基于CNQDs-EuMOF复合物的荧光-比色双模式传感器高灵敏检测玉米赤霉烯酮

《Journal of Food Composition and Analysis》：A fluorescence-colorimetric dual-mode sensor based on CNQDs-EuMOF composite for highly sensitive detection of zearalenone

　　

研究人员通过绿色原位组装策略制备了形貌均匀、荧光强烈的CNQDs-EuMOF复合物。随后，开发了一种基于比率型荧光与智能手机比色的双模式平台，用于玉米赤霉烯酮（zearalenone，ZEN）的高灵敏检测。该传感器具有较低的检出限（limit of detection，LOD）、良好的荧光稳定性以及在复杂食品基质中强大的抗干扰能力。ZEN诱导的荧光猝灭主要遵循静态猝灭（static quenching）机制，同时伴有少量动态猝灭（dynamic quenching）贡献。所开发的传感器在谷物和牛奶样品中获得了满意的回收率，可用于霉菌毒素的快速现场筛查。

玉米赤霉烯酮（zearalenone，ZEN）是镰刀菌属真菌在谷物收获、储存和加工过程中产生的有毒霉菌毒素，广泛存在于全球食品供应链中，具有强雌激素活性，长期暴露可导致生殖系统紊乱、免疫抑制甚至潜在致癌性。目前权威检测方法如高效液相色谱-串联质谱法（HPLC-MS/MS）准确但依赖昂贵仪器和专业人员，难以满足现场快速筛查需求；免疫学方法虽操作简便，但抗体稳定性差、易受基质干扰；适配体方法则存在构象易变和修饰复杂等问题。因此，亟需开发灵敏、稳定、低成本且适用于复杂食品基质的ZEN现场检测技术。碳量子点（carbon quantum dots，CNQDs）具有荧光性能优异、生物相容性好等优点，但单一CNQDs对ZEN选择性不足；铕基金属有机框架（europium metal-organic framework，EuMOF）具有多孔结构、大比表面积和特征荧光，可选择性富集目标分子。将二者复合有望协同提升检测性能，并构建比率型荧光-比色双模式传感器，实现ZEN的灵敏视觉检测。

研究人员通过绿色原位组装策略成功制备了CNQDs-EuMOF复合物，利用ZEN与复合物的特异性相互作用引起荧光比率信号和溶液颜色的同步变化，建立了荧光-比色双模式定量检测方法，并结合智能手机和便携式紫外灯实现现场分析。该传感器在谷物和牛奶实际样品中表现出良好的准确性和重复性，为其他霉菌毒素的快速筛查提供了可行的技术参考。

主要关键技术方法包括：采用绿色原位组装法制备CNQDs-EuMOF复合物；基于比率型荧光信号I₆₁₀/I₄₁₀和智能手机提取RGB颜色参数构建双模式定量平台；通过荧光寿命、紫外吸收光谱和密度泛函理论（DFT）第一性原理计算探究猝灭机制；利用加标回收实验验证实际样品适用性。样本来源为市售玉米粒、小麦粒和牛奶。

**3.1 CNQDs和CNQDs-EuMOF的表征**：透射电子显微镜（TEM）显示CNQDs尺寸均匀（平均直径3.42 nm）、分散性良好；CNQDs-EuMOF呈纺锤状棒状晶体，高结晶度且无游离CNQDs聚集体。能谱（EDS）元素图谱证明Eu、C、N、O均匀分布，N元素与EuMOF形貌高度吻合，证实CNQDs有效负载并均匀分散于EuMOF孔道。傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和X射线光电子能谱（XPS）进一步确认复合物表面富含羧基、羟基、氨基等官能团，且复合过程未破坏EuMOF晶体结构。

**3.2 CNQDs和CNQDs-EuMOF的光谱性质**：紫外-可见吸收光谱显示CNQDs在220–298 nm处有π-π*跃迁宽吸收带，318–396 nm处有n-π*跃迁肩峰；EuMOF在280 nm处出现配体π-π*特征吸收；复合物在228–370 nm呈现连续增强吸收，保留了MOF吸光能力。CNQDs的最佳激发/发射波长为360/436 nm，量子产率（quantum yield，QY）为23.7%。与纯CNQDs相比，CNQDs-EuMOF在不同激发波长下发射峰位置固定，表明EuMOF有效钝化了低能表面缺陷态，最佳激发波长选为340 nm，在410 nm和610 nm处出现强发射峰。CIE色度图分析结果与肉眼观察颜色一致。

