1.引言

霉菌毒素是丝状真菌产生的有害次级代谢产物，在全球引发持续食品安全担忧，对动物和人类有广泛毒性并造成经济损失。虽已发现超300种，但仅黄曲霉毒素、玉米赤霉烯酮（ZEN）等少数在玉米、小麦等作物中常被检出。欧盟已设定相关监管限值，然而农产品常受多种霉菌毒素共污染，单一检测方法难以满足需求。现有同步检测技术中，电化学方法具快速、简便等优势，但现有生物传感器基于生物识别元件，存在复杂昂贵问题，故本研究旨在开发以纳米材料为选择性传感元件的无生物分子电化学传感器

本研究展示了一种基于NiO-MWCNT(-COOH)纳米复合材料的无生物分子电化学传感器，用于同步检测ZEN和OTA。该传感平台具有优异的导电性和电催化活性，可实现ZEN和OTA的电位分辨选择性检测。通过水热处理结合煅烧法制备NiO-MWCNT(-COOH)，并利用超声技术使NiO充分分散在MWCNT(-COOH)网络中。NiO催化剂显著促进ZEN和OTA在电极表面的电氧化，而MWCNT的特殊电流隧穿特性和高导电性大大提高了电子转移速率。此外，采用丝网印刷技术制备传感器，以展示其商业化和实际应用潜力。

图1.(a)NiO-MWCNT(-COOH)的合成和NiO-MWCNT(-COOH)基电极的制备示意图，(b)ZEN和OTA的电氧化机理，以及(c)ZEN和OTA电化学检测的应用。

2.结果与讨论

修饰电极的电化学性能：通过差分脉冲伏安法（DPV）评估不同修饰电极对ZEN和OTA氧化的响应，发现裸电极和MWCNT(-COOH)修饰电极无法分离两者氧化峰，仅能检测到ZEN峰；引入NiO后，两物质氧化峰强度均增加，且NiO-MWCNT(-COOH)纳米复合材料电极因协同效应，峰信号最显著。循环伏安（CV）和电化学阻抗谱（EIS）表明，该复合材料电极电子转移效率更高，电荷转移电阻更小。

图2.修饰电极的电化学性能。(a)在含有0.64μgmL⁻¹ZEN和2.56μgmL⁻¹OTA的0.05MPBS(pH6.0)溶液中，裸GCE和修饰GCE的DPVs。(b)修饰GCE对10μgmL⁻¹OTA的DPVs响应。(c)修饰GCE的CVs和(d)阻抗测量的Nyquist图，其中GCE分别修饰了(1)NiO和(2)NiO-MWCNT(-COOH)，测试溶液为含有0.1MKCl的5.0mMK₃Fe(CN)₆/K₄Fe(CN)₆(1:1)溶液。(EIS频率范围:100kHz-0.1Hz,振幅:0.01V)。

NiO-MWCNT(-COOH)纳米复合材料的表征：傅里叶变换红外光谱（FTIR）证实NiO的Ni-O键及MWCNT(-COOH)的羧基（-COOH）功能化成功；X射线衍射（XRD）显示复合材料中MWCNT(-COOH)的石墨特征峰和NiO的立方相结构。扫描电镜（SEM）观察到NiO为纳米薄片（400×400nm），均匀分散于MWCNT(-COOH)网络中；能量色散X射线（EDX）和X射线光电子能谱（XPS）验证了C、O、Ni元素的存在及Ni²⁺/Ni³⁺混合价态，表明材料合成成功且分散均匀。

图3.NiO-MWCNT(-COOH)纳米复合材料的表征。(a)NiO、MWCNTs和MWCNT(-COOH)的FTIR光谱；(b)XRD图谱；(c)NiO和(d)NiO-MWCNT(-COOH)的SEM图像；(e)NiO-MWCNT(-COOH)的EDX光谱；(f-i)NiO-MWCNT(-COOH)的全扫描、C1s、O1s到Ni2p的XPS光谱。

NiO-MWCNT(-COOH)/GCE的循环伏安特性：在不同扫描速率（25-250mVs⁻¹）下，NiO-MWCNT(-COOH)/GCE对ZEN和OTA的氧化峰电流均与扫描速率呈良好线性关系（R²分别为0.995和0.991），表明电极过程受吸附控制。ZEN和OTA的氧化均为不可逆过程，仅出现氧化峰，无还原峰。

图4.NiO-MWCNT(-COOH)/GCE在不同扫描速率（从内到外曲线）下的循环伏安曲线，扫描速率范围为25至250mVs^-1，溶液中分别含有(a)ZEN5μgmL^-1和(b)OTA10μgmL^-1。(c和d)分别从(a)和(b)中提取的阳极峰电流与扫描速率的关系。

pH对检测的影响：考察pH5.5-8.0范围内缓冲溶液对检测的影响，发现ZEN和OTA的氧化峰高和峰电位均随pH变化。ZEN在pH6.0时峰高最大，OTA在pH6.5时峰高最大；综合峰分离度和信号强度，选择pH6.0作为最佳检测条件，此时两者峰电位差适宜，信号稳定。

图5.(a和b)峰高和峰电位与ZEN和OTA在不同pH缓冲溶液中的关系图。DPV响应的峰高(Ih)和峰电位(Epa)定义于插图内。(c)OTA和ZEN峰电位差与pH的关系图

