1.引言

食源性致病菌严重威胁全球公共卫生安全，其快速精准检测对防控食源性疾病至关重要。然而，传统检测方法如平板计数或PCR往往耗时长、操作复杂且成本高昂。虽然基于纳米酶的比色生物传感器具有操作简便、响应迅速的优势，但受限于传统纳米酶原子利用率低、活性位点不均一，导致其催化性能不足，难以满足高灵敏检测的需求。此外，开发兼具高金属负载量与明确配位结构的单原子纳米酶仍面临合成难题。因此，亟需构建一种新型高效纳米酶以突破现有检测技术的瓶颈。

本研究开发了一种基于单原子铜修饰碳氮限（Cu-SA-CN）的比色生物传感技术，通过超分子自组装结合热解的方法，解决了传统纳米酶原子利用率低及催化活性不足导致食源性致病菌检测灵敏度低的问题。在实验方法上，首先利用三聚氰酸与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，随后引入铜源进行混合干燥与氮气氛围下的高温热解（550℃），最终经球磨处理获得高负载量（24.1 wt%）的单原子催化剂。该方法利用碳氮限基底锚定原子级分散的铜位点，构建了具有优异类过氧化物酶活性的信号放大探针，并结合免疫磁分离技术实现了对沙门氏菌的高效富集与检测。

2.结果与讨论

材料形貌与结构表征：利用扫描电子显微镜和高角环形暗场扫描透射电子显微镜观察材料微观形貌，结合X射线衍射图谱与X射线光电子能谱分析，证实了铜原子在碳氮限基底上的单原子级分散状态及Cu-N配位结构，证明了前驱体自组装与热解策略的成功实施。

图 1 （a）Cu-SA-CN催化剂的合成示意图；MCA（b）和Cu-SA-CN（c）的扫描电子显微镜（SEM）图像；（d）Cu-SA-CN的SEM元素分布图；球磨后Cu-SA-CN的SEM（e）和透射电子显微镜（TEM）图像；（g）Cu-SA-CN的HAADF-STEM图像。

类酶催化动力学分析：利用紫外-可见分光光度法监测过氧化物酶底物的氧化反应速率，结合米氏方程拟合计算动力学参数，测定了Cu-SA-CN纳米酶对不同底物（TMB、H₂O₂）的亲和力与最大反应速率，揭示了其高效的类过氧化物酶催化活性机制。

图 2 （a）以TMB和HO为底物的各类反应体系的紫外-可见光谱。（反应条件：0.01 mg/mL Cu-SA-CN，0.4 mM TMB，1 mM H, pH 4.0，反应时间：20 min。插图：光学照片。）；（b）以TMB、ABTS和OPD为显色底物的紫外-可见光谱（反应时间：10分钟）；Cu-SA-CN分别以（c）H2和（e）TMB为底物时的米氏动力学曲线；对应于（d）H2和（f）TMB的林贝弗-伯克双倒数图。（误差条表示三次独立实验的标准偏差）。

图3.Cu-SA-CN纳米酶催化活性的影响：（a）pH；（b）温度（反应条件：0.01 mg/mL Cu-SA-CN，0.4 mM TMB，1 mM HO, pH 4.0，反应时间：20 min）；（c）H浓度；（d）TMB浓度。

传感器检测条件优化：利用比色信号强度与吸光度值的对应关系，结合单因素实验方法，系统优化了反应体系的pH值、催化剂投加量、底物浓度及孵育时间等关键参数，确定了传感器的最佳工作环境以获得最强的显色响应。

免疫识别特异性验证：利用不同种类食源性致病菌（如大肠杆菌、金黄色葡萄球菌）作为干扰物，结合免疫磁分离后的比色检测结果，验证了抗体修饰的磁珠对沙门氏菌具有高特异性识别能力，证明了该方法在复杂背景下的抗干扰性能。

图4.生物传感器的优化：(a) 免疫Cu-SA-CN的用量；(b) 催化反应时间；(c) 利用该生物传感器检测沙门氏菌的校准曲线，浓度范围为3.8 × 10–3.8 × 10CFU mL（N = 3；反应条件：0.03 mg/mL Cu-SA-CN@mAb，0.4 mM TMB，1 mM H₂O，pH 4.0，反应时间：15 min）；（d）MNPs-沙门氏菌-Cu-SA-CN的TEM图像；（e）生物传感器的校准曲线。（插图：不同浓度下Cu-SA-CN纳米酶的比色图像）；（f）生物传感器对非目标细菌的特异性评估（N = 3）。

3.总结

本研究成功构建了高负载量的单原子铜纳米酶（Cu-SA-CN），通过超分子自组装与热解策略解决了传统纳米酶活性位点不均一及原子利用率低的瓶颈问题，实现了对沙门氏菌的高灵敏、特异性检测。该方法无需复杂昂贵的仪器，操作简便且响应迅速，检测限低至12.7 CFU mL⁻¹，显著优于常规检测技术。同时，材料表现出优异的稳定性和重复使用性，结合免疫磁分离有效富集目标菌，成功应用于复杂食品基质，为食源性致病菌的现场快速筛查提供了极具潜力的新工具。

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