守护食品安全：新型电化学生物传感器助力食源性致病菌检测

食源性致病菌（如大肠杆菌O157:H7）可引发全球性流行病，导致严重的健康问题和经济损失。常规的检测方法（如培养法、免疫分析、表面增强拉曼散射和测序等）通常耗时长、操作复杂且需要昂贵的设备，难以满足快速现场检测的需求。因此，开发一种快速、灵敏且高效的检测方法显得尤为重要。近年来，电化学生物传感器因其操作简便、成本低廉和高灵敏度等优势受到广泛关注，结合等温扩增技术和新型材料（如共价有机框架COFs和磁性纳米材料Fe₃O₄）的应用，有望为食源性致病菌的检测提供一种新的解决方案。

近日，江西理工大学功能晶体材料化学江西省重点实验室张家林团队等在Sensorsand  Actuators B: Chemical期刊上发表了题为 ：Ultrasensitive electrochemical biosensor for bacteria detection based on Fe3O4@COF-AuNPs and trigging isothermal circular amplification论文。

研究者选用Fe₃O₄@COF-AuNPs作为核心材料。这种材料结合了Fe₃O₄的磁性、共价有机框架（COFs）的高比表面积和有序孔结构，以及金纳米颗粒（AuNPs）的催化特性，用于增强电化学信号。通过自组装的方式，将双链DNA（dsDNA）固定在电极表面，形成DNA单分子层。该DNA单分子层具有多个功能区域，用于结合目标细菌的适配体（HAP）。利用Klenow片段聚合酶（KF-Poly）触发等温循环扩增反应。当目标细菌（E. coli）存在时，其与适配体结合导致HAP的构象变化，从而启动TICA反应，使HAP从DNA单分子层脱离。Fe₃O₄@COF-AuNPs通过DNA互补配对固定在电极表面，对4-硝基苯酚（4-NP）的还原表现出高电催化活性，实现对目标细菌的超灵敏检测。

图1 采用功能化 Fe₃O₄@COF-AuNPs 和 TICA 构建细菌电化学传感器的示意图

图2 表征结果验证了Fe₃O₄@COF-AuNPs复合材料的成功合成及其结构特性，为后续的电化学检测提供了材料基础。

图3 传感器的检测过程验证。

使用荧光探针（TMARA）和AuNPs标记的DNA探针验证TICA反应。结果显示，E. coli存在时，TICA反应发生，荧光恢复，证明了TICA的可行性。

通过EIS监测电极表面的变化。结果显示，随着TICA反应的发生和Fe₃O₄@COF-AuNPs的固定，电极表面的阻抗值发生变化，表明传感器能够有效响应目标细菌的存在。

通过CV曲线的变化，进一步验证了传感器的检测过程。E. coli存在时，CV电流显著增加，表明TICA反应成功启动，且Fe₃O₄@COF-AuNPs能够有效催化4-硝基苯酚的还原反应。

在含有4-硝基苯酚的PBS溶液中，不同浓度的E. coli导致不同的CV电流响应，表明传感器具有良好的线性关系和低检测限。

通过电泳验证了TICA反应过程中DNA结构的变化。结果显示，只有在目标E. coli存在时，TICA反应才会发生，进一步证明了传感器的选择性。

图4展示了传感器对不同细菌的选择性测试结果。

分别检测了E. coli和其他六种干扰细菌（如铜绿假单胞菌、金黄色葡萄球菌等）以及混合样本。结果显示，只有E. coli能够引起显著的电流响应，而其他细菌几乎无响应，表明传感器具有高度的选择性。

总结：该研究开发的基于Fe₃O₄@COF-AuNPs和TICA的电化学生物传感器为食源性细菌的快速检测提供了一种新的、高效的技术手段。其高灵敏度、快速检测能力、良好的选择性和稳定性使其成为一种有潜力的检测工具，能够满足食品安全和公共卫生领域的实际需求。

参考文献：

[1] Zhang J, Zhou M, Yang L, et al. Ultrasensitive electrochemical biosensor for bacteria detection based on Fe3O4@ COF-AuNPs and trigging isothermal circular amplification[J]. Sensors and Actuators B: Chemical, 2025,422:136609.