一石二鸟：一种用于花生中黄曲霉毒素 B1 同时准确检测与高效去除的中空二氧化锰纳米酶免疫传感器

《Colloids and Surfaces B: Biointerfaces》：Two birds with one stone: a hollow MnO 2 nanozyme immunosensor for simultaneous accurate detection and highly efficient removal of aflatoxin B 1 in peanuts

　　

•开发了一种具有创新双功能的H-mMnO?纳米酶纳米平台，用于黄曲霉毒素B?（AFB?）的管理•IgG接枝的高亲和力免疫传感器实现了AFB?的精准超灵敏检测•工程化的H-mMnO?纳米酶实现了无毒性且高效的AFB?去除•该平台将精准检测与绿色去污染相结合，用于受污染花生中的AFB?处理

## 引言

霉菌毒素具有高度毒性和强化学稳定性，对全球粮食安全构成重大威胁，已成为全球关注焦点[1]。其中，黄曲霉毒素B?（AFB?）是最危险的霉菌毒素之一，因其极端的毒性、致癌性、致畸性和免疫毒性，被国际癌症研究机构列为I类致癌物[2]、[3]。该广泛存在的污染物常在生产、运输和储存过程中出现在霉变谷物及其衍生产品中[4]。AFB?污染已导致多起食品安全事件，造成了巨大的经济损失、严重的食物浪费，以及对人和动物严重的、往往不可逆的健康后果[5]。因此，迫切需要开发快速、准确、高灵敏度的方法来检测和消除谷物产品中痕量AFB?。

酶联免疫吸附测定（ELISA）是实验室研究和工业应用中广泛使用的标准分析方法，具有定量能力强、特异性高、设备要求低等优点[6]、[7]。然而，传统ELISA存在一些局限性，包括灵敏度相对较低、稳定性较差、程序复杂以及需要反复洗涤。此外，在检测金属离子和生物毒素等小分子时，由于抗体结合位点不足和空间位阻效应大，ELISA可能面临挑战[8]。此外，基于传统ELISA的生物检测的主要限制在于其依赖天然酶标记抗体来产生显色信号。这些天然酶的实际应用受到制备劳动密集型、纯化成本高、易变性失活以及不稳定性差的严重阻碍。为了克服这些局限性，研究人员在提高常规ELISA的灵敏度、准确性、稳定性和操作简便性方面做出了巨大努力[9]。

纳米材料已成为改进常规ELISA的一种有前景的策略[10]、[11]。例如，SiO?、树枝状大分子、石墨烯片和金属有机框架（MOFs）等材料已被用作信号标记载体，显著提高了检测灵敏度[12]。更重要的是，许多纳米材料具有固有的类酶催化活性，即纳米酶，由于其成本效益、优异的稳定性和可重复使用性，在生物检测中引起了广泛关注，包括环境监测、生命科学和食品安全等领域[13]–[17]。

其中，氧化还原活性的二氧化锰（MnO?）纳米材料由于其优异的降解性、生物相容性和类氧化酶特性，引起了越来越多的关注，从而显著提高了检测效率[18]–[20]。此外，中空结构的MnO?（H-mMnO?）由于其中空多孔结构而表现出卓越的吸附性能，使其适用于去除重金属离子、染料、农药、有毒气体、抗生素和霉菌毒素等污染物[21]。将类氧化酶催化氧化与传统的过氧化氢（H?O?）依赖的类Fenton反应相结合，为克服直接使用外源H?O?带来的挑战提供了一种有前景的方法。

传统的AFB?解毒方法包括物理吸附、辐照、热处理和化学处理[22]。然而，这些方法存在二次污染和残留试剂或材料等缺点[23]。使用吸附剂的物理吸附可以在一定程度上减少毒素含量，但无法实现毒素的完全消除[24]、[25]。使用紫外线、X射线、γ射线或微波的辐射方法可以通过破坏其分子结构或微生物代谢来降解AFB?，从而从源头上减少毒素污染[26]、[27]。然而，高辐照剂量可能会损害食品质量并带来潜在的安全风险，需要严格的环境要求在处理过程中。高温解毒是早期最常用的方法之一。虽然高温处理可以降解AFB?，但其热稳定性（需要温度>235°C）使得该方法耗能且对食品质地和营养质量不利。此外，解毒效率严重依赖于温度和持续时间，限制了其工业应用。鉴于这些局限性，迫切需要绿色、高效且环保的AFB?去除策略。近期进展包括紫外辐照、冷等离子体处理和光催化降解，这些方法产生各种活性自由基（如O•、H•和OH•）来有效降解AFB?。然而，这些方法通常需要专门设备和高能量输入，限制了其广泛采用[28]。

