38.73 cfu/mL检出大肠杆菌O157:H7：增强MOF晶体纸传感器实现双模式现场读数

大肠杆菌 O157:H7 是食品安全监测中需要重点关注的致病菌之一。其传播途径与食品密切相关，感染后可能引发出血性肠炎等严重问题。传统培养、分子检测和免疫检测虽然在实验室中较成熟，但在现场定量、快速预警和复杂食品基质适应性方面仍有局限。尤其是便携式读数设备通常对信号强度和稳定性要求更高，如果前端富集不足或纸基显色不均，现场读数很容易受到基质和光照条件影响。

本研究围绕这两个瓶颈设计了“两步增敏”策略。第一步是利用靶向磁性纳米花增强目标菌富集，并通过磁分离降低食品基质干扰；第二步是将 Co 和 Cu 双单原子锚定到增强 MOF 载体上，构建具有类过氧化物酶活性的 Co/Cu@EnMOF，用于放大后续纸基信号。适配体修饰后的 Co/Cu@EnMOF 负责特异性识别大肠杆菌 O157:H7，磁性纳米花则增加靶菌结合位点并帮助分离。

图1. 智能双模式传感平台的构建原理和检测机制。(a) 靶向磁性纳米花的合成；(b) Apt/Co/Cu@EnMOF 的合成；(c) 晶体纸基反应底物的制备；(d) 目标触发的双信号生成机制；(e) 基于智能读数装置的信号读取和分析流程。

在信号输出端，研究者将显色底物 OPD 固定在纤维素纸基质上，形成可携带的晶体纸反应载体。在 Co/Cu@EnMOF 催化作用下，OPD 被氧化生成既有颜色变化又有荧光发射的产物，因此同一检测体系可同时提供比色和荧光两种信号。自制读数装置通过切换光源读取不同模式信号，并用智能手机采集图像；随后，Monte Carlo 颜色分析从晶体纸上随机提取 500 组颜色值，用于降低纸基区域颜色不均带来的误差。

性能测试显示，在优化 AM 浓度、Apt/Co/Cu@EnMOF 用量和孵育时间后，该平台可在约 30 分钟捕获反应基础上完成检测，反应完成后的数据分析约 5 秒。比色模式中，G/B 值与大肠杆菌 O157:H7 浓度对数呈线性关系，相关系数为 0.99182，检出限为 38.73 cfu/mL。荧光模式中，G/B 值同样随目标菌浓度升高而变化，检出限为 97.72 cfu/mL。论文认为，比色模式检出限更低，可能与固相荧光检测中纤维素孔隙散射和光漂白等因素有关；荧光模式则提供了一个相对独立的正交信号通道。

图2. 智能传感器检测性能评价。(a) 智能传感器工作流程；(b) 比色模式下不同浓度大肠杆菌 O157:H7 的颜色信号；(c) 荧光模式下不同浓度大肠杆菌 O157:H7 的颜色信号；(d) 比色模式中 G/B 值与细菌浓度的拟合曲线；(e) 荧光模式中 G/B 值与细菌浓度的拟合曲线；(f) 双模式智能传感器的重复性评价。

 为了进一步提高读数稳定性，本研究引入 BP 神经网络对双模式信号进行融合。与单一信号相比，同时输入比色和荧光信息后，模型预测值与实际值的相关性提高，平均绝对误差和平均绝对百分比误差降低。重复性方面，比色模式的组内和组间相对标准偏差分别为 1.62% 和 2.22%，荧光模式分别为 1.73% 和 2.77%。不同实验室和不同操作者测试时，回收率为 94.29%-102.86%，提示该读数体系具有一定跨操作条件稳定性。

真实样品验证使用牛奶、牛肉和饮用水。研究者将大肠杆菌 O157:H7 随机加入样品后，传感器均能给出检测结果；在 10^4、10^6 和 10^8 cfu/mL 三个加标水平下，回收率为 84%-113%，相对标准偏差低于 17%。同时，本研究将 qPCR 和传统培养法作为对照，结果显示该传感器与两类常用方法的检测结果具有可比性，但在设备依赖和操作复杂度上更偏向现场检测场景。

从现场使用角度看，读数装置的设计也比较关键。暗箱结构减少了环境光变化对图像采集的影响，可替换光源让同一平台在比色和荧光模式间切换；晶体纸条把液相反应转化为更便携的固相读数形式。单次测试成本约 0.37 美元这一信息也提示，该体系的后续优化不仅应关注灵敏度，还需要继续考察批量制备、试剂保存和一次性耗材的一致性。

图3. 智能生物传感器的实际应用能力。(a) 比色模式下不同菌株的颜色信号；(b) 荧光模式下不同菌株的颜色信号；(c) 使用智能生物传感器检测 30 个随机真实样品中的大肠杆菌 O157:H7。

 特异性和抗干扰能力是该平台面向食品样品的另一个重点。多种常见致病菌参与测试时，只有大肠杆菌 O157:H7 呈阳性响应；传感器还可将 O157:H7 与其他大肠杆菌区分开。对于混合干扰菌，研究者分别在牛奶、牛肉和饮用水中评估干扰度，比色模式和荧光模式的最大干扰度分别为 2.89% 和 7.90%，说明靶向磁分离与增强 MOF 识别放大共同降低了非目标菌对读数的影响。

稳定性方面，纳米材料储存 50 天后仍可构建性能稳定的智能适配体传感器；晶体纸条在棕色瓶中储存 20 天后仍保持稳定信号。10 批 Co/Cu@EnMOF 的类过氧化物酶活性差异较小，相对标准偏差为 3.84%；不同批次材料驱动晶体纸显色后，经深度学习分析得到的相对标准偏差为 2.36%。这些结果支持该平台在制备一致性方面具备进一步优化和放大的基础。

总体来看，本研究的资讯价值在于把“富集抗干扰、信号放大、纸基固相反应和智能读数”串成一个较完整的现场检测链条。它并不是简单把手机拍照用于比色，而是通过双模式互校和深度学习读数来缓解纸基检测常见的颜色不均、光照波动和单通道误差问题。后续若要进入实际应用，还需要继续验证更多自然污染样品、不同食品类型和更简化的试剂保存方式。

论文来源：https://doi.org/10.1016/j.cej.2026.174923