基于 PCN-224 的自校准比率荧光适体传感器用于高灵敏检测谷物中的交替醇

《Food Chemistry》：A self-calibrating ratio fluorescence aptamer sensor based on PCN-224 for the highly sensitive detection of alternariol in cereals

　　

# 摘要

交替醇（AOH）是一种新兴的真菌毒素，广泛存在于农产品中。由于长期膳食暴露所伴生的潜在健康风险，该物质已引起广泛关注。因此，本研究开发了一种基于PCN-224的比率型荧光适配体传感器。通过将PCN-224的固有荧光特性与适配体识别功能相结合，实现了对AOH的高灵敏检测。PCN-224既作为荧光平台，又作为内参信号源，实现了自校准的比率分析。在最佳条件下，该传感器在0.001–500 ng/mL范围内表现出良好的线性响应，检测限为0.449 pg/mL，同时具备良好的选择性、稳定性和重现性。该传感器已成功应用于谷物样品中AOH的检测，证明其在复杂食品基质分析中具有良好的可靠性。本研究通过将金属有机框架（MOF）荧光调控与适配体识别相结合，为真菌毒素的监测提供了一种有效策略。

# 引言

近年来，新兴真菌毒素的广泛食品污染问题和慢性膳食暴露问题日益突出。此外，由于缺乏全面的毒理学和法规数据，这些问题已逐渐成为食品安全领域的主要关切。交替醇（AOH）是曲霉属（*Alternaria* spp）代谢产物中最为典型的二苯并-α-吡酮类毒素之一（Wen等，2026）。它广泛存在于各类农产品中，包括谷物及谷物制品、番茄及番茄制品、水果、坚果和油籽（Yao等，2026）。某些曲霉属毒素具有较高的加工稳定性，因此原料中的污染可能残留至加工食品中，从而增加长期膳食暴露的可能性（Sun等，2026）。与传统真菌毒素引起明显急性中毒不同，AOH的食品安全风险主要与长期、低剂量暴露及其潜在的遗传毒性和内分泌干扰效应有关。研究表明，AOH可诱导单链和双链DNA损伤（Chu等，2026）。其主要作用机制是AOH作为DNA拓扑异构酶I和II的抑制剂，对IIα亚型表现出尤为显著的靶向选择性（Kose等，2026；Zhang等，2026）。这破坏了DNA的拓扑稳态，诱导DNA链断裂并触发DNA损伤应答。此外，AOH具有外源性雌激素活性，可干扰雌激素受体相关信号通路（Kowalska等，2026）。由于毒理学数据仍然有限，欧洲食品安全局（EFSA）尚未制定AOH的健康指导值。随后，欧盟委员会在第2022/553号建议中将AOH列为优先监测的毒素之一，并强调需要采用更灵敏的分析方法来降低暴露评估中的不确定性（Lattanzio等，2022）。目前，大多数国家尚未建立AOH的强制性限量标准（Wen等，2026）。因此，开发一种能够高灵敏检测谷物中痕量AOH的方法对于准确评估污染水平和支撑风险管理具有重要意义。当前检测手段主要包括高效液相色谱（HPLC）、高效液相色谱-串联质谱（HPLC-MS/MS）、酶联免疫吸附测定（ELISA）和免疫层析试纸条。然而，这些方法受限于仪器成本、样品前处理的复杂性、抗体稳定性或检测灵敏度等因素。因此，开发兼具高选择性、高灵敏度和稳定信号的快速传感策略具有重要的实用价值。

目前在污染物筛查领域，基于纳米探针的荧光传感器已有坚实的研究基础。它们被广泛用于重金属、真菌毒素和农药残留等目标物质的检测（Alanazi等，2025；Gao等，2026）。这些传感器系统基于纳米材料的优异光学特性和易于功能化的特点，因此通常具有操作简便、检测成本低、灵敏度高和适用于现场检测等优势。尽管基于单一纳米探针的荧光传感器在各种应用场景中已取得显著进展，但在复杂痕量样品的分析和实际应用可靠性方面仍存在局限性。这是因为这类传感器主要依赖单一发射信号或绝对荧光强度进行定量分析，导致在分析复杂痕量目标时，检测结果易受光源波动、探针浓度变化、环境pH变化以及食品基质背景荧光等因素的干扰（Gao等，2026）。这使得测试结果准确性和重现性难以保证，甚至可能导致假阳性或假阴性的风险。比率型荧光传感器的出现在一定程度上克服了这一局限。比率型荧光传感器是一种基于两种荧光信号强度比值对目标物质进行定性或定量分析的传感器（Hu等，2026）。与单一纳米探针荧光传感器相比，比率型荧光传感器具有自校准和双信号输出模式的独特优势，这主要是因为这些传感器利用参考信号来校准检测信号，从而显著提高检测的可靠性和抗干扰能力。此外，双信号输出模式还增强了检测的灵敏度和选择性（Hu等，2025）。近年来，基于荧光共振能量转移（FRET）的比率传感系统、双发射纳米探针系统和基于MOF的复合荧光探针系统在污染物检测领域均表现出优异性能，同时也为复杂食品基质中新兴真菌毒素的快速检测提供了新的设计理念。

