通过具有空间分离识别和pH自适应特性的双功能生物界面实现酒精饮料中甲卡西酮的食品安全监测

《Food Control》：Food safety monitoring of methcathinone in alcoholic beverages via a bifunctional biointerface with spatially segregated recognition and pH-adaptive

　　

摘要
将甲卡西酮（Met）等合成卡西酮非法掺入酒精饮料中代表一种新兴的食品安全威胁，需要适用于例行监测的可靠分析方法。复杂的消费基质 inherently 表现出 pH 波动和不受控制的界面电荷重分布，这降低了界面限域电化学发光（ECL）适配体传感器用于危险物质筛查的可靠性。在此，我们报告了一种理性设计的双功能生物界面，通过空间上将分子识别与环境自校准分离，直接解决了这一瓶颈。一种甲卡西酮特异性适配体确保了对目标物的选择性捕获，而共固定的 pH 响应性 C4DNA 探针在固 - 液界面 pH 3.0–6.0 范围内经历可逆的 i-基序构象转换，形成局域质子缓冲微域，动态调节界面电荷分布并抑制基质引起的信号波动。等离子体金纳米粒子与金属共价有机框架发光体之间 DNA 导向的纳米间隙调节（2–10 纳米）最大化了局域表面等离子体共振（LSPR）介导的 ECL 增强和等离子体共振能量转移（PRET），实现了目标门控的“关 - 开 - 关”信号转导。ZnO/Cu2O 异质结进一步加速了界面电子转移，以克服多孔框架固有的导电性限制。这种“识别 - 校准”协同界面为复杂现实基质中稳健纳米界面的设计确立了原则。开发的适配体传感器在酒精饮料中对甲卡西酮实现了超低检测限 9.11 × 10?16 克/升（S/N = 3），回收率为 92–108%，相对标准偏差（RSD）低于 4%，且无需 pH 调节或复杂预处理，为酒精饮料中非法精神活性物质的食品安全控制提供了一种灵敏且耐基质的筛查方法。

引言
合成卡西酮新精神活性物质（SCat NPS）在结构上衍生自卡塔植物（Catha edulis，俗称卡塔）中的天然卡西酮，由于其强烈的精神活性效果，已成为流行的安非他明替代品（Gaspar 等，2018；Shortall 等，2013；Soares 等，2021）。其中，甲卡西酮（Met），俗称“僵尸药”，由于其易于合成、高成瘾性以及诱导致命生理损伤的倾向，对公共卫生和食品安全构成了严重威胁。最近，Met 被非法掺入酒精饮料中以隐蔽分销，逃避监管监督，这对消费者保护构成了关键挑战。酒精基质的复杂组成——涵盖乙醇、糖类、有机酸和多种风味化合物——严重损害了 Met 的准确识别和定量，凸显了对可靠检测方法的迫切需求（Stepens 等，2008；Yin 等，2024；Zhang 等，2021；Zhou 等，2023）。在复杂基质（包括酒精饮料、废水和生物流体）中对其进行检测，代表了公共卫生保护和消费者安全评估的关键挑战。传统的检测方法，如液相色谱 - 串联质谱（LC-MS/MS）和气相色谱 - 真空紫外光谱（GC-VUV），往往受限于繁琐的操作和灵敏度不足，从而阻碍了其大规模应用（Guo 等，2022；Skultety 等，2017；S?rensen, 2011；Trinklein 等，2021）。因此，迫切需要开发便携式、低成本且超灵敏的检测平台，用于 Met 等危险新兴污染物，适用于消费者产品安全评估和公共卫生风险缓解，以及例行食品安全控制。

电化学发光（ECL）技术集成了电化学激发与化学发光检测，具有背景噪声低和响应迅速等独特优势，使其成为各个分析领域的关键技术（An 等，2023；Li 等，2026；Luo 等，2026；Zhao 等，2026）。尽管具有这些优点，但在复杂基质中检测目标分析物的 ECL 传感器的实际应用仍受一个关键瓶颈困扰：此类基质中的 pH 波动可导致显著的信号不稳定性。这种不稳定性损害了传感系统的抗干扰性能，严重限制了其用于实际样品分析的可靠性（X. Zhang 等，2026）。最近，Wang 等人（Wang 等，2024）报道了一种用于食品基质中呋喃海洛因检测的双机制猝灭 ECL 适配体传感器，检测限为 5.7 × 10?15 克/升；然而，对单一猝灭途径的依赖以及简单的样品基质（矿泉水和无色饮料）限制了其对 pH 变量复杂环境的稳健性。相应地，迫切需要为 Met 开发一种新颖的检测策略，该策略整合超灵敏、快速响应以及在复杂基质中的强大抗干扰能力，这对于食品安全控制和消费者保护具有深远的实际意义。

