综述：基于纳米聚集体的创新性电化学发光传感器用于食源性污染物分析

时间：2025年12月24日

来源：Biosensors

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本综述系统介绍了基于纳米聚集体（如金属纳米颗粒、量子点等）的电化学发光（ECL）传感器在食源性污染物检测中的最新进展。重点阐述了其工作原理（识别元件与信号转换）、传感模式（信号开关/比率型/多模态）及在农药残留（如有机磷）、霉菌毒素（如黄曲霉毒素B1）、抗生素（如卡那霉素）、病原体（如金黄色葡萄球菌）、重金属离子（如Pb2+）和非法添加剂（如三聚氰胺）检测中的应用，并展望了提高ECL效率、多目标检测、比率传感、ECL成像及与人工智能结合的未来挑战与趋势。

基于纳米聚集体的创新性电化学发光传感器用于食源性污染物分析

食源性污染物的广泛存在对全球公共卫生构成严重威胁，因此开发快速、灵敏且通用的检测方法至关重要。电化学发光（ECL）传感器，特别是那些结合了创新纳米聚集体的传感器，因其卓越的灵敏度和低背景信号，在食品污染物残留检测中显示出巨大潜力。本综述系统总结了基于纳米聚集体的新型ECL传感器的最新进展，重点介绍其基本原理、代表性应用以及面临的挑战和未来趋势。

纳米聚集体ECL传感器的基础

工作原理

纳米聚集体ECL传感器的运行依赖于一个包含识别元件和转换器的集成系统。识别元件（如抗体、适配体或分子印迹聚合物）用于特异性识别样品中的目标物，而转换器则将识别事件转化为可测量的电化学发光信号。纳米聚集体作为活性元件，通过直接或间接参与ECL过程，显著增强了传感器的灵敏度和信号响应。

纳米聚集体作为活性元件

纳米聚集体是通过非共价相互作用（如范德华力、氢键、π-π堆积）自组装形成的纳米尺度稳定集合体。它们具有独特的物理化学性质，如表面效应、聚集诱导发光（AIE）效应和量子尺寸效应，使其成为ECL传感器的理想活性组分。纳米聚集体在传感器中扮演多种角色：作为发光反应物和识别元件的纳米载体、作为提高反应动力学的纳米催化剂、作为ECL猝灭剂以实现信号精确控制，或直接作为ECL纳米发光体或共反应剂。

常见的纳米聚集体包括：

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金属纳米颗粒（如AuNPs、AgNPs）：具有优异的催化活性和局部表面等离子体共振（LSPR）效应，可增强ECL效率。
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量子点（QDs）：半导体纳米晶体，具有尺寸可调的发光、高量子效率和抗光漂白性，可作为发光体、共反应剂或催化剂。
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聚合物点（Pdots）：由共轭或功能聚合物自组装形成，具有超高亮度、优异的光稳定性和生物相容性。
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金属纳米团簇（如AuNCs、CuNCs）：具有原子精确的结构和稳定的光电性质，可作为ECL纳米探针或共反应剂。
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AIE基聚集体：由AIE活性小分子（如四苯基乙烯TPE）自组装形成，作为增强的ECL发光体。
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氢键有机框架（HOFs）：通过氢键相互作用自组装形成的多孔晶体材料，作为新兴的ECL纳米发光体。

传感模式

基于纳米聚集体的ECL传感器发展了多种传感模式：

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“信号开启”模式：ECL强度与分析物浓度成正比。
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“信号关闭”模式：ECL强度随分析物浓度增加而降低。
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比率传感模式：利用双信号输出（阳极和阴极ECL），通过信号比值进行定量，具有自校正和抗干扰能力，提高了检测准确性和灵敏度。
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多模态传感模式：整合ECL信号与其他信号类型（如荧光FL、电化学EC、光热PT），提供更优越的选择性、信噪比和准确性。

在食源性污染物检测中的应用

农药残留检测

农药的不规范或过度使用导致其在农产品中残留，进而通过食物链危害消费者健康。基于纳米聚集体的ECL传感器已广泛应用于农药残留检测。

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有机磷农药（OPs）：如马拉硫磷（MAT）、异丙威（ICP）。例如，基于二硫化钨量子点（WS₂QDs）的ECL传感器可直接检测水体和菠菜中的OPs；基于ILu-HOFs的“三明治”型ECL适配体传感器可超灵敏检测湖水和小黄瓜汁中的ICP。
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新烟碱类农药：如啶虫脒（ACE）。基于AIE活性Pdots的ECL共振能量转移（RET）传感器可实现ACE的超灵敏检测，检测限低至9.1 aM。

