集成荧光 - 比色 - 智能手机可视读取的比率法三模式适配体传感器用于现场卡那霉素检测

《Food Bioscience》：Ratiometric triple-mode aptasensor integrating fluorescence-colorimetric-smartphone visual readout for on-site kanamycin detection

　　

一种用于链霉素的比率型三模式适配体传感器，具有自校准功能。• 三模式策略通过荧光/化学发光/视觉三信号读出实现自验证。• 自主开发的小程序实现基于智能手机的现场筛查。• 在食品和环境样品中完成验证，回收率优异。

引言

链霉素（KAN）是一种源自卡那霉素链霉菌的广谱氨基糖苷类抗生素，在临床和兽医领域广泛应用。其临床价值源于其对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌感染均具有显著的治疗效果（Shao, Yang, Wang, Zeng, & Xie, 2025）。然而，由于其固有的稳定性和抗降解特性，此类抗生素的过量使用可能导致其以原始状态在环境中残留积累，或通过动物排泄以代谢副产物的形式释放（Chen et al., 2023; Tang, Li, Yang, & Zhang, 2020）。更重要的是，动物源性食品（如蜂蜜、禽蛋和肉类）中的链霉素残留通过膳食暴露途径在人体内长期积累，可能引发肠道菌群失调、耳毒性、肾毒性、过敏性和抗生素耐药性风险（Adenaya et al., 2024; Yumeng Li et al., 2023）。因此，欧盟（EU）和中国均已对动物源性食品中的KAN实施了严格的最大残留限量（MRLs）。欧盟明确规定鸡蛋中不得检出KAN（Lima, Leite, Oliveira, & Freitas, 2024）。鉴于氨基糖苷类抗生素具有高水溶性特征，而蛋白含量为主的蛋白性蛋白质的蛋清相比富含脂质、脂蛋白和类胡萝卜素的蛋黄会导致非特异性吸附和背景干扰，蛋清基质更为简单，能最大限度地减少这些效应，使其成为方法验证的首选样品。

当前链霉素检测的分析技术主要包括传统仪器分析和利用分子识别元件的生物传感方法（Shang, Ma, Khan, Yang, & Wang, 2024）。例如，高效液相色谱（HPLC）（X. Zhang, Wang, Wu, Li, Wang, & Yang, 2019）和液相色谱-质谱联用（LC-MS）（Marcon, Rüdt, Klein, & Miladinovi?, 2025）需要大型设备、专业人员和复杂的样品前处理步骤，无法进行快速现场筛查。基于抗体的方法如酶联免疫吸附测定（ELISA）和侧向流免疫分析（LFIA）已被广泛商业化，并成功用于常规检测。然而，抗体的生物识别性能易受环境因素（如温度和pH值）影响（C. Li, Zhang, Eremin, Yakup, Yao, & Zhang, 2017; T. Liu et al., 2023; Lv et al., 2023），可能导致批次间差异，从而降低其在某些现场或实地应用中的稳定性和重现性。因此，开发灵敏、可靠、快速的链霉素监测分析方法至关重要。

在抗生素检测领域，适配体生物传感器（aptasensors）已成为传统方法的有吸引力的替代品。适配体作为这些传感器的生物识别组分，是由指数富集配体系统进化技术（SELEX）产生的短单链DNA或RNA序列，能够折叠成靶标特异性的三维构象（S. Qi et al., 2022）。它们通常通过非共价相互作用（包括疏水作用、π-π堆积、氢键和范德华力）与靶标小分子结合，表现出高亲和力、高特异性、可编程性和优异的化学稳定性等显著特征（Han, Ma, Khan, Zhang, & Wang, 2023; Asumadu et al., 2026）。与传统抗体相比，适配体具有独特优势，包括更优异的稳定性、更低的毒性、出色的重现性和易于合成，从而成为抗体的强大替代物（Du, Liu, Wang, Guo, & Lin, 2021; Q. Zhang et al., 2025）。

