多层MOF纳米酶结合手机视觉，实现多种致病菌的便携式比色检测

食品、环境和临床样品中的致病菌污染，不一定会立即带来肉眼可见的颜色、气味或质地变化，因此仅依靠感官判断容易漏掉早期污染。平板培养法准确性较好，但通常需要较长时间并依赖实验室操作；PCR和ELISA虽然可以缩短部分检测流程，却仍可能受到样品前处理、设备条件、信号放大效率和试剂稳定性的影响。对于生产现场、环境监测或基层筛查，检测系统除了要有较低的检测限，还要尽量减少仪器依赖，并让结果能够被快速、直观地读取。

纳米酶为这类检测提供了另一种信号放大思路。与天然酶相比，纳米酶通常具有更好的化学稳定性和更长的保存时间，同时可以通过调节尺寸、形貌和表面结构改变催化性能。本研究选择铂纳米颗粒作为催化核心，并在其外部进行三轮ZIF-8金属有机框架的外延生长，形成（Pt@ZIF-8）3。随后，研究人员在颗粒表面包覆聚多巴胺（PDA），再偶联针对不同细菌的抗体，得到用于识别和显色检测的（Pt@ZIF-8）3@PDA-Ab纳米复合材料。

图1. （Pt@ZIF-8）3@PDA-Ab检测多种目标细菌的示意图。（A）（Pt@ZIF-8）3@PDA-Ab的合成过程；（B）多重致病菌筛查传感阵列的构建过程；（C）结合自主开发的比色信号分析算法、用于现场应用的手机便携式装置设计过程。

该材料被用于类似夹心免疫分析的传感阵列。阵列表面预先固定针对不同细菌的捕获抗体，样品中的细菌被选择性结合后，再加入偶联有另一种抗体的纳米酶探针。四种显色底物分别对应四类细菌：大肠杆菌使用TMB产生蓝色信号，金黄色葡萄球菌使用AEC产生红色信号，副溶血性弧菌使用OPD产生黄色信号，鼠伤寒沙门氏菌使用ABTS产生绿色信号。不同颜色既可通过肉眼初步判断，也可由手机拍摄后交给机器视觉算法进行灰度分析。

材料表征显示，随着ZIF-8外延生长次数增加，颗粒尺寸和铂元素含量逐步提高。铂纳米颗粒、Pt@ZIF-8、（Pt@ZIF-8）2和（Pt@ZIF-8）3的平均粒径分别约为20.81、161.34、969.32和1039.92 nm。第三层外延生长后，颗粒表面呈多孔球形结构，铂负载量达到较高水平；继续尝试第四层生长时，颗粒出现结构不稳定和碎裂，说明多层构筑存在上限。PDA包覆和抗体偶联也分别通过粒径、荧光、紫外可见光谱及细菌捕获实验得到验证。

图2. Pt、Pt@ZIF-8、（Pt@ZIF-8）2、（ZIF-8）3和（Pt@ZIF-8）3的表征。（A）利用FE-SEM、TEM和DLS观察Pt、Pt@ZIF-8、（Pt@ZIF-8）2和（Pt@ZIF-8）3的形貌与粒径；（B）合成材料的EDS结果；（C）合成材料的ICP结果；（D）Pt@ZIF-8、（Pt@ZIF-8）2和（Pt@ZIF-8）3的BET吸附性能。

铂纳米颗粒可以直接催化多种显色底物。以TMB为例，反应后溶液出现蓝色，并在相应波长产生吸收峰。ZIF-8多层结构一方面增加了铂的负载和保护作用，另一方面提供了微孔、介孔组成的底物传质通道；PDA涂层则有助于稳定偶联抗体，并在一定程度上减少铂的流失。动力学分析表明，多层结构会增加底物扩散阻力，但其整体催化效率仍处在较好水平。

在单一细菌检测中，研究人员首先比较了不同外延生长层数对鼠伤寒沙门氏菌检测灵敏度的影响。随着外延层数从一层增加到三层，曲线斜率逐渐增大，说明铂含量增加带来了更强的催化显色能力；第四层结构因发生塌陷，灵敏度反而下降。以（Pt@ZIF-8）3@PDA-Ab为探针时，鼠伤寒沙门氏菌的检测范围为10–10^6 CFU/mL，检测限为2 CFU/mL。加标牛奶和牛肉样品的回收率为95.29%–102.54%，相对标准偏差低于5.96%。