在此，我们提出了一种基于中空介孔MnO?（H-mMnO?）纳米酶的创新"一箭双雕"纳米平台，该纳米酶表现出良好的类氧化酶活性，能够实现受污染花生中AFB?的同时超灵敏检测和高效率去除（图1）。在该策略中，首先通过改进的St?ber法合成单分散的二氧化硅实心纳米颗粒（sSiO? NPs）作为牺牲模板。随后，在sSiO? NPs表面可控生长介孔MnO?纳米壳，接着用Na?CO?溶液选择性蚀刻二氧化硅核以获得H-mMnO? NPs。为了实现AFB?的特异性识别，通过异双功能交联剂和Traut试剂将兔抗小鼠IgG抗体与H-mMnO? NPs偶联，从而获得H-mMnO?-IgG（图1A）。基于H-mMnO?纳米酶开发了一种抗体接枝的间接竞争ELISA（icELISA）策略，用于AFB?的现场灵敏定量。在竞争icELISA过程中，样品中的游离AFB?与固定的AFB?-BSA竞争结合有限的AFB?单克隆抗体。随后H-mMnO?-IgG结合到捕获的抗体上。接着，H-mMnO?的类氧化酶活性催化TMB的氧化，产生蓝色产物。加入H?SO?停止反应后，溶液由蓝色变为黄色，在450 nm处有最大吸光度。吸光度强度与游离AFB?浓度成反比，从而实现其定量测定（图1B）。同时，H-mMnO?纳米酶凭借其中空介孔结构和氧化活性，能够高效消除食源性AFB?（图1C）。

该创新纳米平台在AFB?管理方面具有以下突出优势：(i) 合理设计的基于H-mMnO?的系统实现了"一箭双雕"，既能超灵敏检测AFB?，又能高效去除受污染花生中的毒素。(ii) 新型IgG抗体接枝的icELISA采用H-mMnO? NPs作为优良的类氧化酶，替代了传统的辣根过氧化物酶（HRP）。与直接标记AFB?抗体相比，所提出的间接策略保留了抗体活性并实现了信号放大。得益于其卓越的类氧化酶催化性能和特异性识别抗体偶联，这一创新允许在现场以 exceptional的灵敏度和特异性检测AFB?。值得注意的是，与传统基于HRP且依赖不稳定的H?O?的icELISA不同，不依赖H?O?的操作消除了H?O?不稳定性造成的干扰，从而大大提高了检测准确性。(iii) H-mMnO? NPs独特的中空介孔结构由于其高比表面积而提供了卓越的AFB?吸附性能。同时，其固有的类氧化酶活性确保了AFB?的有效氧化降解。这种协同吸附-降解机制实现了AFB?的完全去除和解毒。(iv) 该集成纳米平台通过将灵敏检测与高效去除相结合，克服了现有方法的关键局限性，代表了霉菌毒素监测和污染控制领域的重大进步。这项工作为开发多功能纳米酶平台确立了一种新范式，该平台解决了从检测到修复的整个霉菌毒素管理链条。

## 试剂和材料

本研究中使用的所有试剂和材料均在补充信息中详细描述。

### H-mMnO? NPs的合成

H-mMnO? NPs的制备始于通过略微修改的St?ber法合成单分散的SiO?实心球[29]。在典型过程中，将45.5 mL乙醇、24.75 mL去离子（DI）水和9.0 mL浓氨水溶液在剧烈搅拌下混合形成均质溶液。随后加入4.5 mL正硅酸乙酯（TEOS）。

## H-mMnO? NPs的制备与表征

在本报告中，我们开发了具有卓越类氧化酶催化活性和强吸附性能的通用H-mMnO? NPs。这些源自其独特中空纳米结构的独特性质，使其能够应用于花生中食源性AFB?的特异性检测和高效率去除。

H-mMnO? NPs的制备过程如图2所示。简要而言，首先通过St?ber法使用TEOS合成单分散的sSiO? NPs。

## 结论

总之，我们成功开发了一种设计良好的H-mMnO?纳米酶辅助的多功能纳米平台，利用其固有的类氧化酶活性和吸附性能，实现了AFB?的高灵敏检测和高效率去除。H-mMnO?纳米酶表现出卓越的类氧化酶活性、高生物安全性和对AFB?的强特异性。通过将IgG与高亲和力的H-mMnO?纳米酶偶联作为信号标记，开发了一种创新的icELISA方法。

## CRediT作者贡献声明

李小龙：监督、数据管理。李文林：监督、数据管理。万孟娜：调查研究。赵尚义：软件、数据管理。王学勤：写作—审阅与编辑、监督、资源、项目管理、经费获取、概念构思。陈红：写作—原稿、方法论、数据管理。刘俊燕：写作—原稿、调查研究、数据管理。李翠香：监督、资源。赵英远：监督、资源。董晨。

## 基金

本研究得到河南理工大学拓新团队培育项目（编号：2025 TXTD 13）和河南省自然科学基金（编号：252300421381）的慷慨支持。

## 利益冲突

作者声明不存在可能影响本研究工作的竞争性经济利益或个人关系。

## 数据可用性

支持本研究结果的数据可根据要求提供。

## 竞争性利益声明

作者声明没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。

## 致谢

本研究得到河南理工大学拓新团队培育项目（编号：2025 TXTD 13）和河南省自然科学基金（编号：252300421381）的慷慨支持。

王学勤|刘俊燕|陈红|李文林|李小龙|赵尚义|万孟娜|赵英远|李翠香|董晨