Fe/V-N-C催化剂中的双金属位点协同作用：增强电化学发光（ECL）信号，实现玉米和花生中黄曲霉毒素B1的超灵敏检测

《Food Chemistry》：Dual-metal sites synergy in Fe/V-N-C catalyst: Boosting ECL signals for ultrasensitive detection of aflatoxin B1 in corn and peanut

双金属单原子催化剂Fe/V-N-C通过协同电子转移显著提升H2O2氧化活性，增强ECL信号6.50倍，并成功构建检测黄曲霉毒素B1的“信号on-off-on”ECL aptasensor，实现0.05-100 ng/mL宽线性范围和0.0025 ng/mL超低检测限。

　　

袁萍|王爱军|梅丽萍|史亚成|袁培新|冯久菊

教育部先进催化材料重点实验室，浙江师范大学化学与材料科学学院，地理与环境科学学院，金华321004，中国

摘要

单原子催化剂能够最大化原子利用率，但活性和稳定性有限。双金属催化剂通过相邻金属位点之间的协同作用克服了这些限制。在此，我们通过一步热解法制备了一种Fe和V在氮掺杂多孔碳（Fe/V-N-C）中均匀分布的双金属单原子催化剂。两种金属之间的协同电子转移优化了活性位点的电子密度，协同激活了H₂O₂，从而增强了活性氧的生成并提高了电化学发光（ECL）效率。Fe/V-N-C催化剂的ECL效率提高了6.50倍，超过了单金属Fe-N-C（3.43倍）和V-N-C（2.05倍）。交流伏安法（ACV）-ECL耦合及补充技术证实，增强的H₂O₂亲和性是提高催化性能的原因，并阐明了ECL机制。我们设计了“信号开-关-开”模式的ECL适配体传感器，用于超灵敏地检测黄曲霉毒素B1，其动态线性范围为0.05–100?ng?mL^?1，检测限低至0.0025?ng?mL^?1

引言

黄曲霉毒素B1（AFB1）是一种高毒性和致癌性的次级代谢物，被国际癌症研究机构列为1类致癌物，对健康构成严重威胁（Wu等人，2021年），包括DNA加合物的形成、肝细胞癌（HCC）、免疫抑制和生长障碍（Neal，1973年）。全球监管机构对食品和饲料中的AFB1含量设定了严格限制。传统的检测方法包括高效液相色谱（HPLC）（Vargas Medina等人，2021年）、液相色谱-串联质谱（LC-MS）（Zhang等人，2017年）和酶联免疫吸附测定（ELISA），这些方法在食品检测中具有很高的准确性和定性能力，但需要昂贵的设备和耗时的操作（Zhao等人，2024年）。快速的现场食品检测迫切需要一种简单、可靠、灵敏且选择性的AFB1检测方法。

近年来，电化学发光（ECL）因其出色的灵敏度、宽广的线性范围、最小的仪器要求和低背景噪声而被认为是生物分析（Shi等人，2019年）、环境监测（Zhao等人，2022a）和临床诊断（Li等人，2025年）中的强大分析工具（Wu等人，2023年）。然而，由于荧光团的高氧化还原电位和复杂的共反应物相互作用，ECL仍面临挑战（Hong等人，2022年）。为了解决这些问题，最近的研究集中在开发先进的共反应物加速剂、优化共反应物和设计高效荧光团（Wang等人，2024年）。引入电催化纳米材料对于通过降低氧化还原能垒和加速电子转移动力学来放大ECL信号至关重要。

合理设计电极材料对于通过改善电荷注入和稳定性来提高ECL效率至关重要，这使得先进的电催化剂成为食品安全和生物医学领域下一代传感器的关键（Zhou等人，2023年）。结合纳米材料（如多孔碳）和纳米结构过渡金属可以利用它们的大表面积和高反应性实现超灵敏的ECL检测（Wang，2021年）。例如，通过将单个Co原子嵌入结晶g-碳氮化物纳米棒（CoSA@cry-CNN）中，构建了一种CoSA@cry-CNN复合材料，其ECL发射强度比原始g-C₃N₄高23倍。结合杂交链反应（HCR）和催化发夹组装（CHA）级联放大技术，该传感器能够检测到40.0 amol L^?1的microRNA-222（Zhu等人，2024年）。值得注意的是，双金属单原子催化剂现在显著优于单金属催化剂（Bushira等人，2022年）。

