在城市水源的微观世界里，一场无声的战斗时刻都在进行，而沙门氏菌就是隐藏其中的 “危险分子”。它能通过受污染的水或食物进入人体，引发严重肠胃炎，甚至可能导致败血症，严重威胁人类健康。传统检测方法，如细菌培养，既耗时又繁琐，难以满足快速、精准检测的需求。近日，西北师范大学Xiaoquan Lu团队的一项新研究带来了令人振奋的消息，一种新型比率电化学生物传感平台横空出世，为城市水源安全保驾护航。

这种生物传感器的工作原理精妙而复杂。它巧妙地结合了 DNAzyme（脱氧核酶）和金属 - 有机框架（MOF）的电化学信号，并借助催化发夹组装（CHA）引发的目标特异性切割来实现程序化 DNA 组装放大。基本原理如图1所示。

图1 （A）PCN-222(Fe)和PCN-222(Fe)/H3的制备过程示意图。（B）基于DNAzyme和催化发夹自组装的电化学传感平台用于沙门氏菌检测的示意图

识别与切割启动：DNAzyme 用于识别鼠伤寒沙门氏菌（Salmonella typhimurium，简称 Salmonella），当存在 Salmonella 时，其释放的 RNase H2（STH2）会特异性地切割 DNAzyme 中的 rA 位点。此时，被检测部分 TE 变成C_DNAzyme，C_DNAzyme作为起始链，启动整个 CHA 过程。CHA 循环放大：在存在 H1 的情况下，C_DNAzyme能够打开 H1 的发夹结构，使 DNAzyme 和 H1 结合形成稳定的双链。当体系中存在 H2 时，H1 与 H2 的结合力比C_DNAzyme与 H1 更强，会形成更稳定的 H1 - H2 双链，导致C_DNAzyme被释放，释放后的C_DNAzyme又可以参与下一轮反应。如此循环，促使更多 H1 - H2 双链共轭物形成。这些共轭物能够特异性地与锚定链 H3 结合，形成更长的双链结构。

电化学信号产生：为实现比率双信号策略，研究选择了两种电化学信号物质。一是将电化学信号标签二茂铁（Fc）修饰到 DNA 序列 H1 上，二是选用具有高氧化还原电位分离的 Fe - MOF 作为信号探针。在检测过程中，固定在电极表面的 Fe - MOF 在无目标物时能产生稳定电流响应，作为内部标准信号。随着 Salmonella 的存在引发 CHA 反应，H1 - H2 双链共轭物不断形成并结合到电极表面，使得 H1 序列上的 Fc 靠近电极表面。通过交流伏安法（ACV）在特定电位范围（−0.4−0V 和 0.2−0.6V vs 饱和甘汞电极）测量，此时就会产生基于 Fc 的电化学信号。随着 Salmonella 浓度增加，CHA 反应产生的 H1 - H2 双链共轭物增多，Fc 信号增强，而 MOF 信号基本保持稳定，通过分析 Fc 信号与 MOF 信号的峰电流强度比，就能实现对 Salmonella 浓度的检测 。

研究人员对制备的 PCN - 222 (Fe) 和 PCN - 222 (Fe)/H3 进行了全面表征，结果显示材料结晶度良好、结构稳定且成功结合。对 DNAzyme 的优化实验表明，含 7 个互补碱基对的变体反应动力学最佳，且 CHA 反应具有高度的空间选择性，能有效减少背景干扰。性能测试结果令人惊喜，该生物传感器检测限低至 489 CFU/mL，在3.2×10²至3.2×10⁷ CFU/mL浓度范围内呈良好线性关系。它特异性强，对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和福氏志贺氏菌等干扰菌几乎无响应；重复性佳，相对标准偏差仅 3.6%；稳定性好，在 4°C 储存 120 h 后信号值仍达初始值的 92%。在实际样品检测中，该传感器对城市水源水样的检测结果与商业检测试纸基本一致，但更为灵敏，在复杂样品检测方面表现出色。

这一新型比率电化学生物传感平台，克服了单电化学传感器的弊端，提供了稳定的检测平台，为不同病原体的检测开辟了新方向。未来，它有望在便携式传感平台上广泛应用，成为守护食品安全的坚固防线。

原文链接：https://doi.org/10.1021/acs.est.4c14438