基于介孔硅限域金属有机框架的比率荧光法检测食品样品中的黄曲霉毒素B1

《Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy》：Ratiometric fluorescence detection of aflatoxin B 1 in food samples using metal-organic framework confined within mesoporous silica

　　**摘要**黄曲霉毒素B₁（AFB₁）是一种高毒性、致癌性真菌毒素，对食品安全和人类健康构成重大威胁。通过将锆基金属有机框架（Zr-LMOF）限域于氨基化介孔二氧化硅（ASBA-15）中形成复合材料，并集成Ru(bpy)₃²⁺，构建了一个稳定且灵敏的比率型荧光传感平台用于检测AFB₁。基于600 nm（Ru(bpy)₃²⁺）与423 nm或400 nm（Zr-LMOF）荧光强度比的比率检测策略，通过抑制外界干扰显著提高了检测准确性。该探针的检出限达到0.2961 ppb，在实际食品样品中表现出优异性能，回收率在97.65%至105.75%之间，相对标准偏差低于5%。获取样品提取上清液后，结合智能手机成像的荧光比色试纸条实现了现场、快速、便携检测，使该方法非常适合食品安全监测。本研究为AFB₁检测提供了一种可靠的分析策略，在食品质量控制、环境监测和公共卫生保护等领域具有潜在应用价值。**引言**真菌毒素是由丝状真菌合成的毒性次级代谢产物，沿整个食物链进行生物富集，可被生物体轻易吸收[1]。这些有害物质不仅给畜牧养殖系统造成严重损失，还直接威胁人体生理健康和长期福祉[2]，[3]。在已鉴定的数百种真菌毒素中，黄曲霉毒素B₁（AFB₁）是最为广泛分布且毒性最强烈的变体。国际癌症研究机构（IARC）已将AFB₁正式列为1类致癌物，明确确认其对人类的致癌性[4]，[5]。在此背景下，迫切需要开发高灵敏、高选择性且稳健的分析方法，用于农业产品和加工食品中AFB₁残留的超痕量检测。目前，已有多种分析技术被用于AFB₁检测。传统方法以高效液相色谱、液相色谱-质谱联用和气相色谱-质谱联用等仪器方法为主。虽然这些技术具有可靠的定量准确性，但受限于大型昂贵的实验室设备、复杂的样品前处理流程以及较长的检测周期。这些局限性使它们难以满足对食品和农产品中AFB₁残留进行现场快速筛查和高通量分析日益增长的需求[6]，[7]，[8]，[9]。为克服这些局限，生物受体介导的检测策略作为有前景的替代方案应运而生，利用单克隆抗体、重组酶和核酸适体等分子识别元件。这些方法具有卓越的目标特异性和简化的操作流程，可作为传统仪器分析的有效补充。然而，其实际应用受到持续存在的挑战的阻碍，例如由于与结构类似物的交叉反应而导致假阳性结果，以及生物受体制备、纯化和保存相关的较高生产成本[10]，[11]，[12]，[13]。相比之下，基于荧光的分析技术在AFB₁检测研究中受到越来越多的关注，这得益于其固有的高灵敏度、实时响应能力、操作简便、可集成微型化便携设备以及成本效益高等优势。作为快速发展的研究前沿，荧光传感提供了创新的概念框架和技术可行的途径来克服现有检测技术的长期瓶颈，对推进AFB₁现场监测能力具有巨大潜力[14]，[15]。在荧光分析技术的实际应用中，早期研究主要关注单信号响应模式的荧光探针。金属有机框架（MOF）相关探针在AFB₁检测方面已取得一定进展。例如，Li等人报道了一种新型锌基MOF探针，实现了AFB₁检出限（LOD）为46 ppb[16]。Li研究小组开发了锆基MOF探针，实现了AFB₁的快速检测，检出限进一步降低至19.97 ppb[17]。Wang等人提出了一种铝基"开启型"MOF探针，将检出限进一步降低至11.67 ppb[18]。然而，此类单信号响应模式存在固有缺陷：检测信号易受非目标因素干扰，限制了检测结果的准确性。为解决这一问题，比率型荧光传感器应运而生。该类传感器以两种荧光信号的强度比作为检测依据，通过双信号内部参考校准效应有效消除非目标因素的干扰，显著提高了检测的稳定性、准确性和抗干扰能力，已成为荧光传感领域的重要发展方向[19]，[20]，[21]，[22]，[23]。