基于分子限域效应的电化学发光适配体传感器，用于超灵敏地检测谷物中的玉米赤霉酮

《Food Research International》：Molecular confinement-engineered electrochemiluminescence aptasensor for ultrasensitive monitoring of zearalenone in cereals

超敏电化学发光 aptasensor 的构建及其在谷物中单子囊菌素检测中的应用，通过分子限制工程稳定荧光配体 TCPP 并利用 MXene 基复合催化剂 Co3O4-ZnO/Pd 实现信号放大，检测限达 0.97 pg/mL，在玉米和小麦样本中回收率 97.7%-102.6%。

　　

Jinxiu Zhao|Xiang Ren|Mingyue Shao|Zhong Feng Gao|Huan Wang|Xue Dong|Qin Wei

山东大学化学与化学工程学院化学传感与分析重点实验室，中国济南250022

摘要

玉米赤霉烯酮（ZEN）是一种常见的谷物中存在的雌激素类霉菌毒素，对食品安全和公共健康构成重大风险。本文开发了一种超灵敏的电化学发光（ECL）适配体传感器，用于检测谷物制品中的ZEN，该传感器结合了分子限制工程和催化放大策略。5,10,15,20-四(4-氨基苯基)-21H,23H-卟啉（TCPP）通过分子限制被封装到基于锆的金属有机框架（Zr-TCPP）中，解决了荧光团通常存在的问题，如水溶性差和结构不稳定。为了增强信号，设计了一种Co₃O₄-ZnO/Ti₃C₂T_x-Pd（COZT-Pd）复合材料作为共反应物加速剂，有效促进了SO₄^•?自由基的生成，显著加快了荧光团的ECL响应。所构建的适配体传感器具有从1 pg/mL到100 μg/mL的宽线性范围，检测限低至0.97 pg/mL。通过在添加ZEN的玉米和小麦样品中进行回收测试，证明该传感器具有高准确性和实用性，回收率在97.7%到102.6%之间。这项工作为霉菌毒素的超灵敏检测提供了一个稳健可靠的分析平台，对确保食品质量和安全具有巨大潜力。

引言

玉米赤霉烯酮（ZEN）是由镰刀菌产生的霉菌毒素，对全球食品和畜牧业构成了严重威胁（P. Cai等人，2024年）。实际上，在多种谷物及其衍生物中检测到了高浓度的这种雌激素类霉菌毒素，经常超过国际安全标准（Sohrabi等人，2022年）。鉴于这些问题，迫切需要开发出强大的监测策略来控制谷物制品中的ZEN污染（Chhaya等人，2024年）。

电化学发光（ECL）结合了电化学和化学发光的优点，具有操作简单和高灵敏度的特点（Chai等人，2025年；Feng等人，2022年；X. Zhang, Wang等人，2021年）。值得注意的是，ECL在检测疾病生物标志物、环境污染物和核酸方面有着广泛的应用（F. Chen等人，2024年；Hu & Wang，2024年；Khan等人，2024年）。开发具有高ECL效率的荧光团仍然是一个关键挑战。5,10,15,20-四(4-氨基苯基)-21H,23H-卟啉（TCPP）是一种广泛使用的荧光染料，但其存在固有的局限性：水溶性差、结构不稳定以及明显的π-π堆叠引起的发光淬灭（Gao等人，2024年；S. Liu等人，2025年；Zhen等人，2024年）。为了解决这些问题，人们探索了分子结构修饰、材料掺杂和设计聚集诱导发射（AIE）材料等方法（Wen等人，2023年；Zhao等人，2023年）。受这些发现的启发，通过结构修饰限制TCPP的分子运动，实现了其在水相中的聚集。使用TCPP作为荧光团，并以ZrOCl₂/苯甲酸作为稳定剂和增效剂，合成了具有高ECL效率的Zr-TCPP。将TCPP固定在金属有机框架（MOF）内，限制了分子内的运动，赋予材料优异的ECL强度和稳定性。