在 ECL 系统领域，高效发光体的开发对于构建高性能传感平台至关重要。为了进一步提升传感性能，越来越多的研究工作集中在功能传感材料上（X. Dong 等，2026；Y. Wang, Jiang, Dong 等，2024）。由于可调的结构、丰富的活性位点和优异的电化学性能，聚集诱导发光（AIE）材料（Huang 等，2020）、金属有机框架（MOFs）（J. Liu, Tao 等，2024；X. Wang 等，2025）和共价有机框架（COFs）（Fan 等，2025；J.-L. Zhang, Zhao 等，2021）等各种功能纳米材料已成为 ECL 研究的热点。其中，金属共价有机框架（MCOFs）代表了一类新的结晶多孔材料，集成了 MOFs 丰富的金属催化中心和 COFs 坚固的共价骨架（L. Zhu 等，2022）。因此，它们在异相催化、化学传感和分子吸附/分离方面表现出相当大的潜力（P. Dong 等，2025；S. Li, Hao 等，2024）。与单组分多孔材料相比，MCOFs 不仅具有高比表面积和明确的孔隙结构，还具有源自其共价结合框架的卓越热稳定性和化学稳定性。此外，通过理性分子设计引入的可精确定位金属活性位点提供了丰富的催化中心，有效增强了在光电传感和电催化反应中的性能（Jiang 等，2025）。因此，MCOFs 代表了一类非常有前景的发光体，为解决复杂基质中 ECL 传感面临的信号稳定性关键挑战奠定了坚实基础。然而，原始 MCOFs 存在固有的低导电性和活性位点利用率不足的问题，这限制了界面电荷传输。因此，通过合理的材料修饰增强界面电荷转移，同时通过协同机制实现信号放大，仍是该领域面临的关键科学挑战。

半导体异质结已成为克服上述瓶颈的高效策略，因为其独特的能带排列工程为提升 ECL 传感性能提供了显著优势（C. Zhao 等，2025）。在各种异质结构中，由 n 型 ZnO 和 p 型 Cu2O 组成的 II 型异质结引起了相当多的关注。其阶梯式能带排列不仅实现了快速的界面电荷转移，还赋予复合材料优异的电催化活性（Soni 等，2023；Yuan 等，2021）。最重要的是，ZnO/Cu2O 与 MCOFs 的协同组合可以补偿 MCOFs 固有的低导电性，同时为共反应物激活提供丰富的活性位点。这种策略实现了界面电荷传输和 ECL 信号放大的双重增强。因此，引入 ZnO/Cu2O 异质结是解决基于 MCOF 的传感器的导电性瓶颈和信号放大需求的理想解决方案，为高性能 ECL 平台提供了稳健的材料基础。

近年来，由于具有可逆构象转换特性，pH 响应性 DNA 探针被广泛应用于智能传感平台，为应对此类干扰提供了有效策略（Julin 等，2023；Y. Zhang 等，2022）。研究表明，i-基序结构作为一种 pH 敏感单元，具有快速可逆的构象转换和可调节的工作 pH 范围，使其成为构建环境自适应界面的理想功能模块。在本工作中，C4DNA 被选为典型的 i-基序型 pH 响应性探针，以实现界面微环境的精确调节。在酸性条件下，C4DNA 折叠成 i-基序结构，调节微环境并阻断非特异性质子结合位点，以抑制由质子迁移引起的信号波动（Chen 等，2025）。相反，在中性至碱性条件下，它展开成线性单链以确保有效的电荷传输。通过在等离子体纳米结构功能化的发光体上共同固定这些探针与目标特异性适配体，我们建立了一个具有“识别 - 校准”协同作用的双功能生物界面。这种设计在空间上将目标识别（通过适配体）与环境自校准（通过 C4DNA）分离，实现了选择性和抗干扰性能的双重增强。尽管相关领域取得了进展，但将异质结的催化功能、等离子体纳米结构的距离调节能力以及 C4DNA 的 pH 触发抗干扰特性整合到一个协同传感界面中，仍然是 ECL 传感领域急需解决的重大挑战。

