综述：分子印迹聚合物在霉菌毒素生物传感中的应用：理性设计、高级应用与未来展望

《Biosensors and Bioelectronics》：Molecularly Imprinted Polymers for Mycotoxin Biosensing: Rational Design, Advanced Applications, and Future Horizons

本综述系统阐述了分子印迹聚合物（MIPs）作为变革性合成受体在霉菌毒素检测领域的最新进展。文章重点分析了从经验合成到计算引导的理性设计范式转变，探讨了分子识别机制、单体-交联剂协同作用以及表面印迹、表位/虚拟模板等创新策略。同时，评述了集成纳米材料与光/电化学换能器的性能增强型传感平台，展示了通过双模式信号、纳米酶催化、自供能系统实现的超低检测限。最后，对刺激响应型MIPs和人工智能（AI）辅助分子设计等重塑生物传感器能力的变革性发展进行了展望。

　　

分子印迹聚合物在霉菌毒素生物传感中的应用：理性设计、高级应用与未来展望

Abstract

分子印迹聚合物（MIPs）作为变革性的合成受体，因其卓越的稳定性和设计灵活性，在应对全球食品安全挑战的霉菌毒素检测领域崭露头角。本综述系统审视了MIPs从经验合成到计算引导的理性设计的范式转变，重点阐述了分子识别机制、单体-交联剂协同作用的基本进展，以及表面印迹、表位/虚拟模板等创新制备策略。我们批判性地分析了集成纳米材料与光学和电化学换能器的性能增强型传感平台，这些平台通过双模式信号、纳米酶催化和自供能系统展示了前所未有的检测限。该综述进一步阐明了正在重塑生物传感器能力的刺激响应型MIPs和人工智能（AI）辅助分子设计等变革性发展。尽管取得了显著进展，但在模板去除保真度、多重检测特异性和现场检测集成方面仍然存在关键挑战。未来的进步将需要计算建模、可持续纳米材料工程和微流控系统集成的跨学科融合，以实现稳健、可现场部署的生物传感平台。这项综合分析为开发能够在复杂食品供应链中进行可靠霉菌毒素监测的下一代基于MIP的传感器提供了战略框架，最终有助于加强食品安全治理和公共卫生保护。

Introduction

霉菌毒素是由曲霉属（Aspergillus）、镰刀菌属（Fusarium）和青霉属（Penicillium）等真菌产生的次级代谢产物，对粮食安全和公共卫生构成重大威胁。这些毒素在收获前和收获后阶段污染谷物、坚果、水果及其衍生物。据联合国粮食及农业组织（FAO）估计，全球约25%的农作物每年受到影响，导致数十亿美元的经济损失。在已鉴定的400多种霉菌毒素中，黄曲霉毒素（特别是黄曲霉毒素B₁， AFB₁）、玉米赤霉烯酮（ZEN）、赭曲霉毒素A（OTA）、脱氧雪腐镰刀菌烯醇（DON）和伏马菌素（例如伏马菌素B₁， FB₁）因其致癌、肝毒性、免疫抑制和生殖毒性作用而受到特别关注。其中几种化合物被世界卫生组织（WHO）列为I类/II类致癌物。为保障公众健康，监管机构制定了食品中霉菌毒素的严格限值。例如，世卫组织将婴儿谷物中的总黄曲霉毒素水平限制为≤5 μg/kg，而欧盟委员会将特定谷物中OTA的最高水平设定为≤3 μg/kg。这些法规要求具有能够检测痕量水平霉菌毒素的高灵敏度方法。

目前，液相色谱-质谱法（LC-MS）和酶联免疫吸附测定法（ELISA）仍然是霉菌毒素分析的金标准。LC-MS灵敏度高，可同时检测多种毒素，但其成本高且需要熟练的操作人员，限制了其在现场环境中的应用。相比之下，ELISA更易获得，但受到抗体不稳定性、批间差异以及复杂基质中的交叉反应性的限制。将识别元件与物理化学换能器集成的生物传感器为快速筛查提供了一种有前景的替代方案；然而，天然受体通常缺乏长期稳定性，并且易受复杂样品环境的干扰。