基于钴的纳米材料因其可调节的形态特征和结晶度而得到广泛应用（He等人，2024年）。其中，最常用的Co₃O₄由于电导率低和活性表面积有限，限制了其催化性能的提高（D. Chen等人，2023年）。将Co₃O₄与导电基底（如碳纳米纤维、多孔碳和还原氧化石墨烯）结合已被证明可以增强导电性（Karingula等人，2025年；B. Wang等人，2017年；W. Wang等人，2020年）。二维Ti₃C₂T_x MXene作为一种有前景的催化剂载体，具有高金属导电性、亲水性和丰富的表面官能团以及优异的生物相容性（R. Wang等人，2023年）。此外，带负电荷表面的多层Ti₃C₂T_x纳米片可以作为制备具有强界面相互作用的复合催化剂的模板（Alhabeb等人，2017年；Shi等人，2022年）。将高导电性的惰性金属Zn引入Co₃O₄中，产生了协同催化效应，显著提高了复合材料的催化性能（Xu等人，2025年）。Co₃O₄-ZnO/Ti₃C₂T_x（COZT）复合材料有效克服了电导率低和活性表面积有限的问题。此外，通过将NaPdCl₄还原到COZT上形成Pd纳米颗粒，得到了作为高效共反应物加速剂的COZT-Pd复合材料。

在本研究中，使用TCPP作为有机配体，ZrOCl₂和苯甲酸作为稳定剂和增效剂合成了Zr-TCPP。这种分子限制策略有效限制了TCPP的分子内运动，减轻了其固有的聚集引起的发光淬灭，显著提高了ECL的稳定性和强度。随后，将金纳米颗粒负载到Zr-TCPP表面，与DNA-2结合，制备出高性能的ECL探针Zr-TCPP@Au-DNA-2。同时，设计了Co₃O₄-ZnO/Ti₃C₂T_x-Pd（COZT-Pd）复合材料作为共反应物加速剂。MXene模板结构与掺锌的Co₃O₄和Pd纳米颗粒的协同效应相结合，赋予了复合材料优异的催化活性。在构建传感器过程中，DNA-1和DNA-2都是对ZEN目标具有特异性识别的高亲和力适配体。随着ZEN目标浓度的增加，更多的Zr-TCPP@Au-DNA-2探针与目标结合，导致传感器信号成比例增加，从而产生了“信号开启”的响应模式。

本研究引入了两项关键创新：（1）通过将TCPP限制在Zr-MOF框架内，克服了其溶解性和稳定性限制，制备出一种稳健高效的ECL发射体；（2）合理设计了MXene支持的Co₃O₄-ZnO/Pd复合材料，作为高活性的共反应物加速剂，通过增强自由基生成显著放大了ECL信号。这些进展共同提供了一个灵敏、可靠且实用的谷物中霉菌毒素监测分析平台，突显了结构工程纳米材料在食品安全检测中的潜力。

材料与设备

TCPP、乙烯亚胺聚合物（PEI）、八水合氧化锆（ZrOCl₂·8H₂O）和苯甲酸均购自Macklin Biochemical Co., Ltd.（中国上海）。Ti₃AlC₂、2-甲基咪唑（2-MI）和四氯钯酸钠（Na₂PdCl₄）购自Aladdin Industrial Corporation（中国上海）。DNA-1和DNA-2购自Shanghai Sangon Biotech Co., Ltd.（中国上海）。DNA-1：5’-NH₂-C₆-TCATCTATCTAT GGTACATTACTATCTGTAATGTGAG-3′；DNA-2：5’-SH-C₆

COZT-Pd复合材料的表征

通过XRD分析对COZT复合材料的晶体结构进行了表征。如图1A所示，Co₃O₄-ZnO的XRD图谱与ZnO（PDF#75–0576）和Co₃O₄（PDF#76–1802）的标准卡片文件相匹配，证实了二元氧化物的成功合成及其预期的晶体构型。COZT复合材料显示了与Co₃O₄-ZnO和Ti₃C₂T_x相对应的特征衍射峰，表明每种成分都得到了保留

结论

本研究通过双放大策略构建了一种基于ECL的适配体传感器，用于超灵敏检测ZEN。Zr-TCPP@Au作为ECL探针，其中有机配体TCPP被封装在MOF框架内以限制分子运动，随后在其表面负载金纳米颗粒。由Ti₃C₂T_x MXene模板化的COZT-Pd复合材料表现出出色的催化活性，促进了SO₄^•?自由基的生成，提高了ECL响应速率。

CRediT作者贡献声明

Jinxiu Zhao：撰写——原始草稿，数据管理，概念构思。Xiang Ren：资金获取，数据管理。Mingyue Shao：方法学。Zhong Feng Gao：形式分析。Huan Wang：撰写——审阅与编辑。Xue Dong：方法学，资金获取。Qin Wei：监督，项目管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性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22504042）、山东省自然科学基金（编号ZR2024QB042）、山东省高等教育机构优秀青年创新团队（编号2023KJ317）、山东省博士后创新计划（编号SDCX-ZG-202501031）和CPSF博士后奖学金计划（编号GZC20250823）的支持。