自供电生物哨兵：一键触发细菌检测与实时消杀模式

细菌污染（如大肠杆菌）严重威胁公共健康，传统检测方法（如培养计数、PCR）耗时且操作复杂，难以满足现场监测需求。酶生物燃料电池（EBFC）因无需外部电源、环境友好，在生物传感中具潜力，但酶固定化过程中催化活性低和稳定性差限制其应用。金属有机框架（MOF）封装酶可保护酶活性，但其紧凑结构易导致底物扩散受限。此外，原位消除细菌的功能集成对环境治理至关重要，Ag⁺因破坏细菌细胞膜的特性成为理想抗菌剂，但如何将检测与消除高效结合仍是挑战。

本文设计的自供电平台通过空心MOF增强酶活性，结合催化发夹组装（CHA）信号放大，实现检测与消除的一体化，为现场微生物监测提供新方案。

方案1.基于空心MOF纳米反应器结合CHA扩增的EBFCS自供电型大肠杆菌检测与原位清除生物传感器示意图。

研究内容

图1.GOx@hsZIF-8的合成与表征

通过温和蚀刻法制备空心ZIF-8封装葡萄糖氧化酶（GOx@hsZIF-8），SEM/TEM显示其空心立方结构，粒径约400nm，EDS证实Zn、Co、S元素均匀分布。XPS和FT-IR表明GOx成功封装且界面相互作用减弱，N₂吸附显示其介孔结构（孔径5.49nm），封装效率达80.14%。空心结构使GOx保持近天然构象，热稳定性优于游离酶，为催化活性提升奠定基础。

图2.GOx@hsZIF-8生物催化性能的表征

GOx@hsZIF-8催化活性达游离酶的89%，是实心MOF封装酶的5.2倍。尿素处理实验显示其构象灵活性接近游离酶，证实空心结构减少酶限制。在酸性（pH4.0）、丙酮和60℃条件下，活性保留率分别为75%、56%、80%，优于游离酶，归因于MOF框架的保护作用，平衡了催化活性与稳定性。

图3.生物阳极和生物阴极的电化学性能

生物阳极通过HA修饰GOx@hsZIF-8并结合SiO₂-cDNA“门控”结构，EIS显示逐步修饰后电荷转移电阻增加，CV/DPV证实葡萄糖氧化的电信号响应。生物阴极通过AuNPs固定发夹DNA1，EIS验证其成功修饰。

图4.基于EBFCS的自供电生物传感器检测大肠杆菌的性能

优化后平台对大肠杆菌检测范围为10–1×10⁷CFU/mL，检测限3CFU/mL。特异性实验显示对其他菌响应低，稳定性测试中9天后信号保留率97.2%，循环使用5次信号恢复率超90%，结合CHA信号放大，实现高灵敏与可靠性检测。

图5.GOx@hsZIF-8的原位抗菌活性

检测过程中GOx氧化葡萄糖生成H₂O₂，触发AgNPs氧化释放Ag⁺，2小时内抗菌率达99.9%，优于单一GOx或AgNPs组。Ag⁺破坏细菌细胞膜并干扰DNA复制，空心MOF与Ag⁺的协同作用实现检测-消除一体化，解决传统方法需分步处理的问题。

 本研究构建的自供电生物传感器平台，通过空心MOF增强酶活性，结合CHA信号放大与Ag⁺释放，实现大肠杆菌的高灵敏检测与原位消除。平台检测限低、特异性强，在海水样品中表现出良好适用性，为环境细菌的现场监测与治理提供了集成化方案。未来可结合智能手机开发便携式设备，推动其在环境与食品安全领域的应用。

 原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202420480