一、 PAT 检测困境：毒性威胁与技术瓶颈

PAT 是一种含亲电基团的不饱和杂环内酯霉菌毒素，常见于霉变食品和动物饲料中。摄入含 PAT 的食品会引发肝脏、肾脏、胃肠道损伤及免疫系统毒性，甚至诱发氧化应激损伤 DNA 等生物大分子，具有基因毒性、神经毒性和致畸性。中国规定水果及其制品中 PAT 的最大允许含量为 50 微克 / 千克，但果蔬样品的复杂基质使得低浓度 PAT 的检测面临灵敏度和选择性的双重挑战。

传统检测方法如高效液相色谱、液相色谱 - 串联质谱等虽准确性高，但存在成本昂贵、检测耗时的缺陷。随着智能检测技术的发展，自供电传感器因无需外部电源、可便携检测的优势崭露头角。然而，传统自供电传感器中葡萄糖氧化酶（GOD）催化产生的过氧化氢会抑制酶活性，限制了检测范围和灵敏度。如何突破酶活性抑制瓶颈、提升信号放大效率，成为 PAT 快速检测的关键课题。

 二、技术创新：双模传感与级联放大的协同设计

1. 自供电平台的双模检测机制

研究团队构建的自供电传感平台整合了电化学与比色法两种检测模式：

• 电化学检测：通过靶标 PAT 与适配体的特异性结合，激活 DNA Walker，触发 RCA-CHA 级联反应，生成大量互补 DNA 碱基对，吸附亚甲基蓝（MB）从而改变阴极反应电位，通过瞬时电流值实现定量分析。
• 比色检测：级联反应产物吸附 MB 后，电解质溶液的 RGB 蓝色值随 PAT 浓度升高而显著变化，可通过颜色深浅直观反映 PAT 含量。

这种双模检测机制实现了优势互补：电化学模式精度更高，比色模式灵敏度更强，两者的转换关系为 1 RGB Blue = 3.5379 I - 265.3514，大幅提升了检测的可靠性。

2. DNA Walker 驱动的级联信号放大

该平台的核心创新在于设计了 DNA Walker 介导的 RCA-CHA 级联放大策略：

• DNA Walker 激活：PAT 与适配体结合后，在 Mg²⁺作用下 DNA Walker 切割发夹结构 Str，释放 DNA1。
• CHA 循环反应：DNA1 与发夹 H1 结合，打开 H1 并释放 H1-H2 复合物，DNA1 循环参与反应，形成酶免费的等温杂交放大。
• RCA 扩增：DNA1 与锁式探针在 T4 DNA 连接酶和 phi29 DNA 聚合酶作用下进行滚环扩增，生成大量重复单链 DNA，为 CHA 产物提供结合位点，最终形成 RCA-H1-H2 级联产物。

这种级联放大不仅将 PAT 的分子信号转化为核酸信号，避免了 PAT 对生物酶的抑制，还通过多步反应协同提升了信号放大效率，使检测范围拓展至 10⁻¹³–10⁻⁵ mg/mL。

3. 纳米酶共轭系统增强催化性能

为解决 GOD 活性抑制问题，团队设计了普鲁士蓝（PB）@1,3,5 - 苯三甲酸（H3BTC）@金纳米粒子（AuNPs）@GOD 共轭系统：

• PB@H3BTC 的催化优化：H3BTC 作为螯合剂减少 PB 晶体缺陷，增强电荷吸附与存储能力，其过氧化物酶样活性可分解 GOD 催化葡萄糖产生的过氧化氢，生成氧气反哺 GOD 催化循环。
• AuNPs 的电子传递强化：AuNPs 负载于 PB 表面，增加催化面积和电催化活性中心，结合 GOD 活性中心形成电子传递通路，显著提升生物阳极的催化效率。

