双信号光电化学/方波伏安生物传感器，用于同时检测β-乳球蛋白和Ara h1

《Food Bioscience》：Dual-signal photoelectrochemical/square wave voltammetric biosensor for simultaneous detection of β-lactoglobulin and Ara h1

光电化学传感器同时检测牛奶过敏原β-乳球蛋白（BLG）和花生过敏原1（Ara h1），通过HOF-101和铁ocene生成双信号，G-四联体/血红素复合物放大PEC信号，方波伏安法增强SWV信号，检测限分别为12和14 ng/mL，适用于食品安全和临床诊断。

　　

张书敏|夏秀琪|邹可欣|魏杰|陈敏|陈晓梅

厦门集美大学海洋食品与生物工程学院，中国厦门361021

摘要

双信号/双目标策略提高了生物传感器的准确性和效率。本文将方波伏安法（SWV）与光电化学（PEC）技术相结合，开发了一种双信号生物传感器，用于同时检测β-乳球蛋白（BLG）和花生过敏原1（Ara h1）。HOF-101和铁芬作为PEC和SWV信号发生器，而G-四链体/血红素则作为PEC放大器。BLG的释放触发了铁芬修饰的In1（Fer-In1）的释放，使G-四链体修饰的发夹H1展开，暴露出血红素结合位点，形成G-四链体/血红素复合物，从而放大PEC信号；同时，铁芬的SWV信号与BLG浓度呈正相关。Ara h1的释放及其与H1的结合也实现了类似的信号放大。该生物传感器对BLG（20–2000 ng/mL）和Ara h1（20–200 ng/mL）具有良好的线性响应，检测限分别为12 ng/mL和14 ng/mL，为食品安全和临床诊断中的多重过敏原检测提供了可靠的工具。

引言

近年来，食物过敏已成为全球范围内普遍存在的食品安全问题，人类过敏的主要原因是各种食物蛋白（Liu等人，2022年；Scarpone等人，2023年）。牛奶虽然是婴儿和幼儿的主要蛋白质来源，但也是儿童中最常见的致敏食物之一（Munblit等人，2020年；Zeng等人，2025年）。其中，β-乳球蛋白（BLG）是导致牛奶过敏的主要过敏原蛋白之一，严重影响儿童的营养摄入和身体健康（Liu, Dang, Yang, Feng, & Sun, 2025年；Sun等人，2025年；Tran等人，2013年）。花生过敏原1（Ara h1）是花生中最丰富的过敏原蛋白，常引起哮喘和休克等致命的过敏症状（Zhou等人，2025年）。在某些食物中，过敏原成分共存；例如，花生奶中可能同时含有BLG和Ara h1。因此，迫切需要一种高效、便携且能同时检测BLG和Ara h1的方法，以保障众多过敏患者的健康。目前，常用的过敏原检测技术包括酶联免疫吸附测定（ELISA）、高效液相色谱（HPLC）、荧光测定和电化学方法等（Geng等人，2024年、2025年、2025年；Geng, Huang等人，2025年；Hu等人，2024年；Liu等人，2025年；Sun等人，2025年）。然而，能够同时检测多种过敏原的策略仍然很少。由于酶稳定性不足，ELISA容易产生假阳性或假阴性结果。HPLC需要使用大量有害试剂，依赖昂贵且体积庞大的实验室仪器，并且需要专业操作人员，这限制了其广泛应用（Geng等人，2024年；Qi等人，2023年）。光电化学（PEC）适配体传感器是一种新兴的检测方法，结合了PEC方法的高灵敏度和适配体的高特异性，在生物分析中展现出巨大潜力（Chen等人，2026年；Song等人，2026年；Zhang等人，2024年；Zou, Zhang等人，2025年）。Ge等人（Ge等人，2023年）构建了一种近红外驱动的双通道PEC传感器，使用Bi₂S₃和Cu₂O作为信号材料。该传感器在不同偏压下通过电流差异同时检测两种病原体，具有较低的检测限且无干扰，为检测共存过敏原提供了参考。然而，在大多数PEC传感器中，单一信号输出容易受到环境因素和实验操作的影响（Li等人，2025年；Liu等人，2023年；Yang等人，2021年）。相比之下，双模式检测利用两种不同的信号作为参考，有效抵御环境干扰和操作错误的影响，从而提高检测结果的精确度和可靠性。PEC是一种基于电化学的技术，其检测设备与电化学设备兼容，可以完美结合实现双信号检测。Zheng等人（Zheng等人，2025年）使用ZnCdS量子点构建了一个PEC-SWV双模式平台，利用Fc和血红素的信号特性检测miRNA-133a和cTnI，具有较低的检测限和良好的特异性。这一例子表明，通过适当设计，可以构建PEC-SWV双模式检测平台来实现过敏原的准确检测。