独立检测性能：NiO-MWCNT(-COOH)/GCE对ZEN和OTA的独立检测线性范围均为0.01-40μgmL^-1，线性方程分别为 ΔI (μA) = 0.467 × [ZEN] (μg mL⁻¹) + 0.175 (R² = 0.998)和ΔI (μA) = 0.314 × [OTA] (μg mL⁻¹) + 0.402 (R² = 0.995)，检测限（LOD）分别低至6ngmL⁻¹和15ngmL⁻¹，性能优于或媲美现有传感器。

图6.NiO-MWCNT(-COOH)/GCE对各种浓度(a)ZEN（0.01至40μgmL^-1）和(b)OTA（0.01至40μgmL^-1）的差分脉冲伏安响应。(c和d)分别从(a)和(b)中提取的ZEN和OTA检测校准曲线。峰电流变化定义为ΔI=I_ZEN-I₀。

同步检测性能：对ZEN（0.04-10.24μgmL⁻¹）和OTA（0.16-40.96μgmL⁻¹）混合溶液检测时，两者氧化峰分离明显（ZEN约0.78V，OTA约0.93V），线性范围分别为0.04-10.24μgmL⁻¹（R²=0.992）和0.16-10.24μgmL⁻¹（R²=0.991），LOD分别为15ngmL⁻¹和71ngmL⁻¹。直接读数与峰分离法结果一致，无需复杂处理。

图7.NiO-MWCNT(-COOH)/GCE对（a）不同浓度的ZEN和OTA混合物（ZEN为0.04至10.24μgmL^-1，OTA为0.16至40.96μgmL^-1）在0.05MPBS（pH6.0）中的差分脉冲伏安响应。（b和c）分别从（a）中提取的ZEN和OTA混合物检测校准曲线。

传感器性能特性：该传感器具有良好的可重用性（4次循环后RSD约5%）和重现性（传感器间差异ZEN为3.5%，OTA为1.1%）。选择性实验表明，在DON、钾、镁、葡萄糖、维生素B1等干扰物存在时，对ZEN和OTA的检测无显著影响，可直接用于复杂基质分析。

图8.传感器在检测（S）和PBS更新（R）过程中对（a）ZEN（10μgmL⁻¹）和（b）OTA（10μgmL⁻¹）的询问-再生曲线。（c）传感器间差异评估。（d）NiO-MWCNT(-COOH)/GCE在含有5μgm^-1ZEN、5μgmL^-1OTA及常见干扰物的PBS中的选择性测试，干扰物包括DON（5μgmL^-1）、钾（50mM）、镁（50mM）、葡萄糖（50mM）和维生素B1（50mM）。

丝网印刷电极的制备与性能：采用丝网印刷技术制备低成本NiO-MWCNT(-COOH)/SPE，以PET为基底，碳墨、Ag/AgCl墨分别制备工作电极、对电极和参比电极。SEM和EDXmapping显示材料分散均匀；其对混合毒素的检测线性范围与GCE一致，ZEN和OTA的LOD分别为14ngmL⁻¹和45ngmL⁻¹，且在复杂基质中选择性良好。

图9.(a)屏印电极的制备。(b)屏印电极的照片。(c)NiO-MWCNT(-COOH)修饰碳墨的SEM图像和(d)元素分布图像。

实际样品检测：将NiO-MWCNT(-COOH)/SPE用于玉米粉和小麦粉中ZEN和OTA检测，加标回收率为100.9%-109.0%，与HPLC结果一致。传感器室温储存4个月后性能稳定（RSD<3.2%），且检测快速（约20s）、需样量少（100μL），适合现场商业化应用。

图10.NiO-MWCNT(-COOH)/SPE对0.05MPBS中不同浓度的（a）ZEN和OTA混合物（ZEN浓度为0.04至10.24μgmL^-1，OTA浓度为0.16至40.96μgmL^-1）的差分脉冲伏安（DPV）响应。（b）从（a）中提取的ZEN和OTA混合物检测的校准曲线。（c）NiO-MWCNT(-COOH)/SPE在含2.56μgmL^-1ZEN、10.24μgmL^-1OTA和常见干扰物的PBS中的选择性测试，包括DON（10μgmL^-1）、钾（50mM）、镁（50mM）、葡萄糖（50mM）、维生素B1（50mM）和复杂基质。（d）NiO-MWCNT(-COOH)/SPE对真实样品（从玉米粉和小麦粉中提取）和添加了ZEN和OTA的样品在0.1MPBS中的DPV响应。

3.总结

本研究开发了一种基于NiO-MWCNT(-COOH)纳米复合材料的无生物分子电化学传感器，用于同步检测ZEN和OTA。该传感平台凭借优异的导电性和电催化活性，实现了对两种霉菌毒素的电位分辨选择性检测。在优化条件下，传感器表现出良好的分析性能，包括线性范围、检测限、选择性、可重用性、重现性和保质期。此外，利用NiO-MWCNT(-COOH)基材料成功制备了低成本丝网印刷电极，证明了该传感器的商业化潜力。该无生物分子电化学传感器在玉米粉和小麦粉实际样品中对这些霉菌毒素的检测取得了令人满意的结果，且所报道的方法符合动物饲料和食品的分析监管限值。因此，这种新开发的传感器平台可作为农业大宗商品中ZEN和OTA共污染现场常规监测的有价值替代方案，提供更简单、更具成本效益的方法。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.154807