高负载铜单原子纳米酶，比色法灵敏检测食源菌

食源性致病菌对全球公共卫生构成严重威胁，亟需快速、灵敏的检测方法。尽管基于纳米酶的比色生物传感器在食源性病原体检测中展现出应用潜力，但其灵敏度常受限于传统纳米酶催化性能不足。单原子纳米酶因具有近100%的金属原子利用率和均一活性位点，表现出增强的催化活性，是突破此瓶颈的理想材料。然而，合成同时具备高金属负载量、明确配位结构及可生物修饰表面的单原子纳米酶仍具挑战。碳氮化物是一种无金属二维半导体，其层状结构、丰富的表面官能团、高稳定性和生物相容性，使其成为锚定金属单原子的理想基底，但稳定高密度金属原子而不发生聚集是主要难点。此外，高负载碳氮基单原子纳米酶在致病菌免疫磁检测中的应用仍有待充分探索。因此，开发一种简化的策略，制备兼具超高金属负载量和可及表面基团用于生物修饰的碳氮基单原子纳米酶，对于构建高性能传感平台至关重要。

本研究采用超分子自组装与热聚合相结合的策略，成功制备了负载量为24.1wt%的铜单原子氮化碳纳米酶。该材料具有高催化活性和稳定性，其丰富的表面氨基便于抗体偶联。研究者利用此特性，构建了一种双抗体夹心型免疫磁比色生物传感器，用于鼠伤寒沙门氏菌的检测。该工作不仅为高性能单原子纳米酶的制备提供了新策略，也拓展了碳氮化物基材料在生物传感，特别是在复杂食品基质中病原菌灵敏检测领域的应用。

研究内容

图1.Cu-SA-CN纳米酶的合成与表征

通过三聚氰胺与氰尿酸在DMSO中自组装形成MCA前驱体，再经CuCl₂掺杂和热聚合，成功制备了Cu-SA-CN。与原始CN的微球形貌不同，Cu-SA-CN呈现为由不规则卷曲纳米片组成的三维多孔网络结构，这是由于Cu原子与MCA前驱体中-NH₂基团相互作用导致微球坍塌所致。球磨后材料转变为50-200nm的纳米颗粒。TEM和HAADF-STEM图像显示原子级分散的亮点，未见CuOₓ晶粒，证明Cu原子成功锚定在CN骨架上。XRD、FT-IR、XPS和XAFS等表征证实Cu以+1价为主，原子级分散并与氮原子形成Cu-N₃配位结构，平均配位数为~2.7，平均键长1.91Å。

图2.Cu-SA-CN纳米酶的酶模拟活性

在H₂O₂存在下，Cu-SA-CN可有效催化TMB氧化生成蓝色的oxTMB，在652nm处有特征吸收峰，而原始CN活性可忽略。该材料对ABTS和OPD同样具有催化活性。稳态动力学分析表明，其对H₂O₂和TMB的Km值分别为1.34mM和0.378mM，Vmax值分别为51.4×10⁻⁸Ms⁻¹和25.1×10⁻⁸Ms⁻¹，显示出优异的底物亲和力和催化效率，性能优于天然HRP及多种已报道的纳米酶。

图3.Cu-SA-CN的POD样活性催化机制

通过自由基捕获实验和ESR光谱研究了催化机制。添加·O₂清除剂PBQ使相对活性急剧下降至34%，而·OH和¹O₂清除剂影响较小，表明·O₂是主要活性氧物种。ESR分析进一步证实了DMPO-·O₂、DMPO-·OH和TEMP-¹O₂加合物的信号，其中DMPO-·O₂信号最强。密度泛函理论计算显示，与原始CN相比，H₂O₂在Cu-N₃位点上的吸附能更负（-1.40eV），表明Cu-N₃位点是H₂O₂积累和活化的优先中心，显著降低了后续ROS生成的能垒。

图4.生物传感器的灵敏度与特异性

优化后，使用30μg免疫化Cu-SA-CN探针和15分钟显色反应时间。传感器在3.8×10¹至3.8×10⁶CFUmL⁻¹范围内呈现良好线性（S=0.267log(C)+0.199，R²=0.995），检测限为12.7CFUmL⁻¹。与已报道的其他纳米材料比色法相比，该传感器具有更宽的线性范围和更低的检测限。特异性测试表明，传感器对目标菌鼠伤寒沙门氏菌的信号响应显著高于大肠杆菌O157:H7、单增李斯特菌等五种非目标菌，显示出高特异性和抗干扰能力。

本研究通过超分子自组装与热聚合相结合的策略，成功制备了一种负载量高达24.1wt%的铜单原子纳米酶。综合表征证实Cu原子以Cu-N₃配位形式原子级分散在碳氮化物骨架中，这是其主要活性中心。该材料表现出优异的过氧化物酶样活性，其催化机理研究表明，活化H₂O₂产生的主要活性氧物种是超氧自由基。基于此高性能纳米酶，研究者构建了一种双抗体夹心型免疫磁比色生物传感器，用于鼠伤寒沙门氏菌的检测。该传感器具有高灵敏度（检测限12.7CFUmL⁻¹）、宽线性范围（3.8×10¹-3.8×10⁶CFUmL⁻¹）和良好的选择性，可有效区分目标菌与非目标菌。更重要的是，该传感器在加标鸡肉样品中展现出令人满意的回收率和精密度，验证了其在复杂食品基质中实际应用的潜力。这项工作不仅为设计高性能单原子纳米酶提供了一种有效策略，也为食源性病原体的高灵敏、特异性检测提供了一种新方法，拓展了碳氮化物基材料在生物传感领域的应用。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2026.141108