碳点+共价有机框架：FRET免疫传感器精准识别大肠杆菌O157:H7

原创

来源：蔡伟程

2025-03-14 09:34:07

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核心提示：研究人员采用了一种新型的荧光共振能量转移（FRET）技术，结合碳点（CDs）和共价有机框架（COFs），设计了一种免疫传感器。

引言

近年来，随着人们对食品安全的关注不断加深，致病性大肠杆菌（E. coli）尤其是O157:H7菌株的检测显得尤为重要。E. coli O157:H7是一种高致病性细菌，常通过污染的食物传播，可能导致严重的健康问题，包括出血性肠炎和肾衰竭。因此，开发一种高效、灵敏的检测方法对于保障食品安全至关重要。

FRET技术的应用

在此背景下，研究人员采用了一种新型的荧光共振能量转移（FRET）技术，结合碳点（CDs）和共价有机框架（COFs），设计了一种免疫传感器。这种传感器的工作原理是利用CDs作为荧光供体，而COFs作为荧光受体。通过特异性抗体与E. coli O157:H7的结合，传感器能够实现对该细菌的灵敏检测。

图1 (a)共价有机框架的扫描电子显微镜图像，(b)共价有机框架的透射电子显微镜图像，(c)共价有机框架的X射线衍射图，(d)共价有机框架的三维荧光光谱图，(e)共价有机框架的傅里叶变换红外光谱，(f)共价有机框架的X射线光电子能谱全谱。

碳点与共价有机框架的优势

碳点作为一种新兴的荧光材料，具有低毒性、生物相容性好、荧光稳定性高等优点。这使得它们在食品安全检测中成为理想的选择。同时，COFs因其优良的稳定性和可调节的荧光特性，能够有效提高传感器的性能。通过将这两种材料结合，研究人员成功构建了CD-Ab-COF免疫传感器。

免疫传感器的构建过程

研究中，研究人员首先合成了碳点，并通过EDC/NHS方法将特异性抗体与碳点结合，形成CD-Abs复合物。随后，CD-Abs与COFs通过氢键和范德华力等相互作用结合在一起，形成了CD-Ab-COF复合物。在没有E. coli O157:H7的情况下，CD-Abs与COFs之间的相互作用使得荧光信号减弱。然而，当E. coli O157:H7存在时，抗体与细菌结合形成免疫复合物，打破了CDs与COFs之间的连接，导致荧光信号恢复。

图2（a）：FTIR对比连接抗体前后碳点的光谱。从光谱变化可看出，连接抗体后，碳点原本1715 cm^-1处的峰几乎消失，同时出现1631 cm^-1的新峰，证明抗体成功连接到碳点上，形成了CD-Abs复合物，这与研究中“通过EDC/NHS方法将特异性抗体与碳点结合，形成CD-Abs复合物”的过程相对应。（b）：对比连接抗体前后碳点的荧光强度。连接抗体后荧光强度降低，体现了CD-Abs复合物形成后荧光信号的变化，与“CD-Abs与COFs之间的相互作用使得荧光信号减弱”相关，可作为荧光信号变化的参考依据。（c）：展示因抗体附着导致的碳点电位变化。通过电位从- 37.3mV变为- 18.5mV，进一步证明抗体成功附着到碳点上，为CD-Abs复合物的形成提供了另一个层面的证据。（d）：呈现不同浓度的COFs对碳点的猝灭作用。随着COFs浓度增加，碳点荧光信号显著猝灭，这与“CD-Abs与COFs之间的相互作用使得荧光信号减弱”相呼应，直观展示了COFs对碳点荧光强度的影响。（e）：反映碳点与COFs在不同作用时间下碳点的荧光变化。在10-30分钟内，碳点荧光强度下降，30-40分钟基本不变，40分钟后开始恢复，与研究中描述的检测过程中荧光信号变化过程相符，有助于理解荧光信号随时间的动态变化。（f）：CD-Ab-COF的扫描电镜图像。从图像中可看到COFs吸附CD-Abs后形状从球形变为不规则且有众多突起，直观呈现了CD-Ab-COF复合物的形态，验证了复合物的形成。

灵敏度与检测范围

该免疫传感器展现出优异的灵敏度，能够在0到10⁶ CFU/mL的范围内进行线性检测，最低检测限（LOD）为7 CFU/mL。这一性能的提升使得传感器能够在复杂的食品样品中快速、准确地检测出E. coli O157:H7，显著提高了食品安全检测的效率。

图3 (a)浓度为0-10⁶ CFU/mL的大肠杆菌O157:H7与CD-Ab-COF的反应曲线，(b)线性标准曲线，(c)大肠杆菌O157:H7与CD-Ab-COF相互作用的透射电镜图像。

实际应用与前景

在实际应用中，研究人员对不同浓度的E. coli O157:H7进行了检测，结果表明该传感器在牛奶等食品样品中也能有效识别细菌。通过将牛奶样品与不同浓度的E. coli O157:H7混合，研究人员发现该传感器能够在87.10%至109.82%的回收率范围内准确检测到细菌，证明了其在食品安全检测中的潜在应用价值。

表1 牛奶中大肠杆菌O157:H7的检测结果及回收率。

结论

综上所述，基于FRET技术的CD-Ab-COF免疫传感器为E. coli O157:H7的快速检测提供了一种新方法。其高灵敏度和特异性使其在食品安全领域具有广泛的应用前景。随着技术的不断发展，这种传感器有望在未来的食品检测中发挥更大的作用，为公众健康保驾护航。

参考文献：

Wang S, Liang N, Hu X, et al. Carbon dots and covalent organic frameworks based FRET immunosensor for sensitive detection of Escherichia coli O157: H7[J]. Food Chemistry, 2024, 447: 138663.