霉菌毒素检测

霉菌毒素是由真菌产生的次级代谢产物，具有致癌、致畸等风险。

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曲霉毒素：如黄曲霉毒素B1（AFB1）和赭曲霉毒素A（OTA）。基于硫空位修饰的MXene量子点异质结（MQD@SnS₂）的ECL传感器可用于检测鱼干中的AFB1；基于CdTe QDs与Cy5之间ECL-RET的传感平台可用于玉米中OTA的检测。
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镰刀菌毒素：如脱氧雪腐镰刀菌烯醇（DON）和玉米赤霉烯酮（ZEN）。基于SnS₂QDs和金属聚多巴胺框架（MPF）双猝灭效应的ECL免疫传感器可超灵敏检测玉米和小麦中的ZEN；基于AIE活性Pdots的“开-关-开”ECL适配体传感平台可实现DON和相思豆毒素（ABR）的顺序定量检测。

抗生素检测

抗生素在畜牧业中的滥用导致其在动物源性产品中残留，引发抗生素耐药性等问题。

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恩诺沙星（ENR）：基于Bi₂S₃QDs的分子印迹聚合物（MIP）传感器可实现鸡蛋中ENR的同步差分脉冲伏安法（DPV）和ECL双模式检测。
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卡那霉素（KAN）：基于立方体状Tr-HOFs的ECL适配体传感器可实现牛奶和血清中KAN的高选择性检测。
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氯霉素（CAP）：基于葫芦[8]脲与TPPE超分子组装体（CB[8]-TPPE）的比率型ECL传感器可实现蜂蜜和牛奶中CAP的超灵敏测定。
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四环素（TC）：基于AIE活性OVA/ETTA的ECL传感平台和基于双色金纳米簇（Au NCs）的便携式双信号传感器均可用于牛奶中TC的检测。

病原体检测

食源性病原体污染是严重的全球公共卫生问题。

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金黄色葡萄球菌（S. aureus）：基于DNA步行器和ECL-RET/表面等离子体共振（SPR）协同机制的刺激响应型ECL传感器可实现食品中S. aureus的超灵敏检测和原位灭菌。
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大肠杆菌O157:H7（E. coli O157:H7）：基于HOF-101@AgNPs的ECL/FL双模式适配体传感器可实现自来水和牛奶中E. coli O157:H7的高精度检测。
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副溶血性弧菌（VP）：基于甲硫氨酸封端的AuNCs（Met-AuNCs）和DNAzyme驱动的DNA步行器级联信号放大策略的ECL传感平台可高灵敏检测扇贝等海产品中的VP。

重金属离子检测

重金属离子在生物体内富集，对人体健康造成不可逆损害。

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铅离子（Pb²⁺）：基于AIE活性金纳米簇（Au NCs）和RET效应的“开-关-开”ECL生物传感器，以及基于氮掺杂碳量子点（NCQDs）猝灭和G-四链体生成的协同信号放大“关-开”ECL适配体传感器，均可超灵敏检测土壤和水体中的Pb²⁺。
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汞离子（Hg²⁺）：基于CdTe@CdS QDs与AuNPs之间ECL-RET的可切换“开-关-开”适配体传感策略，以及基于EuS NCs的标记型ECL传感平台，均可实现水产品和海产品中Hg²⁺的超灵敏检测。
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镉离子（Cd²⁺）：基于AIE活性Pdots和BHQ猝灭剂的ECL-RET传感器可检测灵芝中的Cd²⁺。此外，基于铽有机凝胶（TOG）和Ru(phen)₃²⁺双ECL发光体的双电位ECL适配体传感器可同时检测大米中的Cd²⁺和Mg²⁺。

非法添加剂检测

非法添加剂的滥用严重危害消费者健康。

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三聚氰胺：基于碳纳米管（CNTs）负载Ru(bpy)₃²⁺并以CdSe@ZnSe QDs作为共反应促进剂的ECL传感器可实现牛奶中三聚氰胺的高选择性监测。
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苏丹红I：基于CdSe@CdS QDs作为信号探针、钯/金核壳纳米晶（Pd/Au CSNs）和金纳米棒功能化氧化石墨烯（GNRs/GO）作为纳米载体的竞争型ECL免疫传感器，可超灵敏检测番茄酱、辣椒酱等中的苏丹红I。