**3.3 ZEN的荧光-比色双模式检测**：在最优条件下，随ZEN浓度升高（0–400 ng/mL），610 nm处荧光强度逐渐下降而410 nm处基本稳定，比率信号I₆₁₀/I₄₁₀与ZEN浓度呈良好线性关系（y = -0.00019x + 0.11233，R2 = 0.9937），检出限（LOD）为3.39 ng/mL。同时，传感器荧光颜色由红色逐渐转变为蓝色，智能手机提取的R/B值与ZEN浓度线性相关（y = -0.0019x + 0.75565，R2 = 0.9776），LOD为7.14 ng/mL。CIE色度图变化趋势与肉眼观察高度一致，验证了视觉检测的可靠性。与已报道方法相比，该传感器线性范围宽，无需昂贵生物识别元件，且支持智能手机可视化检测。

**3.4 CNQDs-EuMOF的稳定性和抗干扰评估**：储存20天、NaCl浓度0–1 M、温度15–55 °C以及酸性至中性条件下，比率信号I₆₁₀/I₄₁₀均保持稳定；强碱性条件下信号显著下降，归因于OH^-与Eu³⁺的配位竞争破坏MOF骨架，削弱天线效应。抗干扰实验表明，ZEN能显著降低I₆₁₀/I₄₁₀，而黄曲霉毒素B1（AFB1）仅引起微弱变化，赭曲霉毒素A（OTA）、脱氧雪腐镰刀菌烯醇（DON）及金属离子、葡萄糖等干扰物几乎无影响，RGB颜色差异也呈现同样趋势，证明传感器对ZEN具有高度选择性。

**3.5 样品中ZEN的加标回收评估**：在玉米、小麦和牛奶真实样品中添加ZEN（50、100、200 ng/mL）后，比率型荧光法的回收率为91.96%–103.64%，相对标准偏差（RSD，n=3）为3.15%–8.92%；智能手机比色法的回收率为95.28%–114.36%，RSD为2.72%–8.57%。结果表明该传感器准确度高、重复性好，可用于实际样品检测。

**3.6 传感器对ZEN的响应猝灭机制**：Stern-Volmer曲线呈向上弯曲趋势，提示多种猝灭机制共存。荧光寿命测试显示加入ZEN后平均荧光寿命从375.20 μs缩短至338.34 μs，证实存在动态猝灭；紫外吸收光谱出现红移和峰形改变，表明基态复合物形成，证实存在静态猝灭。DFT计算显示ZEN通过酚羟基与EuMOF中2,6-萘二甲酸（NDC）配体直接结合，结合能为?10.51 kcal/mol，该特异性结合干扰配体向Eu³⁺的能量转移，削弱天线效应并导致荧光猝灭。ZEN吸收光谱与CNQDs-EuMOF激发/发射谱无明显重叠，且荧光寿命显著变化，排除了内滤效应（inner filter effect，IFE）的贡献。采用改进的混合猝灭Stern-Volmer模型拟合，得到动态猝灭常数K_D=0.116 μM^-1，静态猝灭常数K_S=0.754 μM^-1，静态猝灭贡献约86.7%，动态猝灭贡献约13.3%，表明猝灭过程以静态猝灭为主，伴随少量动态猝灭。

综上所述，本研究通过绿色原位组装法制备了CNQDs-EuMOF复合物，构建了用于谷物和牛奶中ZEN检测的荧光-比色双模式传感器。该传感器在不同环境条件下具有良好的荧光稳定性。比率型荧光（I₆₁₀/I₄₁₀）检出限为3.39 ng/mL，智能手机比色方法为7.14 ng/mL，并伴有明显的红到蓝荧光转变，可用于裸眼识别。ZEN诱导的荧光猝灭以静态猝灭为主导，动态猝灭贡献较小。传感器对ZEN具有高选择性，实际样品加标回收率令人满意（91.96%–114.36%，RSD≤8.92%）。该双模式传感器操作简单、成本低、响应快，可用于ZEN的现场快速筛查，并为其他霉菌毒素的快速检测提供技术参考。