近日，北京工商大學(xué)孫寶國(guó)院士團(tuán)隊(duì)劉慧琳教授課題組在食品科學(xué)領(lǐng)域國(guó)際著名綜述期刊《Trends in Food Science & Technology》（IF=15.1，中科院1區(qū)Top期刊）上發(fā)表了題為“Advances in optical sensor visualization: Enabling rapid mycotoxin detection”的綜述性論文。本綜述深入探討了化學(xué)發(fā)光傳感、熒光傳感、電化學(xué)發(fā)光傳感等多種可視化光學(xué)傳感模式在霉菌毒素檢測(cè)中的應(yīng)用。文中系統(tǒng)闡述了食品中霉菌毒素的危害及傳統(tǒng)檢測(cè)方法的局限性，詳細(xì)解析了各類光學(xué)傳感器的工作原理與設(shè)計(jì)策略。

綜述簡(jiǎn)介

背景：真菌毒素，尤其是霉菌毒素，廣泛存在于食品和飼料中，對(duì)人類健康和生產(chǎn)活動(dòng)構(gòu)成重大風(fēng)險(xiǎn)。因此，亟需開(kāi)發(fā)快速、靈敏的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)，此類技術(shù)需具備操作簡(jiǎn)便、無(wú)需復(fù)雜專業(yè)培訓(xùn)的特點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)有效的霉菌毒素防控。近年來(lái)，光學(xué)傳感器因其成本低、易操作、響應(yīng)快等優(yōu)勢(shì)，已成為快速篩查霉菌毒素的潛力檢測(cè)手段。

范圍和方法：本綜述基于傳感機(jī)制與核心材料（包括熒光素、量子點(diǎn)、貴金屬納米材料、共價(jià)有機(jī)框架（COFs）、金屬有機(jī)框架（MOFs）、上轉(zhuǎn)換納米粒子及酶系統(tǒng)），系統(tǒng)闡述了各類光學(xué)傳感器的發(fā)展脈絡(luò)。同時(shí)，聚焦光學(xué)傳感領(lǐng)域的霉菌毒素可視化檢測(cè)平臺(tái)，梳理了從傳統(tǒng)定性/半定量方法到可實(shí)現(xiàn)精確定量的微納可視化平臺(tái)的技術(shù)演進(jìn)路徑。此外，針對(duì)黃曲霉毒素、赭曲霉毒素、伏馬菌素、T-2毒素、脫氧雪腐鐮刀菌烯醇、玉米赤霉烯醇及展青霉素等關(guān)鍵霉菌毒素，專項(xiàng)評(píng)述了可視化光學(xué)傳感器的應(yīng)用進(jìn)展。

主要發(fā)現(xiàn)和結(jié)論：光學(xué)傳感器通過(guò)先進(jìn)材料與可視化平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了霉菌毒素的快速、經(jīng)濟(jì)化檢測(cè)，為現(xiàn)場(chǎng)食品安全監(jiān)測(cè)的落地應(yīng)用提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐。本綜述有望推動(dòng)該技術(shù)的進(jìn)一步研發(fā)與實(shí)際場(chǎng)景部署。

綜述亮點(diǎn)

介紹了多種基于發(fā)光/顯色機(jī)制的光學(xué)傳感器。

系統(tǒng)闡述了構(gòu)建光學(xué)傳感器的核心組件。

著重探討了光學(xué)傳感中可視化技術(shù)的發(fā)展路徑。

綜述了可視化光學(xué)傳感器在霉菌毒素檢測(cè)領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用。

圖文賞析

圖文摘要

圖 1. (A)霉菌毒素光學(xué)傳感的年度出版物和引文。(B)檢測(cè)霉菌毒素的可視化光學(xué)傳感策略的初步報(bào)告。(C)進(jìn)行文獻(xiàn)計(jì)量網(wǎng)絡(luò)分析，利用Web of Science核心館藏確定過(guò)去十年中與視覺(jué)光學(xué)霉菌毒素檢測(cè)相關(guān)的451篇參考文獻(xiàn)。

