分层MOFzymes中的级联信号放大技术，为非洲猪瘟病毒的电化学诊断带来革命性变革

《Bioscience Reports》：Cascade signal amplification in hierarchical MOFzymes for revolutionizing electrochemical diagnostics of African swine fever virus

非洲猪瘟病毒（ASFV）高灵敏检测方法，采用Cu???S@Cu-MOF异质结纳米酶结合双阶段信号放大系统，实现检测限6.45×10?? TCID50/mL。

　　非洲猪瘟病毒（African swine fever virus, ASFV）是一种对猪群具有100%致死率且具有全球传播潜力的病原体。自2020年以来， ASFV已在45个国家造成严重的猪群死亡，导致超过200万头猪被扑杀。由于目前尚无有效的疫苗或治疗手段，迫切需要高灵敏度的检测工具来及时发现潜在的传染链，以保障食品安全。传统的诊断方法，如聚合酶链式反应（PCR）、酶联免疫吸附测定（ELISA）、CRISPR/Cas系统以及侧向流动免疫层析测定（LFIA），虽然在特定条件下具有一定的应用价值，但它们在实现超高灵敏度、操作简便性和现场适用性方面仍存在局限。因此，开发一种兼具高灵敏度和现场快速检测能力的新型诊断技术成为当务之急。

在这一背景下，研究人员提出了一种基于纳米酶的化学信号级联电化学放大策略，用于实现对ASFV的超灵敏检测。该方法利用了一种新型的异质结纳米酶——Cu???S@Cu-MOF，其具有显著增强的类过氧化物酶活性。Cu???S是一种p型半导体，具有优异的电荷载流子迁移能力；而Cu-MOF则作为一种多孔、高比表面积的支架，不仅提供了丰富的活性位点，还能有效防止Cu???S纳米颗粒的聚集，从而提高底物的接触效率。这两种材料的结合形成了一个异质结界面，通过电荷分离机制实现了协同催化增强，显著提升了纳米酶的催化效率。

该异质结纳米酶的结构设计在实验中表现出优异的性能。在电化学平台中，研究人员开发了一个双阶段信号放大系统。第一阶段依赖于纳米酶的高催化活性，通过类过氧化物酶反应将大量的3,3′,5,5′-四甲基联苯胺（TMB）分子氧化为氧化产物（ox-TMB）。第二阶段则利用电化学还原循环机制，将ox-TMB在电极表面反复还原，从而产生更强的电流信号。这一双阶段信号放大策略使得检测信号能够被显著增强，从而提高了检测的灵敏度和准确性。

在实际应用中，研究人员将ASFV p54抗体（Ab）固定在纳米酶表面，作为生物标记物。当目标病毒被检测时，Cu???S@Cu-MOF@Ab复合物能够高效催化TMB的氧化反应。值得注意的是，ox-TMB的氧化产物在电化学还原过程中显示出一个明显的还原峰，其强度随着ASFV浓度的增加而线性增强。这种信号放大策略使得该传感器的检测限达到了6.45×10?? TCID??/mL，这是目前报道的电化学 ASFV 传感器中最低的检测限之一。

此外，该研究还探索了纳米酶在生物传感领域的广泛应用潜力。通过合理的材料设计和结构优化，研究人员成功构建了一种新型的异质结纳米酶平台，该平台不仅具有高灵敏度，还能在实际操作中保持简便性。这种设计思路为未来开发适用于疫情监测的便携式检测设备提供了新的方向。研究人员相信，这种结合了半导体物理特性和纳米酶工程的新型传感技术，能够在更广泛的领域，如兽医学、环境监测和食品安全检测中发挥重要作用。

在研究过程中，研究人员采用了一系列先进的合成和表征方法。Cu???S@Cu-MOF的制备过程如图S1所示，首先通过微波辅助溶剂热法合成Cu???S，随后利用超声波方法合成Cu-MOF。通过将这两种材料混合并搅拌4小时，研究人员成功构建了Cu???S@Cu-MOF异质结结构。为了进一步提高检测性能，研究人员将p54抗体通过酰胺键连接到Cu???S@Cu-MOF表面，利用EDC和NHS作为偶联剂。这一过程不仅保证了抗体的稳定性和活性，还提高了整个传感器的灵敏度和特异性。

该研究还涉及对Cu???S、Cu-MOF、Cu???S@Cu-MOF以及Cu???S@Cu-MOF@Ab的结构和性能进行详细的表征。通过这些表征手段，研究人员能够深入了解材料的物理化学特性，从而优化其在检测过程中的应用效果。此外，该研究还验证了该异质结纳米酶在实际检测中的可行性，表明其能够有效地应用于 ASFV 的检测，并在多种实验条件下保持稳定和高效。

在实验验证过程中，研究人员发现，Cu???S@Cu-MOF异质结结构能够显著提升纳米酶的催化效率。通过电荷分离机制，该结构能够促进电子转移过程，从而提高过氧化物酶样反应的效率。这一机制使得纳米酶在催化TMB氧化反应时，能够表现出更高的最大反应速率（Vmax）和更低的米氏常数（Km），从而提高了检测的灵敏度和准确性。同时，该结构还能够通过电化学还原循环机制进一步放大信号，使得检测限能够达到极低的水平。

该研究的创新点在于其结合了半导体物理特性和纳米酶工程的双重优势。通过异质结结构的设计，研究人员成功实现了电荷分离和电子转移的协同效应，从而显著提高了纳米酶的催化性能。这一设计不仅提高了检测的灵敏度，还简化了检测过程，使得该传感器能够更广泛地应用于现场快速检测。此外，该研究还验证了该异质结纳米酶在实际检测中的稳定性和可重复性，表明其在实际应用中具有较高的可行性。

在实际应用中，该传感器表现出优异的性能。研究人员通过实验发现，该传感器能够在极低的病毒浓度下实现检测，且检测过程简便、快速，适用于现场应用。这一特性使得该传感器能够有效应对 ASFV 的快速传播和大规模爆发，为疫情监测和防控提供了强有力的技术支持。同时，该研究还为其他病毒的检测提供了新的思路，表明异质结纳米酶的设计策略可以被广泛应用于其他生物分子的检测。

该研究的意义不仅在于开发了一种新型的 ASFV 检测方法，还在于提出了一个具有广泛应用前景的异质结纳米酶设计策略。通过结合半导体物理特性和纳米酶工程，研究人员成功构建了一种高效、稳定、简便的生物传感平台，为未来的疾病监测和诊断技术提供了新的方向。此外，该研究还为纳米材料在生物传感领域的应用提供了理论支持和实验依据，推动了该领域的进一步发展。

总之，该研究通过创新性的异质结纳米酶设计策略，成功开发了一种具有超高灵敏度和现场快速检测能力的 ASFV 检测方法。该方法不仅能够有效应对 ASFV 的全球传播，还为其他病毒的检测提供了新的思路。研究人员相信，这一技术将在未来的疫情监测和诊断领域发挥重要作用，为保障食品安全和公共卫生安全提供强有力的支持。