基于此设计，我们构建了一种基于双功能生物界面的 pH 适应性 ECL 适配体传感器。通过将甲卡西酮特异性适配体和 pH 响应性 C4DNA 探针共固定在金纳米粒子（Au NPs）上作为双 DNA 探针，该系统创新地实现了空间分离的目标识别和原位 pH 适应。该架构以 Z-MCOF 作为高效 ECL 发光体，利用 ZnO/Cu2O 异质结加速电子转移，并通过互补 DNA（cDNA）介导的精确纳米间隙调节促进局域表面等离子体共振（LSPR）介导的 ECL 增强和等离子体共振能量转移（PRET）效应。系统通过独特的“关 - 开 - 关”机制运行：cDNA 最初在最佳等离子体距离处固定 Au NPs，触发信号放大的“开”状态；当 Met 结合时，适配体捕获目标，导致 cDNA 解离并猝灭 LSPR 增强，从而使信号返回“关”状态。同时，C4DNA 组分通过 pH 依赖的构象转换调节界面微环境，确保传感器在宽 pH 范围内具有稳定的性能。在作为代表性复杂食品基质的酒精饮料中验证的耐基质设计，为食品商品中危险物质的筛查建立了一种通用策略。

实验部分片段
试剂和材料，以及仪器和表征。试剂和材料（包括适配体序列）以及仪器和表征方法描述在补充信息中。

Z-MCOF 的合成（Liu 等，2024）。称取 Tp（25.22 毫克，0.12 毫摩尔）和 Z-Cu(Gly)2（38.10 毫克，0.18 毫摩尔）于研钵中，按摩尔比 2:3 研磨以获得均匀混合物。向粉末混合物中加入三乙胺（50 微升），然后

结果与讨论
Z-MCOFs 的表征（Liu 等，2024）。Z-MCOF 的形貌特征通过扫描电子显微镜（SEM）进行表征。Z-MCOF 的形貌随所用溶剂的不同而发生明显变化：如图 1A 所示，当分散在水相中并随后干燥时，它呈现出相对平滑的膜状/片状结构。相比之下，如图 1B 和 C 所示，在 N,N-二甲基甲酰胺（DMF）中处理导致了堆叠的块状形貌。该

结论
总之，我们构建了一种 pH 适应性 ECL 适配体传感器，用于超灵敏检测新兴精神兴奋剂甲卡西酮。本工作整合了三种设计策略：(1) 一种 pH 适应性双 DNA 探针（Apt&C4DNA），通过可逆的 i-基序转换实现同时特异性识别和宽范围（pH 3.0–6.0）pH 补偿；(2) 一个由 Z-MCOF 发光体、ZnO/Cu2O II 型异质结和金纳米粒子等离子体效应组成的信号放大级联；

CRediT 作者贡献声明
Bingxue Fan：撰写 – 审阅与编辑，撰写 – 初稿，可视化，软件，数据管理，概念化。Ding Jiang：方法学，调查研究。Ding Jiang：撰写 – 审阅与编辑，形式分析。Yanpei Zhang：方法学，调查研究。Zheng Sun：资源。Haibo Li：资源。Wenchang Wang：项目管理，形式分析。Zhidong Chen：监督，资源，资金获取。

利益冲突声明
本稿件为原创作品，未在其他地方发表，也未提交给任何其他期刊。所有作者均已批准最终版本并同意提交。我们声明没有利益冲突。

致谢
本工作得到了国家自然科学基金（编号 22378029）和常州大学电解铜箔工程技术中心的资助。作者感谢常州大学分析测试中心及 NERC 生物质中心。作者感谢科学罗盘（www.shiyanjia.com）提供 TEM 分析方面的宝贵帮助。

Bingxue Fan|Ding Jiang|Ding Jiang|Yanpei Zhang|Zheng Sun|Haibo Li|Wenchang Wang|Zhidong Chen
常州大学石油化工学院，江苏省先进催化材料与技术重点实验室，江苏常州，213164，中国