圖2.(A) 一種新型化學(xué)發(fā)光免疫傳感器陣列結(jié)合雙信號(hào)放大策略，用于多種霉菌毒素的快速超靈敏檢測(cè)。(B) 將錳卟啉封裝于DNA樹(shù)狀大分子內(nèi)作為通用化學(xué)發(fā)光標(biāo)記物，用于廣譜霉菌毒素檢測(cè)。(C) 基于氧化銦錫（ITO）的即時(shí)比色免疫傳感器構(gòu)建策略，用于赭曲霉毒素A檢測(cè)。(D) 通過(guò)氧化銅納米管制備氫氧化鈷Co(OH)?納米籠并構(gòu)建比色檢測(cè)方法。(E) Fe-N-C單原子酶（SAzymes）與Fe-Co磁性納米顆粒（MNPs）的合成修飾及其在CRISPR-SAzymes傳感器中的反應(yīng)原理。(F) 熵驅(qū)動(dòng)DNA放大器集成碳點(diǎn)基FRET比率型熒光適體傳感方法示意圖，用于赭曲霉毒素A檢測(cè)。(G) 基于CdTe量子點(diǎn)與WS?納米管間光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移機(jī)制的比率型熒光傳感方法，用于谷物中玉米赤霉烯酮精準(zhǔn)識(shí)別。(H) 分子印跡聚合物-量子點(diǎn)（MIP-QDs）的合成示意圖及其用于棒曲霉素（PAT）磷光傳感。(I) 分子印跡聚合物-聚乙二醇-Mn摻雜ZnS量子點(diǎn)（QDs）的制備工藝，用于魚(yú)飼料中黃曲霉毒素磷光檢測(cè)。(J) 雙信號(hào)電化學(xué)發(fā)光（ECL）檢測(cè)試紙條的制備與檢測(cè)機(jī)制示意圖。(K) 基于聚乙烯亞胺包覆二氧化硅納米材料的ECL免疫傳感平臺(tái)，用于食品基質(zhì)中黃曲霉毒素B1（AFB1）檢測(cè)。

圖3.(A) Nb2C@ssDNA檢測(cè)黃曲霉毒素B1（AFB1）的作用機(jī)制示意圖。(B) 磁性熒光微球（MFBs）的合成與功能化過(guò)程。(C) 黃色發(fā)光碳點(diǎn)（CD）的合成與純化示意圖。(D) T-2毒素檢測(cè)中傳感器顏色變化的設(shè)計(jì)適配。(E) 比率熒光免疫分析雙信號(hào)響應(yīng)機(jī)制示意圖。(F) Dpy-NhBt-COF@Tb3?的合成：將Tb3?錨定于二維亞胺共價(jià)有機(jī)框架及其在赭曲霉毒素A（OTA）超靈敏檢測(cè)中的應(yīng)用。(G) 雙模式即時(shí)檢測(cè)（POCT）平臺(tái)用于OTA檢測(cè)的示意圖。(H) 基于單粒子檢測(cè)（SPD）法的AFB1適體傳感器檢測(cè)示意圖。(I) 基于酸堿指示劑的比色ELISA法檢測(cè)AFB1示意圖。(J) 已開(kāi)發(fā)出含鐵原子模擬酶的超靈敏AFB1檢測(cè)方法。(K) 磁印跡固相萃取結(jié)合比色法檢測(cè)花生油中黃曲霉毒素的方法。

圖4.(A) 金納米顆粒-側(cè)流試紙條（GNPs-LFTS）用于檢測(cè)黃曲霉毒素B1的示意圖。(B) 利用金納米顆粒（AuNPs）包裹的DNA水凝膠進(jìn)行肉眼可見(jiàn)的OTA檢測(cè)的工作原理。(C) 基于重力驅(qū)動(dòng)微流控芯片的CIMA用于檢測(cè)黃曲霉毒素B1的操作原理和核心組件。(D) 基于上轉(zhuǎn)換納米顆粒的免疫層析分析法中智能傳感設(shè)備在檢測(cè)多種霉菌毒素中的工作原理示意圖。

圖5.(A) 統(tǒng)一檢測(cè)裝置用于赭曲霉素A分析的示意圖。(B) 多霉菌毒素檢測(cè)的自動(dòng)化化學(xué)發(fā)光免疫分析系統(tǒng)示意圖。

圖6. (A) 雙模式微流控制備過(guò)程及工作原理示意圖。(B) 基于APCB和AIEFM的黃曲霉毒素M1（AFM1）靈敏免疫層析檢測(cè)示意圖。(C) 實(shí)際樣品中赭曲霉毒素A（OTA）檢測(cè)用雙模式適體傳感器開(kāi)發(fā)示意圖。(D) 雙模式酶活性釩納米球介導(dǎo)的多色免疫傳感器用于T-2毒素靈敏識(shí)別的策略圖示。(E) 伏馬菌素（FBs）檢測(cè)用熒光“開(kāi)啟”型傳感器的機(jī)理示意圖。(F) 通用的便攜式超靈敏脫氧雪腐鐮刀菌烯醇（DON）免疫分析平臺(tái)示意圖。(G) 基于熒光識(shí)別的玉米赤霉烯酮（ZEN）比率型適體傳感器工作機(jī)制示意圖。(H) 一種基于小量子點(diǎn)修飾金屬有機(jī)框架（MOFs）的新型探針，用于液體介質(zhì)中棒曲霉素的超靈敏檢測(cè)。(I) 基于智能手機(jī)平臺(tái)和上轉(zhuǎn)換納米粒子編碼微球（UCNMs）的霉菌毒素（玉米赤霉烯酮、赭曲霉毒素A、黃曲霉毒素B1）同步定量分析機(jī)制。