PEC传感主要通过吸收光能并将其通过PEC材料转换为可检测的电信号来实现目标物质的定量测定（Wang等人，2020年；Zou等人，2025b）。因此，选择合适的光源对于高效传感至关重要。紫外-可见（UV–Vis）光作为PEC传感中的常用光源，具有高能量，可以激发PEC活性材料产生大的光电流。然而，过高的能量容易损坏生物识别元件，导致PEC材料的信号下降，从而影响传感的稳定性（Zhang等人，2021年）。而近红外（NIR）光源毒性低且生物相容性好，约占太阳能的50%，因此是PEC传感的良好光源选择。其次，光电活性材料也是高性能PEC传感的关键。氢键有机框架（HOF）材料具有许多优点，如合成简单、生物相容性好、导电性强，因此在传感领域展现出巨大潜力（Wang等人，2025年；Xu等人，2025年）。例如，Tang等人（Tang等人，2024年）通过自组装制备了HOF/g-C₃N₄异质结复合材料，并使用HOFs/g-C₃N₄作为PEC基底，构建了一种新型PEC/电化学发光（ECL）生物传感平台，用于检测β-淀粉样蛋白寡聚体。这种基于HOFs的异质结复合材料表现出优异的PEC性能。

在本研究中，使用近红外光源代替了紫外-可见光，并选择了具有优异PEC性能的HOF-101来构建检测BLG和Ara h1的PEC平台。此外，结合铁芬的方波伏安（SWV）信号，构建了一个PEC/SWV双模式传感平台，以实现两种过敏原蛋白的高效检测。传感平台的具体构建过程如图1所示。首先，在丝印电极（SPE）的工作区域修饰了HOF-101，并沉积了AuNPs以提供发夹DNA（H1）的结合位点。BLG及其适配体Apt1的释放触发了In1的释放（两端均修饰有G-四链体和铁芬）。磁分离后，上清液在电极上孵育。在孵育过程中，In1成功释放了发夹H1并暴露了其G-四链体，与血红素形成G-四链体/血红素复合物，促进电子-空穴分离，有效增强了光电流。此外，铁芬的引入使SWV信号随着BLG浓度的增加而增强。然后，Ara h1与Apt2结合，释放出修饰有G-四链体的In2。In2与H1的结合完全暴露了In1上的G-四链体，从而通过增加G-四链体/血红素复合物和铁芬的数量，进一步增强了PEC和SWV信号，实现了Ara h1的定量检测。这种同时增强PEC和电化学信号的双模式策略符合双响应生物传感器的设计理念，通过整合多种信号转导机制实现了准确检测（Dai等人，2025年；Dasgupta等人，2024年；Dong等人，2023年；Geng, Huang等人，2025年；Xu等人，2022年；Zhu & Yan，2023年）。这不仅提高了可靠性，还凸显了多模式平台在复杂目标（如过敏原）敏感分析中的潜力。

部分摘录

HOF-101和Fe₃O₄-Apt1/Apt2复合材料的制备

根据先前的报道，HOF-101的制备过程如下：将10 mg的TCPPY加入5 mL的二甲甲酰胺（DMF）中，然后超声溶解。接着加入20 mL的甲醇，摇晃1分钟，静置12小时（Cui等人，2024年）。混合物随后进行真空冷冻干燥，得到黄色的HOF-101粉末，然后分散在超纯水中，制备成3 mg/mL的HOF-101水悬浮液以备后续使用。

HOF-101的特性分析

通过扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）对HOF-101的形态进行了分析。如图1(A)和(B)所示，它呈现出规则的棒状结构，宽度约为200 nm，具有较大的比表面积，有利于后续的生物分子修饰。HOF-101的晶体特性进一步通过X射线衍射（XRD）进行了分析，如图1(C)所示。

结论

本研究开发了一种基于HOF-101、G-四链体/血红素和铁芬的PEC/SWV适配体传感平台，用于敏感检测BLG和Ara h1。在PEC模式下，BLG的检测范围为20–2000 ng/mL（检测限=12 ng/mL），Ara h1的检测范围为20–200 ng/mL（检测限=14 ng/mL），R² > 0.994，确保了良好的定量效果。此外，双模式PEC/SWV传感器在储存20天后仍保留了92.31%的初始信号，10次批次的测试显示RSD为4.2%，证实了其优异的性能。

CRediT作者贡献声明

张书敏：撰写——原始草稿、方法学、研究、概念构思。夏秀琪：撰写——审阅与编辑。邹可欣：资源获取、研究。魏杰：验证、概念构思。陈敏：软件开发、数据分析。陈晓梅：验证、监督、项目管理、资金争取、数据管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号：32572703）和福建省自然科学基金（编号：2024J010030）的财政支持。