同时，将功能纳米材料引入适配体传感器显著拓展了其检测能力。在这些纳米材料中，金属有机框架（MOFs）凭借其独特的结构可调性和优异的物理化学性质，已被证明是构建比率型荧光传感系统的理想候选材料（L. Yang, Song, & Wang, 2020; Y. Zhao, Zhao, He, Cheng, & Wang, 2026; Yaru Li et al., 2023; D.-S. Zhang et al., 2025）。在此基础上，功能化MOFs凭借其卓越的谱学特性和出色的化学稳定性，为高性能荧光传感提供了坚固的骨架（C. Li et al., 2023; Jihao Li et al., 2026）。碳点（CDs）通常通过两种途径合成：自上而下法和自下而上法（Y.-T. Yang et al., 2024）。采用绿色化学策略通过自下而上法合成的CDs不仅具有环境友好性和良好的生物相容性，还展现出显著的光学性能，包括突出的光稳定性、强抗光漂白性和可调发射波长（Somaprakash & Badiya, 2025; Qiao et al., 2024）。基于上述材料，可以构建双发射荧光探针。与传统单发射荧光探针相比，双发射探针通过内部参照机制有效消除了由环境波动和仪器操作差异引起的信号干扰，显著提高了检测的稳健性和准确性（S. Liu, Zhao, Yuan, Gao, & Zhang, 2025）。此外，金纳米粒子（AuNPs）作为高效的荧光猝灭剂，同时其独特的表面等离子体共振（SPR）效应为比色检测提供了简便直观的视觉读出方式（Bala, Kumar, Bansal, Sharma, & Wangoo, 2016）。这种协同效应为视觉半定量分析和高精度定量分析提供了可能。

荧光和比色适配体传感技术因其出色的灵敏度、快速性和操作简便性而备受关注（G. Liu et al., 2022）。例如，Qi等人利用两种高亲和力分裂适配体片段，在靶标诱导下可自组装为三明治复合物（X. Qi et al., 2026）。结合滚环扩增（RCA）的信号放大策略，构建了用于牛奶样品中链霉素分析的荧光适配体传感器。Cui等人开发了基于羧基氧化石墨烯（cGO）的双模式链霉素传感器（Cui et al., 2026），而Raza等人利用金纳米粒子和封装在氨基功能化二氧化硅中的上转换纳米粒子（UCNPs@SiO?-NH?）建立了镧系共振能量转移（LRET）/比色适配体传感器（Raza et al., 2026）。最近，Xu等人通过二价适配体模板化银纳米粒子（BApt-AgNPs）和银纳米团簇（BApt-AgNCs）结合智能手机支持的RGB验证，实现了荧光/比色链霉素检测（Xu et al., 2026）。与此并行，一种原位结构域限域CoIrOx/CoIr-MOF体系也被报道可实现荧光、比色和化学发光多模态读出，用于交叉验证检测（M. Yan, Meng, Bao, Wang, & Yang, 2026）。除了传感之外，多模态平台在其他应用中也展现了明显优势（L. Yan et al., 2024）。尽管这些平台丰富了信号读出方式，但其各通道通常独立获取并依赖绝对信号强度。因此，这些读出方式仍然容易受到温度、pH值和湿度等环境波动，以及仪器不稳定性和探针浓度变化的影响，从而降低了其可靠性和重现性（G. Liu et al., 2023）。为了克服这种基于强度读出的固有局限性，提出了一种基于适配体的比率型传感策略，通过利用双响应信号比值而非绝对强度实现自校准，从而补偿系统误差并增强稳健性（H. Zhang, Feng, Guo, & Zhou, 2013）。此外，将荧光、比色和视觉读出整合到三模式平台中，通过独立信号通道间的交叉验证实现自验证，减少了假阳性/假阴性，同时拓宽了适用范围。结合配备自主开发小程序的智能手机辅助平台，实现RGB值自动提取和可视化，该策略可无需大型设备即可进行无仪器化的快速现场定量，为食品和环境样品的常规监测展现出广阔前景。

