生物启发式界面工程：用于超灵敏电化学检测真菌污染生物标志物的分层树突状金纳米结构

花生真菌污染快速检测方法：基于生物模拟分级金纳米结构的电化学传感器，通过优化表面结构实现高灵敏度和低检测限（3.8 ng/mL），与HPLC结果一致性良好

　　

李文婷|史永强|张新爱|史继勇|朱园园|余永健|韩东|邹晓波

江苏科技大学粮食科学与技术学院，中国江苏省镇江市212003

摘要

花生在生产和储存过程中容易受到真菌污染，这威胁到了食品安全和公众健康。麦角甾醇（Erg）是真菌细胞膜中的一种特定甾醇，可作为早期检测真菌感染的有效生物标志物。本研究介绍了一种基于仿生分级树枝状金纳米结构（HDGNs）的电化学传感器，用于快速、灵敏地检测麦角甾醇。该传感器受到天然树枝状结构的分层分支结构的启发，具有较大的比表面积，有助于电子的高效传输。通过用HDGNs修饰氧化铟锡（ITO）电极，开发出一种生物启发型的传感平台。利用差分脉冲伏安法（DPV），该传感器对麦角甾醇的检测范围广，检测限低至3.8 ng/mL。通过标准添加法对花生样品进行定量分析，以消除样品基质的影响。花生样品的加标回收实验结果与高效液相色谱（HPLC）结果高度吻合，相对误差低于4.1%。总体而言，本研究介绍了一种高效、经济的方法，用于快速定量检测麦角甾醇，并展示了仿生纳米结构在早期食品霉变检测和食品安全监测中的潜力。

引言

确保全球食品供应链的完整性和安全性是应对食品安全[1]和食品危机[2]双重压力的关键问题。在各种挑战中，由真菌繁殖引起的霉菌毒素污染在整个农业食品链中（从生产、储存到消费[3],[4]）构成了持续且隐蔽的威胁。这不仅每年造成数十亿美元的经济损失，还对人类健康构成严重危害[5],[6]。当前监测系统的根本局限性在于其反应性，依赖于耗时且集中的实验室分析，使得在真菌污染扩散之前几乎无法进行干预[7],[8]。因此，开发能够在污染初期进行原位、快速、超灵敏预警检测的传感技术已成为食品科学和分析化学领域的一个关键瓶颈。

在众多指示性生物分子中，麦角甾醇（Erg）作为真菌细胞膜的独特生物标志物，与真菌生物量具有精确的化学计量关系，为真菌污染的定量评估提供了理想的分子靶点[9],[10],[11]。研究表明，麦角甾醇是确定植物材料[12],[13]、谷物[14]和土壤[15]中真菌生物量和霉菌污染的可靠标志物。尽管传统的分析技术（如高效液相色谱[HPLC]）可以实现麦角甾醇的准确定量，但它们依赖于复杂的样品预处理、昂贵的仪器和专业人员[16],[17]，这使得它们无法满足现代食品安全系统中分散式、高通量监测的需求。

电化学传感技术凭借其高灵敏度、低成本和微型化的潜力，被认为是实现这一技术范式转变的强大工具[18],[19],[20],[21]。然而，该领域的进展长期以来受到一个基本科学挑战的制约：如何同时最大化分析物的捕获效率和优化传感界面处的电荷转移动力学。现有的界面设计往往会导致权衡；虽然简单的纳米材料修饰可以增加表面积，但它们常常引入质量传递障碍或无序的电子跳跃路径，从而限制了信噪比和检测限的进一步提高[22]。

为了克服这一挑战，我们从自然界中寻找设计灵感。经过数百万年的进化，生物系统（如肺泡-毛细血管网络和植物根系）完善了高通量质量交换和高效能量传输的协同解决方案，其基础是分层结构设计[23],[24],[25]。受此原理启发，本研究提出了一种基于仿生分级树枝状金纳米结构（HDGNs）的新型电化学传感策略。在这种策略中，高度分支的末端树枝状结构形成了一个三维的、高度可访问的反应界面，具有巨大的比表面积，确保目标分子的超高效富集和电催化[26]。同时，从分支连接到主干部分的连续高导电网络形成了低阻抗的电子传输路径，确保快速无损的信号收集。这种结构与功能之间的内在协同作用有望克服传统纳米传感器中表面积与传输效率之间的传统权衡。

本文报道了HDGNs的可控合成及其在构建超灵敏麦角甾醇传感器中的应用（图1）。通过用HDGNs修饰氧化铟锡（ITO）电极表面，并结合差分脉冲伏安法（DPV），实现了对麦角甾醇的高灵敏度检测，检测限低至ng/mL级别。更重要的是，该传感器在实际花生样品中的表现与HPLC结果高度一致，证明了其在复杂基质中的可靠性和实用性。这项研究不仅为食品中霉菌毒素污染的早期监测提供了强大的工具，还展示了通过仿生结构设计合理工程化纳米界面电化学行为的巨大潜力，为高性能分子诊断平台的发展开辟了新路径。

试剂和设备

氯金酸氢盐（HAuCl₄·4H₂O）、氰亚铁钾三水合物（K₄Fe(CN)₆·3H₂O）、氰铁钾（K₃Fe(CN)₆）、乙醇、氢氧化钠（NaOH）、硫酸（H₂SO₄）、硫酸钠（Na₂SO₄）购自中国医药化工试剂有限公司（上海）。二氯甲烷（DCM）、二甲基甲酰胺（DMF）、六氟磷酸四丁基铵（TBAHFP）和乙腈（ACN）购自Sigma Aldrich。麦角甾醇（Erg）购自Sangon Biotechnology

HDGNs@ITO特性的研究

使用扫描电子显微镜（SEM）对HDGNs@ITO的结构进行了表征。图2A显示，空白ITO电极的表面光滑。图2B展示了HDGNs@ITO电极的广角SEM视图。可以清楚地观察到ITO基底被一层精细的金树枝状微结构包裹，长度在10到20 μm之间。更深入的分析（图2D&E）表明，这些树枝状结构沿着一个拉伸的中心轴排列。

结论

总之，本研究通过引入基于HDGNs的仿生设计原理，开发了一种用于超灵敏检测真菌生物标志物麦角甾醇的电化学传感平台。该传感器的优异分析性能（检测限低至3.8 ng/mL）归因于HDGNs的独特分层结构，这种结构提供了较大的表面积用于麦角甾醇的富集和高效的电子传输网络。

CRediT作者贡献声明

李文婷：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，资金获取。史永强：撰写 – 审稿与编辑，正式分析，数据管理。张新爱：项目管理，方法学。史继勇：项目管理，资金获取，正式分析。朱园园：软件，正式分析。余永健：正式分析，概念化。韩东：软件，资源支持。邹晓波：监督，项目管理。

资助

本研究得到了河南省重点研发计划（251111114000）、国家自然科学基金（32502343, 32472491）、江苏省高等学校自然科学基金（25KJB550003）、中国博士后科学基金（2023M741437）和河南省创新人才计划（26HASTIT025）的支持。

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。