北京工商大学：研发光学传感器可视化——实现霉菌毒素快速检测

近日，北京工商大学孙宝国院士团队刘慧琳教授课题组在食品科学领域国际著名综述期刊《Trends in Food Science & Technology》（IF=15.1，中科院1区Top期刊）上发表了题为“Advances in optical sensor visualization: Enabling rapid mycotoxin detection”的综述性论文。本综述深入探讨了化学发光传感、荧光传感、电化学发光传感等多种可视化光学传感模式在霉菌毒素检测中的应用。文中系统阐述了食品中霉菌毒素的危害及传统检测方法的局限性，详细解析了各类光学传感器的工作原理与设计策略。

综述简介

背景：真菌毒素，尤其是霉菌毒素，广泛存在于食品和饲料中，对人类健康和生产活动构成重大风险。因此，亟需开发快速、灵敏的现场检测技术，此类技术需具备操作简便、无需复杂专业培训的特点，以实现有效的霉菌毒素防控。近年来，光学传感器因其成本低、易操作、响应快等优势，已成为快速筛查霉菌毒素的潜力检测手段。

范围和方法：本综述基于传感机制与核心材料（包括荧光素、量子点、贵金属纳米材料、共价有机框架（COFs）、金属有机框架（MOFs）、上转换纳米粒子及酶系统），系统阐述了各类光学传感器的发展脉络。同时，聚焦光学传感领域的霉菌毒素可视化检测平台，梳理了从传统定性/半定量方法到可实现精确定量的微纳可视化平台的技术演进路径。此外，针对黄曲霉毒素、赭曲霉毒素、伏马菌素、T-2毒素、脱氧雪腐镰刀菌烯醇、玉米赤霉烯醇及展青霉素等关键霉菌毒素，专项评述了可视化光学传感器的应用进展。

主要发现和结论：光学传感器通过先进材料与可视化平台，实现了霉菌毒素的快速、经济化检测，为现场食品安全监测的落地应用提供了关键技术支撑。本综述有望推动该技术的进一步研发与实际场景部署。

综述亮点

介绍了多种基于发光/显色机制的光学传感器。

系统阐述了构建光学传感器的核心组件。

着重探讨了光学传感中可视化技术的发展路径。

综述了可视化光学传感器在霉菌毒素检测领域的创新应用。

图文赏析

图文摘要

图 1. (A)霉菌毒素光学传感的年度出版物和引文。(B)检测霉菌毒素的可视化光学传感策略的初步报告。(C)进行文献计量网络分析，利用Web of Science核心馆藏确定过去十年中与视觉光学霉菌毒素检测相关的451篇参考文献。

图2.(A) 一种新型化学发光免疫传感器阵列结合双信号放大策略，用于多种霉菌毒素的快速超灵敏检测。(B) 将锰卟啉封装于DNA树状大分子内作为通用化学发光标记物，用于广谱霉菌毒素检测。(C) 基于氧化铟锡（ITO）的即时比色免疫传感器构建策略，用于赭曲霉毒素A检测。(D) 通过氧化铜纳米管制备氢氧化钴Co(OH)₂纳米笼并构建比色检测方法。(E) Fe-N-C单原子酶（SAzymes）与Fe-Co磁性纳米颗粒（MNPs）的合成修饰及其在CRISPR-SAzymes传感器中的反应原理。(F) 熵驱动DNA放大器集成碳点基FRET比率型荧光适体传感方法示意图，用于赭曲霉毒素A检测。(G) 基于CdTe量子点与WS₂纳米管间光诱导电子转移机制的比率型荧光传感方法，用于谷物中玉米赤霉烯酮精准识别。(H) 分子印迹聚合物-量子点（MIP-QDs）的合成示意图及其用于棒曲霉素（PAT）磷光传感。(I) 分子印迹聚合物-聚乙二醇-Mn掺杂ZnS量子点（QDs）的制备工艺，用于鱼饲料中黄曲霉毒素磷光检测。(J) 双信号电化学发光（ECL）检测试纸条的制备与检测机制示意图。(K) 基于聚乙烯亚胺包覆二氧化硅纳米材料的ECL免疫传感平台，用于食品基质中黄曲霉毒素B1（AFB1）检测。

图3.(A) Nb2C@ssDNA检测黄曲霉毒素B1（AFB1）的作用机制示意图。(B) 磁性荧光微球（MFBs）的合成与功能化过程。(C) 黄色发光碳点（CD）的合成与纯化示意图。(D) T-2毒素检测中传感器颜色变化的设计适配。(E) 比率荧光免疫分析双信号响应机制示意图。(F) Dpy-NhBt-COF@Tb³⁺的合成：将Tb³⁺锚定于二维亚胺共价有机框架及其在赭曲霉毒素A（OTA）超灵敏检测中的应用。(G) 双模式即时检测（POCT）平台用于OTA检测的示意图。(H) 基于单粒子检测（SPD）法的AFB1适体传感器检测示意图。(I) 基于酸碱指示剂的比色ELISA法检测AFB1示意图。(J) 已开发出含铁原子模拟酶的超灵敏AFB1检测方法。(K) 磁印迹固相萃取结合比色法检测花生油中黄曲霉毒素的方法。