基于上述考虑，本研究开发了一种新型比率型荧光/比色和智能手机辅助的三模式视觉传感平台，用于灵敏检测链霉素。传感策略如图1所示。简要而言，通过水热法合成NH?-MIL-53(Al)和CDs，然后通过物理混合适配体功能化CDs与NH?-MIL-53(Al)制备NH?-MIL-53(Al)/CDs@apt荧光纳米探针。该策略基于链霉素与其适配体间的高亲和力相互作用介导的竞争性置换模型，将双发射NH?-MIL-53(Al)/CDs@apt纳米探针与AuNPs的等离子体比色响应相结合。在无链霉素存在时，阳离子PDDA静电吸附在纳米探针上，同时招募AuNPs到其附近。重要的是，非过量PDDA不足以引起AuNPs聚集，从而保持其分散状态。这些分散的AuNPs通过IFE有效猝灭两种荧光发射，同时保持其特征红色。当引入链霉素后，适配体优先与链霉素结合，触发PDDA从探针表面释放。释放的PDDA则诱导AuNPs聚集，减弱IFE并恢复荧光信号，同时伴随由于SPR峰红移导致的从红色到灰色的可见颜色转变。荧光强度比率（F???/F???）和吸光度比率（A???/A???）的变化与链霉素浓度呈线性相关，通过补偿探针浓度引起的信号漂移实现自校准。同时，三模式策略通过荧光、比色和视觉信号间的交叉验证实现自验证。此外，为了便于现场部署，进一步建立了配备自主开发小程序的智能手机辅助平台。该平台可在自然光下通过自动提取RGB值实现快速、无仪器化的链霉素定量，为食品和环境样品的常规监测展现出巨大前景。

各章节摘录

材料与分析试剂

硫酸链霉素（STR）、新霉素（NEO）、土霉素（OTC）、多西环素（DOX）、链霉素（KAN）和聚二烯丙基二甲基氯化铵（PDDA）购自上海阿拉丁生化科技有限公司。四环素（TET）、核黄素、2-氨基对苯二甲酸（NH?-BDC）、1-(3-二甲基氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺（EDC）和N-羟基丁二酰亚胺（NHS）购自上海源叶生物科技有限公司。九水合硝酸铝（Al(NO?)??9H?O）购自山东……

材料表征

SEM图像显示，合成的NH?-MIL-53(Al)呈现出由金刚石立方体组装而成的三维星形结构，与此前报道一致（Fang et al., 2019）（图1A和B）。EDS分析（图1C）及相应的元素映射图证实了Al、C、N和O的存在及其在整个框架中的均匀分布（图1D），验证了NH?-MIL-53(Al)的成功制备。AuNPs的TEM图像证实AuNPs均匀……

结论

综上所述，本研究提出了一种具有智能手机辅助响应的比率型荧光/比色三模式适配体传感平台，可用于链霉素的灵敏、快速和可视化现场定量检测。具体而言，分散的AuNPs通过IFE高效猝灭了NH?-MIL-53(Al)/CDs@apt探针的双发射荧光。在目标链霉素存在时，链霉素与探针表面固定的阳离子PDDA发生竞争性结合，导致PDDA释放……

作者贡献声明

乔晶文：验证、软件、调查、数据整理。刘若薇：验证、调查、数据整理。张佳云：验证、调查、数据整理。王梦蔚：验证、调查、数据整理。吴子健：写作—审阅与编辑、验证、监督、资源、资金获取。李芳：写作—审阅与编辑、验证、监督、项目管理、方法论、概念化。许长平：写作—原始草稿、验证……

未引用参考文献

Li et al., 2021; Li et al., 2026; Li et al., 2023; Li et al., 2023; Liu et al., 2025; Liu et al., 2023; Liu et al., 2023; Zhang et al., 2025; Zhang et al., 2026; Zhang et al., 2019; Zhang et al., 2025。

利益冲突声明

所有贡献作者声明，他们没有与本手稿所描述的工作相关的利益冲突。

数据可用性

本研究中未生成或分析数据集。

竞争利益声明

作者声明，他们没有任何已知的可能影响本论文所报道工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究受天津市企业科技特派员项目：分布式智慧能源安全监测系统开发（24YDTPJC00770）和海南省国际科技合作计划（GHYF2025021）资助。

李芳 | 许长平 | 乔晶文 | 刘若薇 | 张佳云 | 王梦蔚 | 吴子健