双金属催化剂改变了电子结构（Zhu等人，2024年），从而创建了更易接近的活性位点（Zhou等人，2024b）。与效率不足和不稳定的单金属催化剂不同，双金属催化剂优化了活性中心的电子构型（Jiao等人，2021b），并利用了异核协同效应（Ye等人，2023年），显著提高了ECL信号的放大效果。例如，开发了一种Fe-Cu/N-C双金属单原子催化剂，具有Fe–N?和Cu–N?活性位点。该催化剂衍生的传感器能够区分五种抗生素及其混合物（Zhou等人，2024b），解决了使用单一ECL材料进行多组分检测的挑战。

沸石咪唑框架（ZIF）衍生的单原子催化剂提供了一个多功能电催化平台。其可调的多孔结构和丰富的氮位点使得在氮（N）掺杂的碳基质中原位形成均匀的金属-N₄活性位点成为可能，确保了金属与载体的强相互作用。最近，设计了一种氮诱导的聚集策略，用于制备在氮掺杂碳纳米棒（Fe₂N NC /Fe₁-N-C）中与FeN₄位点配位的Fe₂N纳米簇，表现出更高的活性，其氧还原反应（ORR）半波电位为0.957?V（相对于RHE），在碱性介质中的性能优于传统的Fe₁-N-C（Ma等人，2025年）。类似地，Fan等人合成了嵌入氮掺杂碳（CoFe–N–C）纳米棒中的双功能CoFe单原子/簇结构，表现出增强的催化活性和稳定性（Fan等人，2024年）。

在这项工作中，我们通过一步热解法制备了一种Fe和V在氮掺杂多孔碳（称为Fe/V-N-C）中均匀分布的双金属单原子催化剂（方案1A），以促进活性氧（ROS）的生成并提高催化效率，从而增强鲁米诺-H?O?体系中的ECL效率。然后，利用这种催化剂构建了一种高性能的ECL适配体传感器用于检测AFB1（方案1B），将其与链霉亲和素（SA）-磁珠（MBs）组装，磁珠表面修饰有生物素修饰的互补DNA（cDNA）和AFB1适配体（AFB1-Apt）。本研究试图阐明双金属催化剂的协同催化机制，并通过结合优异的催化性能和创新检测方法来推进食品安全检测技术。

实验部分

Fe/V-N-C的制备

首先，将4?g的2-甲基咪唑通过超声处理均匀分散到40.0?mL的甲醇中（溶液A）。同时，将2?g的六水合硝酸锌（Zn (NO₃)₂·6H₂放入50?mL的甲醇中（溶液B）。溶液C是通过将30?mg的铁（III）乙酰丙酮酸盐（Fe(acac)₃）和钒（III）乙酰丙酮酸盐（V(acac)₃分别分散到30?mL的甲醇中制备的。然后在搅拌下将溶液A倒入溶液B中，并老化30?分钟。随后，将溶液C放入

表征

Fe/V-N-C的扫描电子显微镜（SEM）图像（图1A）显示了表面光滑的均匀菱形十二面体，平均粒径为150?nm。在对照组中，V-N-C和Fe-N-C也显示出类似的菱形十二面体（图S1），但粒径大于Fe/V-N-C。SEM分析表明，加入第二种金属后形态变化很小。

我们进一步使用透射电子显微镜（TEM）对Fe/V-N-C进行了表征，揭示了

结论

本研究开发了基于Fe/V-N-C的ECL适配体传感器用于AFB1检测，通过提高催化效率和稳定性实现了优异的性能。Fe/V-N-C通过一步热解法制备，其中Fe和V单原子在氮掺杂碳中均匀分布。这种协同双金属设计通过促进ROS的产生显著增强了ECL信号，优于单金属和其他催化剂。通过ACV-ECL耦合技术的系统研究揭示了Fe/V-N-C的

CRediT作者贡献声明

袁萍：形式分析、数据管理。王爱军：方法学、实验研究。梅丽萍：方法学、实验研究。史亚成：初稿撰写、实验研究。袁培新：初稿撰写、方法学。冯久菊：审稿与编辑、实验研究。

未引用的参考文献

Jiao等人，2021年

Jiao等人，2021年

Luo等人，2022年

Luo等人，2022年

Wu等人，2024年

Wu等人，2024年

Zhao, Ni, Wu, Sun和Chen，2022年

Zhao等人，2022年

Zhou, Mao和Xu，2024年

Zhou等人，2024年

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报道的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号22474128和22504130）的支持。