水凝胶“锁”住纳米探针，18分钟现场检出黄曲霉毒素

黄曲霉素B1（AFB1）是一种由曲霉属真菌产生的剧毒、强致癌性次级代谢产物，极易污染小麦、大米、花生和玉米等多种农产品，严重威胁食品安全和公众健康。传统的AFB1检测方法，难以满足资源有限环境下的现场快速筛查需求。因此，开发成本低、操作简便、快速的现场检测替代方法具有重要意义。

近年来，上转换纳米颗粒作为一种新兴的发光材料，因其背景荧光低、抗光漂白能力强、化学稳定性好、发射寿命长、以及能将近红外光转换为可见光等独特光学性质，在生物传感和食品安全检测领域展现出巨大潜力。特别是核壳结构的UCNPs能有效减少表面淬灭，增强荧光效率。然而，基于UCNPs的传感器多局限于液相环境，便携性差，且长时间储存或检测易导致纳米颗粒聚集，限制了其现场应用。水凝胶，特别是具有半湿结构和长期稳定性的双网络水凝胶，为解决上述问题提供了理想载体。其中，海藻酸钠-聚丙烯酰胺双网络水凝胶以其优异的机械强度、韧性和生物相容性脱颖而出。同时，高效的淬灭剂对于构建基于荧光共振能量转移的“信号开关”型传感器至关重要。金属有机框架材料，特别是ZIF-8，因其高比表面积、良好的化学稳定性和易于功能化等优点，成为有前景的淬灭剂。本研究创新性地将核壳UCNPs、双重功能化（氨基化与铜掺杂）的ZIF-8淬灭剂与SA-PAM双网络水凝胶载体相结合，旨在构建一个高性能、适用于复杂食品基质的AFB1现场检测新平台。

研究内容

图1.传感平台的设计与检测原理

首先，将互补DNA修饰的核壳上转换纳米颗粒（CSUCNPs-cDNA，作为荧光供体）与AFB1特异性适配体修饰的双重装备NH2-ZIF-8@Cu2+（Apt-ZIF-8@Cu2+，作为淬灭受体）通过碱基配对杂交，形成传感探针（CSUCNPs-ZIF-8@Cu2+）并嵌入SA-PAM水凝胶中。在无AFB1时，供体与受体紧密接近（<10nm），发生高效的FRET，导致CSUCNPs的荧光被淬灭（“信号关闭”状态）。当AFB1存在时，其与适配体特异性结合，导致Apt-ZIF-8@Cu2+与CSUCNPs-cDNA之间的静电斥力增加，二者发生解离，FRET过程被破坏，CSUCNPs的荧光得以恢复（“信号开启”）。通过监测在980nm激光激发下477nm处荧光强度的变化，即可实现对AFB1的定量检测。

图2.CSUCNPs-cDNA的表征

TEM显示OA-CSUCNPs呈球形，尺寸均一（27.4±2.7nm），经聚丙烯酸配体交换后形貌保持不变。EDS证实了Na、Y、F、Yb、Tm等特征元素的存在。XRD图谱与六方相NaYF4标准卡片匹配，证明其良好的结晶性。FT-IR光谱显示，经PAA修饰后，油酸的特征峰减弱，同时出现了归属于羧基的C=O和O-H伸缩振动峰，证实了表面羧基化成功。最后，UV-Vis光谱显示，与CSUCNPs-COOH相比，CSUCNPs-cDNA在260nm处出现了明显的核酸特征吸收峰，证明了cDNA的成功共价连接。

图3.Apt-ZIF-8@Cu2+的表征

SEM显示NH2-ZIF-8@Cu2+保持了ZIF-8典型的菱形十二面体形貌，尺寸约0.63μm。EDS和XPS均检测到Zn和Cu元素，证实了铜的成功掺杂。FT-IR谱图中出现了归属于-NH2的振动峰和Cu-O键的振动峰。XRD谱图与ZIF-8标准谱图一致，表明功能化未破坏其晶体结构。BET比表面积测试表明，NH2-ZIF-8@Cu2+的比表面积高达1753.84m²/g，远高于普通ZIF-8，这有利于吸附更多的适配体并增强淬灭效率。UV-Vis光谱显示，修饰适配体后，Apt-ZIF-8@Cu2+在260nm处的吸光度显著增强，证明了适配体的成功固定。

图4.SA-PAM双网络水凝胶的表征

SEM图像显示，SA-PAM水gel具有均匀的多孔结构，且孔径比纯PAM水凝胶更小、更规整，这有利于提高传感探针的负载密度和检测灵敏度。DSC分析表明，SA-PAM水凝胶的热稳定性优于纯PAM水凝胶。溶胀实验显示，SA-PAM水gel在水和不同pH的PBS中溶胀比低（1.68-1.80），表明其交联网络致密，环境稳定性好。流变学测试证实了其典型的剪切变稀行为、稳定的凝胶状态（G‘>G“）以及良好的热稳定性。

图5.CSUCNPs-ZIF-8@Cu2+/SA-PAM的分析性能

随着AFB1浓度（0.1至100μg/kg）增加，荧光强度逐渐增强。荧光强度与AFB1浓度的对数在0.1-100μg/kg范围内呈良好的线性关系（R²=0.994），检出限低至0.08μg/kg，远低于中国国家标准规定的限量（5μg/kg）。与已报道的比色法、电化学法、MOF荧光传感器和UCNPs传感器相比，该传感器在检出限、线性范围和检测时间上均显示出综合优势。

本研究成功构建了一种新型的、基于水凝胶的上转换荧光传感器（CSUCNPs-ZIF-8@Cu2+/SA-PAM），用于食品中AFB1的快速、现场检测。该传感器创新性地将荧光增强的核壳上转换纳米颗粒（CSUCNPs-cDNA）与具有高比表面积和特异性识别能力的双重功能化MOF淬灭剂（Apt-ZIF-8@Cu2+）通过碱基配对组装，并稳定嵌入机械性能优异、环境稳定的SA-PAM双网络水凝胶中。其检测基于AFB1竞争性结合适配体并破坏FRET的“信号开启”机制。该传感器在18分钟内即可完成检测，对AFB1的检出限低至0.08μg/kg，线性范围宽（0.1-100μg/kg），并具有高选择性、良好的抗干扰性和可重复使用性。在实际食品样本（小麦、玉米、花生、自来水）中的加标回收实验结果与HPLC方法高度一致，证实了其作为可靠、实用的现场食品安全监测工具的潜力。这项工作为开发用于复杂基质中痕量有害物质检测的便携式传感平台提供了新策略。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.snb.2025.138594