分子印迹聚合物（MIPs）代表了生物识别元件的一种有前景的替代品。这些合成受体通过模板定向聚合产生，生成在大小、形状和官能团上与目标分析物互补的结合空腔。与天然受体相比，MIPs具有明显的优势，包括优异的化学稳定性、可调节的选择性、可重复使用性和较低的生产成本，使其对传感器应用极具吸引力。MIPs与纳米材料（如金纳米颗粒（AuNPs）、石墨烯衍生物、量子点（QDs）和金属有机框架（MOFs））的集成通过提高导电性、增加表面积和增强光学响应性进一步提升了传感器性能。这些协同效应带来了显著更低的检测限和更大的设备小型化潜力。尽管取得了这些进展，但将基于MIP的传感器转化为实际应用仍存在关键挑战。模板泄漏、非特异性吸附、有限的重现性和可扩展性等持续存在的问题继续阻碍其广泛应用。

本综述全面概述了过去十年（2015–2025年）基于MIP的霉菌毒素检测生物传感技术的发展。我们重点介绍了MIP设计方面的关键进展，包括合理的单体-模板优化、计算建模以及将纳米材料纳入光学和电化学换能器。与先前主要强调化学合成或孤立应用的综述不同，我们提出了一个连接设计原理与传感器性能的综合视角。此外，我们批判性地审视了基于MIP的生物传感中持续存在的挑战，如模板去除、非特异性结合和可扩展性，并提出了前瞻性策略，包括AI辅助MIP设计、可持续纳米材料集成和多分析物传感。这些方法有望加速基于MIP的传感器向食品安全监测实用平台的转化。

Rational design fundamentals of MIPs for mycotoxin sensing

MIPs的理性设计对于开发高性能霉菌毒素生物传感器至关重要。此过程直接影响识别界面的特异性、稳定性和重现性，确保可靠和准确的传感性能。本节批判性地审视了指导MIP发展的基本原理，重点关注分子识别机制、制备策略、组分间的协同相互作用、与模板去除相关的挑战以及计算方法的整合。通过理解这些基本原理，研究人员可以设计出具有增强结合亲和力和选择性的MIP，为稳健的传感应用铺平道路。

MIP-Based mycotoxin sensors: Performance-driven design strategies

作为稳健的合成受体，MIPs提供了选择性、稳定且经济高效的霉菌毒素检测方法。然而，其实际功效关键取决于MIP层与传感平台的协同集成。本节对主要传感策略进行了以性能为导向的分析，评估了传感器架构和MIP特性的协同设计如何主导性能。通过比较关键的工程原理和权衡，我们阐明了设计高性能MIP传感器以用于实际霉菌毒素检测的途径。

Limitations of current MIP-based sensors for mycotoxin detection

尽管基于MIP的霉菌毒素检测传感器取得了显著进展，但其从实验室研究到实际、可现场部署应用的转化仍然受到若干关键限制的制约。这些挑战超出了材料设计范畴，涵盖了检测性能、多重检测能力和设备小型化。对这些瓶颈进行透彻分析对于理解当前研究与现场检测严格需求之间的差距至关重要。

Conclusions and future perspectives

MIPs已成为稳健、可调且经济高效的合成受体，在霉菌毒素生物传感方面取得了显著进展。通过整合理性分子设计、纳米界面工程和混合传感策略，最近的研究实现了卓越的灵敏度和选择性，常常超越传统分析法的能力。然而，与重现性、多重检测和向现场检测（POC）平台转化相关的挑战仍然存在。未来的研究应优先考虑计算工具（如分子动力学和AI）的整合，以优化单体选择和聚合物组成。将MIPs与新兴纳米材料和微流控技术相结合，有望实现用于同时检测多种霉菌毒素的便携式、用户友好型设备。此外，需要探索可持续材料和绿色合成方法，以最大限度地减少环境影响。通过解决这些方面的问题，基于MIP的传感器有潜力彻底改变食品安全监测，为全球健康和安全做出贡献。