电化学阻抗谱（EIS）表征显示，该共轭系统使生物阳极的电荷转移电阻（Rct）显著降低，稳定性测试中电压变化仅 3.8%，证明其有效提升了传感器的信号输出性能。

图 1.（A） 纳米酶的合成过程和工作机理;（B） 自供电生物传感器的制备过程细节

图 2.（A） 阴极组装过程的电化学阻抗谱：纯碳布 （a）、负载PB@H3BTC@AuNPs的纯碳布 （b）、PB@H3BTC@AuNPs 与 Cap 连接 （c）、Cap 捕获 RCA-H1-H2 产物 （d）;（B） 阳极组装过程的电化学阻抗谱：纯碳布 （a）、载PB@H3BTC@AuNPs的纯碳布 （b）、PB@H3BTC@AuNPs GOD 连接 （c）;（C） 生物电极的稳定性测试：纯碳布、生物阴极、生物阳极;（D） Cathode 对 PAT 的 DPV 响应;（E） 亚甲蓝对阴极 DPV 曲线的影响;（F） 葡萄糖对阳极 CV 曲线的影响;（G） 葡萄糖对阳极 Tafel 斜率的影响;（H） 不同材料对阳极塔菲尔斜率的影响;（I） 自供电传感器的 E OCV 测试;（J） 有目标和无目标的瞬时电流的万用表测试;（K） 阴极 DPV 响应后 PAT 对电解质颜色的影响;（L） 实际设备的万用表测试示意图

图 3.瞬时电流 （A） 和 RGB 蓝色值 （B） 与目标浓度对数的标准曲线图;（C） 生物传感器对 PAT 的 DPV 强度稳定性;（D） DPV 强度反映的生物传感器对 PAT 的选择性;（E） 生物传感器平行制备的 DPV 响应。

 三、性能验证：从实验室到实际应用的跨越

1. 超灵敏检测与宽线性范围

在优化条件下，该方法的电化学检测限为 2.8×10⁻¹⁴ mg/mL，比色法检测限为 1.8×10⁻¹⁴ mg/mL，线性检测范围覆盖 8 个数量级（10⁻¹³–10⁻⁵ mg/mL），优于多数已报道的 PAT 检测技术。差分脉冲伏安法（DPV）测试显示，加入 PAT 后阴极峰值电流提升 0.298 mA，RGB 蓝色值增加 47 个单位，信号响应显著。

2. 高稳定性与特异性

传感器在 4℃储存 12 天后，不同浓度 PAT 的 DPV 信号日平均衰减率仅 0.5–1.1%，展现出良好的长期稳定性。特异性实验中，黄曲霉毒素 B1（AFB1）、抗坏血酸等干扰物的 DPV 信号低于空白组，而 PAT 组信号显著增强，证明其抗干扰能力优异。

3. 香蕉样品的实际检测应用

在香蕉样品的加标回收实验中，该方法的回收率为 80.0–106.0%，与紫外光谱法对比显示出高度一致性。结合手机与数字万用表的便携式检测方案，实现了现场实时数据采集，瞬时电流检测信号可达 20.03 pA（10⁻⁸ mg/mL PAT），为果蔬快速检测提供了便携化解决方案。

四、未来展望：食品安全监测的新范式

该研究构建的自供电双模传感平台，通过纳米酶 - 生物酶共轭催化与核酸级联放大的协同创新，突破了传统生物传感器的灵敏度和稳定性瓶颈。其优势在于：

便携与低成本：无需外部电源，可通过万用表或手机 RGB 检测实现现场分析，适合基层食品安全监测。

普适性拓展：级联放大策略可推广至其他霉菌毒素或污染物检测，为食品多残留快速筛查提供技术基础。

未来，随着便携式检测设备的集成化发展，该技术有望在热带果蔬产地快速检测、食品加工环节质量控制等场景中发挥重要作用，为构建 “从农田到餐桌” 的食品安全防线提供关键技术支撑。

原文链接： https://doi.org/10.1016/j.snb.2025.137881