过调节偏置电位，N-CdS/TiO₂/Tm³⁺-In₂S₃产生的阳极电流和CdS/WO₃产生的阴极电流被清晰区分。该适体传感器对OTA和DON均表现出宽线性范围（10^?5–10³ ng/mL），OTA的检测限为3.125 fg/mL，DON的检测限为3.29 fg/mL。实际样品中OTA和DON的检测结果有力证明了该传感器在食品霉菌毒素分析中的应用潜力。这项工作为食品和动物饲料中OTA和DON的同时检测提供了一种可行策略，同时为其他污染物的多靶标检测提供了新思路。该研究成果发表在《Journal of Future Foods》。