結(jié)論與展望

本綜述深入探討了化學(xué)發(fā)光傳感、熒光傳感、電化學(xué)發(fā)光傳感等多種可視化光學(xué)傳感模式在霉菌毒素檢測(cè)中的應(yīng)用。文中系統(tǒng)闡述了食品中霉菌毒素的危害及傳統(tǒng)檢測(cè)方法的局限性，詳細(xì)解析了各類光學(xué)傳感器的工作原理與設(shè)計(jì)策略。為實(shí)現(xiàn)黃曲霉毒素、赭曲霉毒素、伏馬毒素等霉菌毒素的高靈敏快速現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，研究人員將熒光素、量子點(diǎn)、貴金屬納米顆粒、COFs、MOFs、UCNPs、酶等多種功能材料與光學(xué)傳感器相融合，并運(yùn)用共振能量轉(zhuǎn)移（RET）、光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移（PET）、聚集誘導(dǎo)發(fā)光效應(yīng)（AIE）等檢測(cè)機(jī)制。特別聚焦光學(xué)傳感器的可視化平臺(tái)形式，系統(tǒng)闡釋了試紙條、水凝膠、微流控裝置及自主研發(fā)設(shè)備等不同可視化平臺(tái)類型的工作機(jī)制，這些平臺(tái)的發(fā)展為食品安全多場(chǎng)景快速檢測(cè)提供了更多可能。

在光學(xué)傳感領(lǐng)域，磷光傳感易受氧濃度、溫度波動(dòng)等環(huán)境因素干擾，導(dǎo)致穩(wěn)定性和重復(fù)性較低，因此霉菌毒素檢測(cè)中基于磷光的可視化方法報(bào)道較少，且多應(yīng)用于溶解氧水平較低的液態(tài)環(huán)境。未來(lái)研究需持續(xù)探索更穩(wěn)定的磷光探針并拓展其應(yīng)用場(chǎng)景。雖然MOFs、碳納米管（CNTs）等有機(jī)多孔材料已廣泛應(yīng)用于霉菌毒素的熒光與比色傳感，但同為多孔材料的COFs目前主要應(yīng)用于食品基質(zhì)中霉菌毒素的吸附，其光學(xué)傳感應(yīng)用多需自發(fā)光配體修飾。建議研究者可著力開(kāi)發(fā)更多自發(fā)光COFs材料用于實(shí)際檢測(cè)。針對(duì)污染范圍廣、毒性強(qiáng)的黃曲霉毒素、赭曲霉毒素、伏馬毒素等常見(jiàn)霉菌毒素，研究者已開(kāi)發(fā)出深度化、多樣化的可視化光學(xué)傳感器，而水溶性強(qiáng)、耐酸且常見(jiàn)于果蔬加工制品的棒曲霉毒素（PAT）相關(guān)光學(xué)檢測(cè)方法尚少，這為未來(lái)研究提供了新方向。

當(dāng)前，各類光學(xué)傳感器搭載的可視化設(shè)備已從定性/半定量檢測(cè)逐步向智能化、便攜化、快速定量化方向發(fā)展。這要求開(kāi)發(fā)更精準(zhǔn)的色彩捕捉設(shè)備與更高效信號(hào)處理系統(tǒng)，以滿足光學(xué)傳感日益增長(zhǎng)的精度與速度需求。在此技術(shù)基礎(chǔ)上，物聯(lián)網(wǎng)、云平臺(tái)與科研及實(shí)際生產(chǎn)的深度融合為未來(lái)研究開(kāi)辟了新路徑。具體而言，通過(guò)融合這些技術(shù)，霉菌毒素可視化光學(xué)傳感可實(shí)現(xiàn)檢測(cè)方法與實(shí)際檢測(cè)結(jié)果的數(shù)據(jù)互聯(lián)互通，進(jìn)一步提升檢測(cè)效能。

來(lái)源：食品信息學(xué)