谷物和油脂中霉菌毒素快速检测用通用自动化超高效前处理设备

《Food Chemistry》：A universally automated and ultra-efficient pretreatment device for rapid assay of mycotoxins in grain and oil

　　摘要样品前处理是粮食和油脂中真菌毒素检测与分析中的关键步骤。传统前处理过程复杂且耗时，而手工操作往往导致检测特异性和效率低下。本研究提出了一种通用、自动化且超高效的前处理装置（GOMAPD）及其方法。通过系统阐明直接超声作用的机制，确立了应根据基质类型预先设定探头浸入深度、强度和时长的原则，为自适应参数设置提供了理论基础。该全自动化平台覆盖了整个前处理工作流程，每小时可处理24个样品，直接产出可与时间分辨荧光免疫分析（TRFIA）和高效液相色谱（HPLC）检测兼容的提取液。该方法回收率达84.01%–110.15%，相对标准偏差低于5.73%，以高效批量处理取代了手工操作。本研究为整个食品链中实用、安全、高效的检测提供了技术支持，为食品安全监测提供了一种高效可靠的解决方案。引言粮食和油脂是人类营养和日常饮食的重要组成部分。真菌毒素是各种产毒真菌在适宜环境条件下产生的天然次级代谢产物，广泛污染整个食物系统。由于作物生长、收获和储存过程中的气候、环境和运输条件，农产品容易受到真菌污染并产生有害的真菌毒素。例如，对粮食和油脂中真菌毒素的分析显示存在黄曲霉毒素B?（AFB?）和玉米赤霉烯酮（ZEN）等污染物。这些真菌毒素是农产品中众所周知的污染物，对人类和动物健康构成重大威胁。许多国家和地区已对其最高允许限量制定了严格规定。因此，开发快速、灵敏和可靠的AFB?和ZEN检测方法至关重要。其中一种平台是Sun等人最近开发的用于谷物产品中ZEN的高灵敏显色适配体传感器，其检测限达0.23 ng/mL，回收率为90.65–105.63%。已采用多种分析技术进行真菌毒素测定，包括高效液相色谱法、免疫层析法、QuEChERS法、光电化学法和化学发光免疫分析法。例如，最近开发了一种基于高灵敏单克隆抗体的用于食用油中苯并[a]芘检测的免疫层析法，解决了目标分析物高脂溶性带来的主要障碍。他们的工作表明，优化的样品前处理对于降低基质效应和提高此类复杂基质中的检测准确性至关重要。常见的前处理方法包括液?液萃取、固相萃取和QuEChERS萃取。通过样品前处理过程，目标分析物被提取和富集，干扰组分和基质效应得到降低。前处理方法的萃取和净化显著影响检测结果的准确性和精密度。传统前处理步骤，尤其是萃取和净化，严重依赖移液、涡旋、上柱、洗脱和氮吹浓缩等大量手工操作。这些步骤耗时，往往每个样品需要数小时。对人工的依赖引入了显著的操作者依赖性变异，这不利影响分析数据的稳定性和一致性。当前真菌毒素检测方法在自动化和智能化操作方面仍存在局限。尽管已经开发出初步的自动净化系统，但萃取、离心和净化的无缝集成仍不完善。因此，有必要建立一种高效且广泛适用于不同粮食和油脂基质高度的自动化前处理装置和方法。传统标准HPLC方法通常采用水浴超声进行真菌毒素萃取。然而，水浴超声存在固有局限，包括能量分布不均、空化强度低和萃取时间长，这限制了其在高通量应用中的效率。为克服这些缺点，直接探头超声作为一种更优的替代方案应运而生。超声分为直接（探头）和间接（水浴）超声。直接超声已被评估在化学和食品工业中各种过程的速率上更为有效，并已被证明在天然分子的萃取中有效。直接超声被认为是一种绿色、高效和环保的萃取技术，因为液体中空化气泡坍塌引起的破碎作用减小了粒径，增加了表面积，从而增强了传质和萃取效率。在此，基于直接超声萃取，开发了一种用于粮食和油脂中真菌毒素的通用、超高效自动化前处理装置和方法。该系统将高效探头超声萃取、自动化液体处理与在线净化相结合。该设计使得萃取、稀释、离心和净化在单一仪器内实现无缝的顺序自动化，4分钟内即可完成单个样品的前处理。所得前处理样品与HPLC和快速筛查方法均直接兼容。所提出的装置和方法显示出高准确性和高灵敏度，同时在节省时间和人力方面具有显著优势。片段自动化前处理装置自主研发的自动化前处理平台被命名为粮食油脂真菌毒素自动化前处理装置（GOMAPD）。GOMAPD由四个主要功能单元组成：自动化控制系统、液体处理和输送模块、直接超声萃取和分离模块以及在线净化模块。GOMAPD中的超声探头由独立的控制程序控制，精确调节输送给的实际功率。单因素实验采用四个平行重复来优化以下参数：萃取液中超声探头浸入深度、超声强度、超声时间、离心时间和离心速度。超声探头浸入10 mL离心管中。如图3a所示，h?表示超声探头浸入样品萃取液的深度，h表示溶液的总高度。所测量的溶液高度为45 mm。结论总之，本研究开发了一种通用、自动化且超高效的前处理平台（粮食油脂真菌毒素自动化前处理装置，GOMAPD）及其方法，以解决传统真菌毒素分析中复杂性、耗时和依赖人工等关键瓶颈问题。该装置集成了高效直接探头超声萃取、软件控制的精确液体处理和在线净化模块。通过单因素优化，……作者贡献声明余爱薇：撰写—原稿、验证、调查。王杜：撰写—审阅与编辑、形式分析。蒋军：验证、数据整理。向阳龙：形式分析、概念化。张文：验证、概念化。唐小倩：验证、数据整理。张齐：撰写—审阅与编辑、监督、资源。李培武：监督、资源。未引用参考文献Babu, Kathirvel 和 Prakash, 2025利益冲突声明作者声明，他们没有已知的竞争经济利益或个人关系，这些关系可能影响本文所报告的工作。致谢本工作得到国家重点研发计划项目（2023YFF1104603-05）、国家自然科学基金（U22A20551）以及湖北省自然科学基金一般项目（JCZRMS202602206）的资助。