单原子铜纳米酶赋能比色传感实现食源性致病菌高灵敏检测

原创

来源：蔡伟程

2026-04-02 16:35:39

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核心提示：本研究通过超分子自组装 - 热解策略制备出高负载 Cu-N3配位结构的单原子纳米酶 Cu-SA-CN，其具有优异的过氧化物酶样活性和稳定性。基于该材料构建的免疫磁珠比色生物传感器，实现了鼠伤寒沙门氏菌的高灵敏、高特异检测，检测限低至 12.7 CFU mL⁻¹，且在鸡肉实际样品中表现出良好的检测准确性。该研究不仅为单原子纳米酶的设计提供了新方法，也为复杂食品基质中食源性致病菌的快速检测提供了新型技术手段，具有重要的食品安全检测应用价值。

食源性致病菌的快速、灵敏检测是保障食品安全和全球公共卫生的关键环节。尽管现有的检测技术（如平板计数、PCR等）具有一定的准确性，但往往受限于检测时间长、操作复杂及成本高昂。纳米酶（Nanozymes）因其可调的催化性能、优异的稳定性和低成本，被视为天然酶的理想替代品。然而，传统纳米酶存在结构异质性和活性位点聚集的问题，导致原子利用率低，限制了其在比色传感中的灵敏度。

近期，在《Journal of Hazardous Materials》上报道了一种通过超分子自组装和热解策略制备的、锚定于氮化碳（Carbon Nitride, CN）上的单原子铜纳米酶（Cu-SA-CN）。该材料具有高达24.1 wt%的铜负载量，并表现出卓越的类过氧化物酶（Peroxidase-like, POD）活性，为食源性致病菌的高灵敏度比色检测提供了新的技术路径。

材料合成与表征

研究团队采用了一种创新的超分子自组装结合热聚合策略。首先，利用三聚氰酸和三聚氰胺在二甲基亚砜中自组装形成氢键连接的超分子前驱体（MCA），随后引入铜源进行混合蒸发，最后在氮气氛围下进行热解。

通过球差校正扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）和X射线吸收精细结构（XAFS）等表征技术，研究者证实了铜原子在CN基底上实现了原子级分散，并形成了Cu-N₃配位结构。X射线光电子能谱（XPS）和XAFS分析进一步揭示，铜主要以+1价（Cu⁺）的形式存在，并与基底中的吡啶氮（Pyridinic N）发生配位。这种独特的原子分散状态使得Cu-SA-CN的金属原子利用率接近100%，且具有高度均匀的活性位点。

图1 基于铜单原子 - 氮化碳的鼠伤寒沙门氏菌比色生物传感器示意图

催化性能与机理研究

在模拟过氧化物酶活性测试中，Cu-SA-CN表现出了显著优于本征氮化碳（Pristine CN）的催化性能。动力学分析显示，其最大反应速率（Vmax）达到51.4×10⁻⁹ M s⁻¹。值得注意的是，该材料在催化过程中主要利用H₂O₂产生超氧自由基（·O₂⁻），这与传统的芬顿反应机制有所不同。电子自旋共振（ESR）和自由基捕获实验证实，·O₂⁻是该催化体系中的主要活性氧物种（ROS），这为理解单原子纳米酶的催化机理提供了新的视角。

此外，研究还发现该材料具有优异的长期稳定性。在室温储存45天后，其相对酶活性仍能保持在85%以上，远优于易失活的天然辣根过氧化物酶（HRP）。

生物传感应用与实际检测

基于Cu-SA-CN的高催化活性和CN基底表面丰富的氨基，研究团队构建了一种夹心型免疫磁性比色生物传感器，用于鼠伤寒沙门氏菌（Salmonella typhimurium）的检测。

在该传感器中，磁珠用于目标物富集，而Cu-SA-CN则作为信号放大器。实验结果显示，该传感器在10¹–10⁶ CFU mL⁻¹的宽浓度范围内表现出良好的线性关系，检测限（LOD）低至12.7 CFU mL⁻¹。特异性实验表明，该传感器能有效区分沙门氏菌与大肠杆菌O157:H7、单核细胞增生李斯特菌等非目标菌株。

图2 生物传感器的性能优化与检测表征：(a) 免疫修饰铜单原子 - 氮化碳的用量优化；(b) 催化反应时间优化；(c) 该传感器检测鼠伤寒沙门氏菌的校准曲线，检测浓度范围为 3.8×10¹~3.8×10⁶ 菌落形成单位 / 毫升；(d) 磁性纳米颗粒 - 鼠伤寒沙门氏菌 - 铜单原子 - 氮化碳复合物的透射电子显微镜图像；(e) 该生物传感器的定量校准曲线；(f) 传感器对非目标细菌的特异性验证（平行实验数 = 3）。

为了验证其实际应用价值，研究团队对市售鸡肉样本进行了加标回收实验。结果显示，该方法的回收率在83.35%至118.60%之间，相对标准偏差（RSD）低于13.41%，与传统的平板计数法结果高度一致。这表明该传感器在复杂的食品基质中仍能保持高准确度和精密度。

表1 基于铜单原子 - 氮化碳的比色生物传感器检测鸡肉样品中的鼠伤寒沙门氏菌

结论与展望

这项工作不仅成功开发了一种具有超高金属负载量和优异类酶活性的单原子纳米酶（Cu-SA-CN），还揭示了其独特的催化机制。通过将先进的材料合成技术与生物传感应用相结合，该研究为解决传统纳米酶原子利用率低的问题提供了有效策略，也为食品安全领域中病原菌的快速、现场检测提供了强有力的工具。未来，此类高负载单原子纳米酶有望在环境监测、疾病诊断及抗菌治疗等领域发挥更广泛的作用。

参考文献：Guo F, Lei H, Yang Q, et al. Single-Atom Cu nanozyme anchored on carbon nitride with enhanced peroxidase-like activity for colorimetric detection of foodborne pathogens[J]. Journal of Hazardous Materials, 2026: 141108.