便携式纳米酶传感器：现场追踪厨余堆肥中的致癌毒素AFB1，守护食品安全与环境健康

研究背景

黄曲霉毒素B1（AFB1）是一种由霉菌产生的强致癌物（I类致癌物），广泛存在于受污染的粮食和厨余垃圾中。厨余堆肥是处理有机废弃物的主要方式，但堆肥过程中若AFB1未被有效监控，其可能通过有机肥料进入土壤和食物链，威胁环境和人类健康。目前，AFB1的检测依赖液相色谱-质谱（LC-MS）或酶联免疫吸附试验（ELISA），但这些方法成本高、耗时长，且无法实现现场快速分析。此外，传统检测方法还存在诸多限制：如灵敏度不足，传统比色法易受复杂样本干扰；设备依赖性强，需要实验室环境和专业人员操作；缺乏实时性，无法动态追踪堆肥过程中AFB1的变化。因此亟需开发一种能够即时检测动态追踪的新型检测方法。

研究原理

研究团队设计了一种双金属纳米酶（UIO66-NH₂@Pt/Pd），其类过氧化物酶活性是天然酶的6倍，可高效催化显色反应（图1A）。通过将AFB1特异性适配体（Apt）修饰在纳米酶表面，形成“适配体-纳米酶”复合物。当AFB1存在时，适配体与毒素结合并脱离纳米酶表面，恢复其催化活性，从而通过颜色变化（蓝色产物）实现AFB1的定量检测（图1B）。 

图1 纳米酶催化机制与适配体调控

为了解决现场检测“最后一公里”的问题，研究人员开发了一款智能手机平台，纸基传感器浸渍纳米酶复合物后，滴加样本并显色，通过智能手机拍摄颜色变化，利用定制App（ColorPicker）分析RGB值，直接输出AFB1浓度（图2C）。这种设计无需专业设备，适合田间或堆肥现场使用。

图2 纸基传感器性能

研究亮点

1. 超高灵敏度与宽线性范围 

- 检测限低至0.082 ng/mL（远低于欧盟标准），线性范围覆盖0.1–1000 ng/mL（图3）。

图3 AFB1 检测的校准曲线及相关颜色变化

- 双金属纳米酶的协同效应（Pt/Pd）和MOF载体（UIO66-NH₂）的高分散性大幅提升催化效率（图4）。

图4 传感器纳米材料的表征

2. 精准选择性 

- 适配体特异性识别AFB1，对其他真菌毒素（如AFB2、AFG1等）无交叉反应（图2D）。 

3. 环境鲁棒性强 

- 纳米酶在复杂样本（厨余、堆肥产物）中保持稳定，相对标准偏差（RSD）<3.67%。

4. 现场追踪堆肥过程

- 首次揭示氧化剂（过硫酸钾）对堆肥中AFB1降解的有限作用（图6），提出“源头控制比堆肥处理更关键”的结论。

图6 纸质比色传感器追踪检测堆肥中AFB1变化

效果及展望

- 实际样本检测：小麦、花生等作物中AFB1含量最高达14.45 μg/kg，厨余堆肥产物中AFB1含量符合中国有机肥标准（<20 μg/kg）。 

- 与ELISA对比：检测结果一致性高（RSD<3.67%），且成本降低80%。 

此设备可以在食品安全监管（如快速筛查粮食、饲料中的AFB1污染）、环境监测（实时监控堆肥厂、垃圾填埋场的毒素释放）、以及农民或家庭用户可通过智能手机自行检测厨余安全性等多个应用场景发挥作用。后续可以朝着多毒素联检（扩展适配体库，实现多种霉菌毒素同步检测）、预处理简化（结合机器学习优化复杂样本的前处理流程）、工业化推广（开发低成本量产工艺，推动传感器商业化）等方向继续进步。这项研究不仅为食品安全与环境保护提供了创新工具，更推动了纳米酶技术在即时检测（POCT）领域的应用。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2025.138333