利用智能手机辅助的分子印迹荧光水凝胶微针技术在水果表面现场检测Patulin（一种霉菌毒素）

《Talanta》：Smartphone-assisted molecularly imprinted fluorescent hydrogel microneedles for on-site screening of patulin on fruit surfaces

　　

摘要

Patulin（PAT）是一种常见的霉菌毒素，经常存在于水果及其衍生产品中，因此需要快速、便携且可视化的方法来进行现场食品安全检测。本文介绍了一种基于明胶甲基丙烯酰（GelMA）/量子点负载的分子印迹聚合物（QDs@MIP）水凝胶微针平台，该平台结合了分子印迹识别技术、量子点荧光转化和微针辅助采样技术。QDs@MIP颗粒使用量子点作为荧光探针，分子印迹聚合物作为选择性识别层，嵌入到GelMA微针中。多尺度表征验证了QDs@MIP的成功制备以及在印迹和微针封装后红色荧光的保持。所得微针具有明确的阵列结构、均匀的荧光分布、快速的膨胀性能、弹性凝胶网络特性以及可靠的抗压能力，能够实现与水果表面的紧密贴合和原位采样。在优化条件下，PAT的结合和富集伴随着约662纳米处的荧光减弱以及365纳米紫外-可见光照射下的颜色变化。通过智能手机辅助的红绿蓝（RGB）分析，将荧光变化转化为定量信号，其中R/G比率作为PAT检测的分析参数，检测限（LOD）为0.009 μg L?1，定量限（LOQ）为0.1 μg L?1。该方法在多种水果基质中的回收率在82.0–112.0%之间，并与UPLC–MS/MS分析结果高度一致。此外，这些微针具有酶降解和土壤降解潜力，且无明显体外细胞毒性。这项工作提供了一种便携、可持续且用户友好的方法，用于快速现场检测水果中的PAT。

引言

Patulin（PAT）主要由如Penicillium expansum等真菌产生，常污染水果（尤其是苹果和梨）及其加工产品，尤其是在水果受损或储存不当的情况下[1]。由于其对胃肠道、免疫系统和基因的毒性，可靠的PAT监测对食品安全控制和法规遵从性至关重要[2]。传统的实验室方法（如液相色谱法）虽然灵敏度和准确性较高，但通常需要繁琐的样品预处理、复杂的仪器设备以及训练有素的操作人员，限制了其在现场快速检测中的应用[3]。免疫测定[4]和分光光度法[5]也已被探索过。然而，仍需要一种便携、选择性强、灵敏度高且易于读取的现场检测方法。

分子印迹聚合物（MIPs），常被称为“人工抗体”，其识别腔体在形状、大小和功能基团上与目标分子相匹配，从而实现选择性分子识别[6]。与天然抗体相比，MIPs具有成本低、制备简单、化学稳定性高和耐受恶劣环境等优点，使其适用于复杂食品基质中小分子的检测。因此，它们越来越多地被用于霉菌毒素的分离、富集和传感。

量子点（QDs）具有强荧光性、窄发射带和高光稳定性，可调发射波长，使其成为光学传感的理想信号转换器[7]。将QDs与MIPs结合，可以实现对荧光输出的选择性控制，并提高分析性能。结合荧光和比色读出的多模式传感策略可通过信号交叉验证进一步提高可靠性。例如，Hatamluyi开发了一种基于N-QDs和Au@Cu-MOFs的分子印迹电化学传感器，用于苹果汁中PAT的快速、低成本、高灵敏度和选择性检测[6]。然而，许多QDs@MIP传感系统仍依赖于溶液相提取、试剂混合和外部仪器，这限制了其在现场的实际应用。

水凝胶微针因其在生物传感、生物流体采样和食品分析中的微创采样、灵活附着和现场适用性而受到关注[8]。与基于溶液的方法不同，它们可以直接应用于样品表面进行原位提取、富集和信号响应，尤其适用于不规则表面如水果[9]。GelMA是一种光交联明胶衍生的水凝胶，具有良好的可塑性、亲水性和生物降解性，适合制备柔性微针[10]。将QDs@MIP颗粒嵌入GelMA微针中，可以提高其便携性、可视读数和实际应用性，同时保持选择性分子识别能力。

基于这些考虑，本研究开发了一种结合分子印迹识别、量子点荧光响应和GelMA水凝胶微针采样的可视化检测平台，用于快速检测水果中的PAT。首先，使用量子点作为荧光信号单元制备QDs@MIP，然后将其嵌入GelMA水凝胶微针中，形成GelMA/QDs@MIP复合微针。这些微针可以直接附着在水果表面，实现原位提取和PAT识别，PAT的结合伴随着荧光减弱和颜色变化。通过进一步将平台与智能手机支持的RGB图像分析结合，荧光颜色变化被转化为可量化信号，从而实现PAT的便携式可视化检测。系统评估了该平台的结构特性、光学性能、检测条件、选择性、稳定性、实际样品适用性、材料降解性和细胞相容性。与以往主要关注样品提取或制备后提高分析灵敏度的MIP基PAT传感器不同，该平台实现了直接的水果表面采样、分子识别和智能手机辅助的荧光读出，提供了更为集成化的现场检测格式。

部分摘录

化学试剂

尿素、2-氧吲哚、丙烯酰胺（AM）、乙二醇二甲基丙烯酸酯（EGDMA）、2,2′-偶氮二（2-甲基丙腈）（AIBN）和GelMA均购自中国Aladdin Chemistry Co., Ltd.。PAT标准品（≥98%）购自中国Macklin。所有化学试剂均为分析级，无需进一步纯化即可直接使用。

QDs@MIP的合成

将0.133克dummy模板（2-氧吲哚）和0.517克功能单体丙烯酰胺（AM）溶解在50毫升乙腈/甲苯（4:1，v/v）混合液中

结果与讨论

如图1所示，本研究开发了一种结合了分子印迹识别、量子点荧光响应和GelMA水凝胶微针采样的平台，用于快速、可视化且借助智能手机的PAT检测。首先使用CdSe/ZnS量子点作为荧光探针，丙烯酰胺（AM）和2-氧吲哚分别作为功能单体和dummy模板，通过分子印迹聚合制备QDs@MIP。所得QDs@MIP具有针对PAT的特异性识别腔体

结论

本研究开发了一种基于GelMA/QDs@MIP的水凝胶微针平台，用于快速、可视化且借助智能手机的PAT检测。分子印迹识别、量子点荧光转化、水凝胶微针采样和RGB图像分析的结合实现了对水果表面PAT的选择性和定量检测。GelMA/QDs@MIP微针具有良好的结构完整性、荧光稳定性、膨胀能力和机械性能

CRediT作者贡献声明

Keyu Sun：撰写 – 原初稿、方法学设计、数据整理。Ziwuzhen Wang：撰写 – 审稿与编辑、验证。Shuhong Ye：资金获取。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了中国国家重点研发计划（2024YFF1106601）的财政支持。

Keyu Sun|Ziwuzhen Wang|Shuhong Ye

大连工业大学食品科学与技术学院海洋食品加工与安全控制方向，中国辽宁大连116034