新型自供氧纳米酶生物传感器实现沙门氏菌快速检测

近期《Biosensors and Bioelectronics》期刊发表了一项突破性研究，成功开发出一种基于自供氧纳米酶的新型生物传感器，可在15分钟内快速检测沙门氏菌，为现场食品安全监测提供了稳定、经济的解决方案。

技术原理与核心创新

研究创新性地开发了甘露糖功能化的锰基普鲁士蓝类似物（Man-MPN），该材料具备独特的双重功能特性。一方面，通过甘露糖与沙门氏菌表面FimH蛋白的特异性亲和反应，实现细菌的精准捕获，彻底摆脱了传统检测方法对配对抗体的依赖；另一方面，利用锰离子（Mn²⁺/Mn³⁺）的氧化还原循环，激活空气中的溶解氧，催化TMB底物产生显色反应，形成自供氧的自动催化系统。

采用三步合成法：首先通过共沉淀法制备立方体Mn-PBA纳米结构，随后进行碱刻蚀处理增加比表面积和活性位点，最后通过甘露糖功能化修饰获得最终产物。整个工艺过程中，PVP K30作为稳定剂确保纳米颗粒尺寸均一，为后续功能化提供丰富的官能团。

图1 基于Man-MPN的生物传感器示意图^[1]

材料合成与优化工艺

透射电镜结果显示，原始Mn-PBA呈现致密的立方体结构，经过NaOH碱刻蚀后，立方体边缘被蚀刻暴露出更多表面接触点，显著增强了纳米材料的酶活性。甘露糖修饰后的Man-MPN表面形成明显的甘露糖包覆层，平均直径约为250 nm。通过TEM、UV-vis光谱、FT-IR光谱和Zeta电位等多种技术手段验证了Man-MPN优异的细菌捕获能力。透射电镜图像清晰显示，Man-MPN能够特异性吸附在沙门氏菌表面形成稳定复合物，Zeta电位从-37.9 mV变为-29.6 mV，进一步证实了成功的结合反应。

催化性能与稳定性研究

Man-MPN展现出卓越的氧化酶样活性，能够有效催化TMB氧化产生蓝色产物。动力学研究表明，其Michaelis常数（Km）为10.6 mM，最大反应速率（Vmax）达到6.395 × 10⁻⁷ M s⁻¹，催化效率（Kcat/Km）为1.77 × 10⁻¹ M⁻¹ s⁻¹，优于多数已报道的纳米酶材料。该纳米酶在30-90°C宽温度范围内保持高催化活性，在4°C储存20天后仍能维持90%以上的活性。特别值得一提的是，与传统的辣根过氧化物酶（HRP）相比，Man-MPN在碱性条件（pH 9.0）和高温（60°C）环境下表现出更优异的稳定性，在60°C处理10分钟后仍能保持88.77%的活性，而HRP仅剩14.86%。

检测性能与实用性验证

在优化条件下，该生物传感器对沙门氏菌的视觉检测限为10⁴ CFU/mL，经过纳米酶催化显色放大后，检测限显著降低至10³ CFU/mL，灵敏度提升10倍。检测线性范围为10³-10⁷ CFU/mL，线性方程为y = 3385.80x - 6965.11（R² = 0.980）。对7种常见食源性病原体的交叉反应性均低于5%，显示出卓越的特异性。在橙汁、牛奶和鸡肉真实样品中的检测结果表明，该传感器具有出色的实用性能。催化前的检测限分别为10⁴ CFU/mL（橙汁）、10⁴ CFU/mL（牛奶）和5×10³ CFU/mL（鸡肉），催化后分别降至10³ CFU/mL、10³ CFU/mL和5×10³ CFU/mL。回收率实验显示，催化前后的平均回收率分别为88.90%-114.48%和83.22%-109.49%，相对标准偏差均小于9.55%。

结论

这项研究的主要突破在于成功开发了一种不依赖外源H₂O₂的自供氧纳米酶系统，通过巧妙的材料设计和功能化修饰，实现了检测性能的显著提升。该技术不仅为食品安全现场快速检测提供了创新解决方案，在医疗诊断、环境监测等领域也具有广阔的应用前景。研究团队表示，将继续优化材料性能和检测工艺，推动该技术的产业化应用。

参考文献：[1] Deng et al., Self-oxygenating nanozyme-based biosensor for rapid detection of Salmonella typhimurium. Biosensors and Bioelectronics, 2026, 293: 118162. DOI: 10.1016/j.bios.2025.118162.