图4.(A) 金纳米颗粒-侧流试纸条（GNPs-LFTS）用于检测黄曲霉毒素B1的示意图。(B) 利用金纳米颗粒（AuNPs）包裹的DNA水凝胶进行肉眼可见的OTA检测的工作原理。(C) 基于重力驱动微流控芯片的CIMA用于检测黄曲霉毒素B1的操作原理和核心组件。(D) 基于上转换纳米颗粒的免疫层析分析法中智能传感设备在检测多种霉菌毒素中的工作原理示意图。

图5.(A) 统一检测装置用于赭曲霉素A分析的示意图。(B) 多霉菌毒素检测的自动化化学发光免疫分析系统示意图。

图6. (A) 双模式微流控制备过程及工作原理示意图。(B) 基于APCB和AIEFM的黄曲霉毒素M1（AFM1）灵敏免疫层析检测示意图。(C) 实际样品中赭曲霉毒素A（OTA）检测用双模式适体传感器开发示意图。(D) 双模式酶活性钒纳米球介导的多色免疫传感器用于T-2毒素灵敏识别的策略图示。(E) 伏马菌素（FBs）检测用荧光“开启”型传感器的机理示意图。(F) 通用的便携式超灵敏脱氧雪腐镰刀菌烯醇（DON）免疫分析平台示意图。(G) 基于荧光识别的玉米赤霉烯酮（ZEN）比率型适体传感器工作机制示意图。(H) 一种基于小量子点修饰金属有机框架（MOFs）的新型探针，用于液体介质中棒曲霉素的超灵敏检测。(I) 基于智能手机平台和上转换纳米粒子编码微球（UCNMs）的霉菌毒素（玉米赤霉烯酮、赭曲霉毒素A、黄曲霉毒素B1）同步定量分析机制。

结论与展望

本综述深入探讨了化学发光传感、荧光传感、电化学发光传感等多种可视化光学传感模式在霉菌毒素检测中的应用。文中系统阐述了食品中霉菌毒素的危害及传统检测方法的局限性，详细解析了各类光学传感器的工作原理与设计策略。为实现黄曲霉毒素、赭曲霉毒素、伏马毒素等霉菌毒素的高灵敏快速现场检测，研究人员将荧光素、量子点、贵金属纳米颗粒、COFs、MOFs、UCNPs、酶等多种功能材料与光学传感器相融合，并运用共振能量转移（RET）、光诱导电子转移（PET）、聚集诱导发光效应（AIE）等检测机制。特别聚焦光学传感器的可视化平台形式，系统阐释了试纸条、水凝胶、微流控装置及自主研发设备等不同可视化平台类型的工作机制，这些平台的发展为食品安全多场景快速检测提供了更多可能。

在光学传感领域，磷光传感易受氧浓度、温度波动等环境因素干扰，导致稳定性和重复性较低，因此霉菌毒素检测中基于磷光的可视化方法报道较少，且多应用于溶解氧水平较低的液态环境。未来研究需持续探索更稳定的磷光探针并拓展其应用场景。虽然MOFs、碳纳米管（CNTs）等有机多孔材料已广泛应用于霉菌毒素的荧光与比色传感，但同为多孔材料的COFs目前主要应用于食品基质中霉菌毒素的吸附，其光学传感应用多需自发光配体修饰。建议研究者可着力开发更多自发光COFs材料用于实际检测。针对污染范围广、毒性强的黄曲霉毒素、赭曲霉毒素、伏马毒素等常见霉菌毒素，研究者已开发出深度化、多样化的可视化光学传感器，而水溶性强、耐酸且常见于果蔬加工制品的棒曲霉毒素（PAT）相关光学检测方法尚少，这为未来研究提供了新方向。

当前，各类光学传感器搭载的可视化设备已从定性/半定量检测逐步向智能化、便携化、快速定量化方向发展。这要求开发更精准的色彩捕捉设备与更高效信号处理系统，以满足光学传感日益增长的精度与速度需求。在此技术基础上，物联网、云平台与科研及实际生产的深度融合为未来研究开辟了新路径。具体而言，通过融合这些技术，霉菌毒素可视化光学传感可实现检测方法与实际检测结果的数据互联互通，进一步提升检测效能。

来源：食品信息学