基于锰掺杂ZIF-67的高性能电化学生物传感器用于大肠杆菌检测及其在食品安全监测中的应用

《Communications Chemistry》：High-performance electrochemical biosensor comprising Mn-ZIF-67 conjugated with anti-O antibody for Escherichia coli detection

本研究针对食品和水中大肠杆菌（E. coli）检测灵敏度低、速度慢及现场应用难的问题，开发了一种基于锰掺杂钴沸石咪唑酯框架（Mn-ZIF-67）修饰抗O抗体的电化学生物传感器。该传感器通过Mn掺杂诱导相重构、增大比表面积并促进电子转移，抗体偶联后通过细菌结合选择性阻断电子传递，实现了10-1010CFU mL-1的线性检测范围和1 CFU mL-1的检测限，优于现有光学及其他MOF基传感器。其可区分非目标菌（如沙门氏菌、铜绿假单胞菌、金黄色葡萄球菌），5周内灵敏度保持>80%，自来水加标回收率达93.10-107.52%，展现了现场病原体监测的巨大潜力。

　　

在食品安全和公共卫生领域，大肠杆菌（E. coli）作为一种重要的指示微生物，其快速、灵敏的检测至关重要。然而，传统的培养方法耗时长达2-10天，无法满足实时监测的需求。尽管生物传感器技术取得了显著进展，但现有方法在灵敏度、选择性和现场适用性方面仍存在不足。金属有机框架（MOF）材料因其高比表面积和可调控的孔结构在传感领域展现出潜力，但ZIF-67等钴基MOF的本征导电性差限制了其电化学性能。为此，研究人员探索通过金属掺杂和结构修饰来提升其导电性和表面反应活性。

本研究由Atqiya Muslihati等人开展，旨在开发一种高性能电化学生物传感器，通过将锰（Mn）掺杂到ZIF-67框架中，并功能化抗O抗体，实现对大腸杆菌的高灵敏、高选择性检测。研究成果发表在《Communications Chemistry》上。

研究团队通过简单的共沉淀法合成了不同Co/Mn比例（10:1, 5:1, 2:1, 1:1）的Co/Mn ZIF材料，并系统地表征了其理化性质。采用X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、氮气吸附-脱附（BET）、扫描电子显微镜（SEM）和能量色散X射线光谱（EDS）等技术分析了材料的晶体结构、官能团、比表面积、孔隙结构、形貌和元素组成。通过循环伏安法（CV）、电化学阻抗谱（EIS）和差分脉冲伏安法（DPV）等电化学技术评估了修饰电极的性能。通过水接触角（WCA）和衰减全反射-傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）验证了电极表面的生物功能化过程。最后，对传感器的灵敏度、选择性、稳定性、重现性和实际样品（自来水）中的回收率进行了全面评价。

Physicochemical properties of Co/Mn ZIF materials

XRD分析表明，Mn²⁺的掺入引起了（011）和（112）晶面衍射峰的位移，先向高角度移动（Co/Mn ZIF 10:1和5:1），后向低角度移动（Co/Mn ZIF 2:1和1:1），对应晶面间距d值先减小后增大，表明Mn²⁺部分进入晶格，产生了竞争性的晶格收缩和膨胀效应。FTIR光谱显示所有Co/Mn ZIF材料均保留了ZIF-67的特征官能团，未因Mn掺杂引入新官能团。BET测试表明，Co/Mn ZIF 1:1具有最大的比表面积（2025 m²g^-1）和孔容（0.86 cm³g^-1），而Co/Mn ZIF 2:1的比表面积为1724 m²g^-1。SEM图像显示所有Co/Mn ZIF材料均保持了ZIF-67的菱形十二面体形貌，但随着Mn含量增加，表面粗糙度增加，结构无序度增强，尤其在Co/Mn ZIF 1:1时最为明显。XRF定量分析确认了Mn/(Co+Mn)摩尔比从Co/Mn ZIF 10:1的0.0011递增至Co/Mn ZIF 1:1的0.0098。

Electrochemical properties of Co/Mn ZIF electrodes

电化学测试表明，在含有5 mM K₃[Fe(CN)₆]的电解液中，SPCE/Co/Mn ZIF电极表现出良好的电化学活性。CV曲线显示，Co/Mn ZIF 2:1修饰电极的阳极峰值电流（I_pa）最高（124 μA），远高于纯ZIF-67修饰电极（13.6 μA），其电化学活性表面积也最大（0.24 cm²）。扫描速率研究表明，电极过程在低扫描速率（2-20 mV s^-1）下受扩散控制。EIS测试表明，Co/Mn ZIF 2:1电极具有最小的电荷转移电阻（R_ct= 322 Ω），表明其具有最优异的电子转移动力学。

Structural hydrostability of Co/Mn ZIF 2:1

Co/Mn ZIF 2:1材料在水中浸泡7天后，颜色由亮紫色变为深紫色，XRD分析显示（011）晶面的d间距仅从12.07 ?略微减小至12.04 ?，但该晶面的峰面积显著降低（从1456.18降至574.82），表明材料核心晶体结构发生轻微重排，但大部分材料发生了部分降解，结晶度下降。

Biosensor performance towards Escherichia coli

在优化Co/Mn ZIF 2:1材料的基础上，通过物理吸附将抗O抗体固定到电极表面，并用牛血清白蛋白（BSA）封闭非特异性位点。WCA测量显示，修饰过程使电极表面从疏水性（SPCE/Co/Mn ZIF 2:1, 142.30°）转变为亲水性（SPCE/Co/Mn ZIF 2:1/anti-O/BSA, 97.80°），有利于在水环境中进行检测。ATR-FTIR光谱证实了抗体固定后出现了酰胺II带（1506-1541 cm^-1）和酰胺I带（1602 cm^-1）。DPV测试表明，随着功能化层（抗体、BSA）的逐层修饰以及E. coli浓度的增加（10-10¹⁰CFU mL^-1），还原峰值电流逐渐降低，表明电子转移被有效阻断。传感器对E. coli的检测在10-10¹⁰CFU mL^-1范围内呈良好线性关系（y = 56.29x - 596.93, R²= 0.99），检测限低至1 CFU mL^-1。选择性测试表明，传感器对沙门氏菌、铜绿假单胞菌和金黄色葡萄球菌等非目标菌的响应信号均低于E. coli响应信号的35%，显示出高选择性。稳定性测试表明，传感器在5周内仍能保持80%以上的灵敏度。重现性测试（同一批次制备的5个电极）的相对标准偏差（RSD）为1.78%。在实际自来水样品中加标回收实验显示，回收率在93.10%至107.52%之间，RSD小于7%，验证了传感器在实际应用中的准确性和可靠性。

本研究成功开发了一种基于Mn掺杂ZIF-67和抗O抗体的高性能电化学生物传感器，用于检测大肠杆菌。Mn的掺入显著增强了ZIF-67的比表面积和电子转移能力，而抗O抗体的功能化则赋予了传感器优异的选择性。该传感器具有极宽的检测范围、极低的检测限、良好的选择性、长期稳定性和令人满意的实际样品回收率，其性能优于目前已报道的多数MOF基光学和电化学生物传感器。这项工作不仅为E. coli的快速、灵敏检测提供了一种有效的解决方案，也展示了双金属MOF复合材料在生物传感技术中的巨大潜力，为开发用于其他病原体或生物标志物检测的先进传感平台奠定了基础。