图3. （Pt@ZIF-8）3@PDA和（Pt@ZIF-8）3@PDA-Ab的表征。（A）（Pt@ZIF-8）3@PDA和（Pt@ZIF-8）3@PDA-Ab的合成过程；（B）DLS结果；（C）荧光强度；（D）（Pt@ZIF-8）3和（Pt@ZIF-8）3@PDA的XRD结果；（E）（Pt@ZIF-8）3@PDA和（Pt@ZIF-8）3@PDA-Ab的荧光强度；（F）紫外可见光谱；（G）与细菌偶联的（Pt@ZIF-8）3@PDA-Ab的FE-SEM图像；（H）铂纳米颗粒催化TMB底物溶液前后的紫外可见光谱。

作者随后将四种抗体探针放入同一传感阵列，用于多种致病菌的同时检测。目标包括金黄色葡萄球菌、鼠伤寒沙门氏菌、大肠杆菌和副溶血性弧菌。四种细菌的检测范围均为10–10^6 CFU/mL，标准曲线R²均大于0.96，检测限分别为10、7、5和3 CFU/mL。随着细菌浓度升高，对应底物的颜色逐渐加深。不同菌种之间的灵敏度差异，可能与抗体亲和力、纳米酶对不同底物的催化能力以及手机摄像头对不同吸收波长的响应有关。

为减少人工判断颜色的主观性，研究人员设计了手机配套的便携式成像装置，并编写机器视觉算法提取图像信号强度。对于四种细菌等比例或不同比例混合的样品，图像灰度值与标准比色卡的结果相近，相对标准偏差小于5.8%。这种设计把显色反应和结果读取分开：前者依靠抗体和纳米酶完成，后者由手机图像和算法完成，因此不必依赖专门的吸光度读板仪。

图4. 传感阵列检测多种细菌的设计与应用。（A）结合手机和自主编写机器视觉算法的自研便携式比色读取装置检测多种细菌的流程；（B）不同浓度四种细菌的标准比色卡和拟合曲线；（C）四种细菌等浓度混合样品（4×10^3 CFU/mL）的实际样品检测流程；（D）四种细菌不同浓度混合样品的实际样品检测流程；（E）在胡萝卜汁、湖水和人工唾液中同时检测多种微生物。纵坐标Δ Gray Value表示扣除背景值后的检测信号。

实际样品实验选择了胡萝卜汁、湖水和人工唾液，并向其中加入四种细菌的混合样品。研究结果显示，扣除样品基质背景后，图像灰度值与标准比色卡之间没有显著差异，RSD低于5.8%。这说明平台在不同类型样品中具有一定的抗干扰能力。不过，论文中的验证主要基于加标样品和人工唾液，尚不能替代大量天然污染食品、真实环境样品或临床样本的独立验证。

储存稳定性是该平台区别于部分天然酶检测体系的一个结果。纳米复合探针在氮气环境中干燥并于室温保存，连续60天检测鼠伤寒沙门氏菌时，信号没有明显变化；冻干颗粒则出现结构破碎，检测信号明显下降。在空气环境中保存的材料也表现出不稳定，说明目前的稳定性结论依赖氮气干燥和储存条件。后续仍需进一步改善空气中的保存性能，并在不同光照、温度和湿度条件下进行更充分的评价。

总体来看，本研究把多层MOF纳米酶、抗体传感阵列、显色底物和手机机器视觉结合起来，形成了一套可以同时检测四种致病菌的便携式平台。该方法在实验样品中显示出较低的检测限，并能用肉眼观察颜色变化，再由手机完成定量分析。它的实际应用价值，还取决于样品前处理是否能够进一步简化、探针能否在空气中稳定保存，以及在天然复杂样品和更大规模样本中的结果是否仍然可靠。

论文来源：https://doi.org/10.1016/j.bios.2026.118812