金属有机框架（MOF）是通过金属离子或金属簇与有机配体之间的配位键自组装形成的多孔晶体材料，具有高比表面积、结构可设计性和丰富的功能化位点等特点，因此在开发比率型荧光传感器方面受到研究人员的广泛关注。PCN-224是一种典型的卟啉基金属有机框架，由Zr?簇和四(4-羧基苯基)卟啉（TCPP）配体构建而成（Song, Cao等，2026），兼具高结构稳定性和稳定的固有红色荧光。与仅提供单一荧光响应的MOF传感系统不同，PCN-224的固有荧光可作为相对稳定的内参信号（Niu等，2025；Zhong等，2025），与目标响应信号共同构成比率输出，从而减小探针浓度和复杂环境变化对单一荧光信号的影响。同时，PCN-224无需额外添加内参发光组分（Song, Zhao等，2026），有助于简化双信号系统的构建。此外，PCN-224能够与荧光标记的单链DNA形成有效相互作用，通过将其荧光信号与核酸识别元件进一步偶联，构建了比率型荧光传感系统（Xue等，2026）。核酸适配体是一类能够类似抗体发挥功能的分子识别元件，具有化学合成简便、成本低、稳定性高以及设计和修饰灵活等显著优势。与传统抗体相比，适配体更容易与荧光团或纳米材料偶联，因此其在毒素检测领域的应用也备受关注（Ugurlu等，2024）。因此，利用MOF（尤其是PCN-224）与适配体构建的比率型荧光传感器可以实现功能互补协同：PCN-224不仅参与调控FAM标记适配体的荧光信号，还通过其固有红色荧光提供稳定的内参信号（Lin等，2026）；而适配体则负责对AOH进行特异性识别，通过与互补链的竞争杂交将目标识别转化为响应信号的变化。因此，该设计与依赖单一发射信号的MOF荧光探针不同，也与仅依赖抗体-抗原结合产生信号响应的免疫学检测方法不同，而是将PCN-224的自参考光学特性与可编程的核酸识别过程整合到单一传感系统中。总体而言，利用协同优势有望克服单一纳米探针在复杂食品基质中检测新兴污染物时的局限性。此外，尽管基于适配体的真菌毒素传感研究已有开展，但针对复杂食品基质中新兴毒素检测的研究仍然有限，特别是利用PCN-224作为信号平台快速检测AOH的研究尚属罕见。

因此，本研究成功开发了一种基于PCN-224-适配体（Apt）的比率型荧光传感器，用于谷物中AOH的高灵敏检测（图4）。PCN-224既作为FAM-Apt荧光猝灭平台，又作为内参信号载体。AOH被FAM-Apt特异性识别后，抑制了其与互补链（csDNA）的杂交，从而改变了520 nm处荧光恢复的程度。通过F??? nm/F??? nm比值对AOH进行定量分析。该策略将PCN-224的荧光调控和内参功能与适配体的特异性识别能力整合到单一传感系统中，实现了自校准的信号输出，同时克服了单一荧光信号易受检测条件和复杂基质干扰的局限。通过小麦和玉米样品进一步验证了该方法在复杂谷物基质中检测AOH的可行性。本研究为新兴真菌毒素的高灵敏快速分析提供了一种新的比率型荧光传感策略。

# 章节摘要

## 试剂与化学品

4,4′,4″,4?-(卟啉-5,10,15,20-四基)四(苯甲酸)（H?TCPP）、氯氧化锆八水合物（ZrOCl?·8H?O）和N,N-二甲基甲酰胺（纯度≥99.9%，色谱级）（DMF）购自阿拉丁试剂股份有限公司（中国上海）。苯甲酸（纯度≥99.5%）、乙腈（纯度≥99.99%，色谱级）购自麦克林试剂有限公司（中国上海）。所有毒素标准品均购自普勒生物科技有限公司（中国青岛）。其他试剂均为分析纯。

## PCN-224的表征

如图1所示，PCN-224采用典型的溶剂热法合成。利用扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）分别表征了PCN-224的表面形貌和尺寸。如图2(A)和图2(B)所示，制备的PCN-224呈现出均匀的球形晶体结构，分散性良好。平均粒径为118 nm（图2C），符合纳米尺度范围。透射电子显微镜图像进一步证实了材料的微观形貌。如图2(D)所示，该…

# 结论

综上所述，本研究开发了一种基于PCN-224-适配体的比率型荧光传感器，实现了对谷物中AOH的高灵敏、准确检测。FAM-Apt与PCN-224之间的相互作用主要涉及Zr活性位点与DNA磷酸骨架之间的配位作用以及π-π堆积和氢键作用，其荧光猝灭由FRET和PET协同驱动。与传统单信号荧光传感系统不同，该系统利用…

## CRediT作者贡献声明

**Jiayu Chen**：论文撰写—审阅与编辑、论文撰写—原稿撰写、验证、方法论、调查研究、形式分析、数据整理、概念构思。

**Chuang Yang**：论文撰写—审阅与编辑、数据整理。

**Runzhong Yu**：论文撰写—审阅与编辑、数据整理。

**Han Zhang**：数据整理。

**Liyuan Zhang**：论文撰写—审阅与编辑、监督指导、资源获取、项目管理、经费获取、概念构思。

## 知情同意

本研究所有个体参与者均已签署知情同意书。

## 资助

本研究得到黑龙江省"双一流"学科最新一轮协同创新项目（项目编号：LJGXCG2025-P16）和青雁人才支持计划项目（项目编号：DQLY202401）的资助。

## 未引用参考文献

- Jiang等，2025
- Li等，2026

## 利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

**Jiayu Chen | Chuang Yang | Runzhong Yu | Han Zhang | Liyuan Zhang**