例如，Zhu等人将Eu³⁺掺入椭球形锆基MOF材料中，构建了检出限为2.82 nM的比率型荧光传感器，表现出优越的检测性能[21]。然而，截至目前，针对AFB₁检测的基于MOF的比率型荧光探针数量仍然有限。此外，其在复杂食品基质中的实际应用性能尚未得到充分验证和探索。此外，大多数基于MOF的探针存在固有的局限性，包括较差的水分散性和粒子团聚倾向，从而减少了活性位点和光学位点的暴露。此外，某些MOF在水环境中存在金属离子浸出的风险，严重阻碍了其在真菌毒素检测中的实际应用[24]，[25]。为解决这些分散性和稳定性挑战，介孔SBA-15二氧化硅作为一种理想的支持材料脱颖而出[26]，[27]。SBA-15具有优异的水分散性、化学惰性的二氧化硅骨架、高比表面积、有序介孔结构以及丰富的硅醇基团，为MOF的固定化提供了充足的官能位点。一方面，其大比表面积可有效抑制MOF粒子团聚，增强水分散性，确保活性和光学位点充分暴露。另一方面，其有序介孔结构拓宽了传质通道，加速了真菌毒素分子与检测位点之间的接触效率，从而缩短了检测响应时间[28]，[29]。开发稳健、高效的比率型MOF荧光探针用于AFB₁检测具有重要的学术价值，同时也填补了实际食品安全监测中的关键空白，对基础研究和实际应用均具有重要意义。本工作中，选用锆基MOF（Zr-LMOF）作为AFB₁感应的荧光响应单元，采用三(2,2'-联吡啶)钌(II)（Ru(bpy)₃²⁺）——一种具有稳定红色发射、大斯托克斯位移、卓越光稳定性和高化学耐受性的荧光团——作为比率检测的理想参考信号[30]。为制备该探针，首先将Zr-LMOF限域于氨基化介孔二氧化硅（ASBA-15）中，形成ASBA-15@Zr-LMOF复合材料。随后封装Ru(bpy)₃²⁺参考单元，得到比率型荧光探针ASBA-15@Zr-LMOF-Ru。该探针可实现AFB₁的比率荧光检测。此外，其在复杂实际样品（包括茶叶、面粉和玉米粉）中对AFB₁检测的性能得到了系统评估和验证，展现了其在实际食品安全筛查中的潜力。**分段摘要****材料和仪器**SBA-15购自南京先丰纳米材料科技有限公司，3-氨基丙基三乙氧基硅烷（APTES）购自上海索莱博贸易有限公司（Sigma-Aldrich），氯化锆（ZrCl₄）、1,2,4,5-四(4-羧基苯基)苯（H₄TCPB）、苯甲酸（C₆H₅COOH）、4-(2-羟乙基)-1-哌嗪乙磺酸（HEPES）和六水合三(2,2'-联吡啶)氯化钌(II)（Ru(bpy)₃Cl₂·6H₂O）购自能量化学。黄曲霉毒素B₁（AFB₁）、黄曲霉毒素B₂（AFB₂）、黄曲霉毒素G₁**表征**图1a展示了Zr-LMOF、ASBA-15@Zr-LMOF、ASBA-15@Zr-LMOF-Ru和Ru的PXRD图谱。Zr-LMOF在2θ = 5.0°、7.5°、9.0°和10.0°处出现明显的衍射峰，分别对应(110)、(200)、(211)和(220)晶面的反射[33]。ASBA-15@Zr-LMOF和ASBA-15@Zr-LMOF-Ru两种复合材料均保留了Zr-LMOF的特征峰，表明MOF框架结构得以保持。而未观察到与结晶态Ru相关的衍射峰。**结论**总之，本研究通过将Zr-LMOF限域于氨基化介孔二氧化硅（ASBA-15）中并引入Ru(bpy)₃²⁺作为参考信号，成功构建了一个高性能的比率型荧光传感平台，实现了对AFB₁的高选择性和高稳定性检测。基于600 nm（Ru(bpy)₃²⁺）与423 nm或400 nm（Zr-LMOF）荧光强度比的比率设计，有效消除了环境因素的干扰，实现了低至……的检出限。**利益冲突声明**作者声明，他们没有已知的可能影响本文报告工作的竞争性经济利益或个人关系。**致谢**本研究由**国家自然科学基金**（NSFC基金号：22465007）提供资金支持。作者：He Zhuojun | Liang Yuehui | Liang Kunran | Qin Shuyi | Liu Hai-Bo | Pang Yan | Wang Jing单位：广西大学化学与化工学院，南宁 530004，中国