基于双管式即用型试剂的四重信号放大纳米酶生物传感器实现食品中鼠伤寒沙门氏菌超灵敏检测

为解决食品中鼠伤寒沙门氏菌（S.T.）检测灵敏度不足与操作复杂性的矛盾，研究人员开发了一种集成滚环扩增（RCA）、G6.5树枝状聚合物、金纳米颗粒（AuNPs）和MnO2纳米片的四重信号放大生物传感器。该技术通过双管式工作流程在50分钟内实现5 CFU/mL的超低检测限，较传统HRP系统灵敏度提升21倍，并在牛奶和牛肉样本中取得93.3%-107.3%的回收率。其创新性在于将多重信号放大与操作简化完美结合，为食品安全监测提供了高性能实用化解决方案。

　　

论文解读

在全球食品安全领域，鼠伤寒沙门氏菌（Salmonella Typhimurium, S.T.）每年引发数百万感染病例，即使≤100 CFU/mL的低剂量也可致命。传统培养法耗时3-7天，而ELISA和PCR虽提速却面临灵敏度不足（10³-10⁴ CFU/mL）或操作复杂的瓶颈。现有纳米酶生物传感器多依赖单一信号放大机制，检测限（LOD）普遍>10² CFU/mL，且多步反应流程增加污染风险。如何兼顾超高灵敏度与操作简便性，成为食品安全检测领域的"圣杯"挑战。

针对这一难题，浙江某高校的研究团队在《Biosensors and Bioelectronics》发表创新成果，通过整合滚环扩增（Rolling Circle Amplification, RCA）、第6.5代聚酰胺-胺树枝状聚合物（G6.5 PAMAM dendrimers）、金纳米颗粒（AuNPs）和二氧化锰（MnO₂）纳米片的协同作用，开发出双管式即用型四重信号放大生物传感器。该技术仅需50分钟即可实现5 CFU/mL的超低检测限，较传统辣根过氧化物酶（HRP）系统灵敏度提升21倍（3569倍LOD降低），在牛奶和牛肉样本验证中回收率达93.3%-107.3%，相对标准偏差（RSD）<9.85%。

关键技术方法
研究采用四步核心技术：1）利用RCA生成含重复适配体和AuNP杂交位点的DNA支架；2）通过G6.5树枝状聚合物的羧基密集锚定RCA产物，构建多价识别界面；3）AuNP催化葡萄糖氧化产生H₂O₂和葡萄糖酸；4）H₂O₂/酸协同分解MnO₂纳米片抑制TMB显色，形成级联信号转换。所有反应整合至两管体系，避免酶标记和多步偶联。

研究结果

General approach
通过两管反应流程实现四重信号放大：第一管中，G6.5-RCA-AuNP纳米酶通过磁性纳米颗粒捕获S.T.；第二管中，纳米酶催化葡萄糖氧化产生的H₂O₂和酸分解MnO₂，抑制TMB显色。该设计将传统多步操作简化为"混合-检测"两步模式。

Mechanism of quadruple-signal amplification
研究发现四重放大包含两个双级联：1）G6.5介导的RCA产物多价结合（每个G6.5可负载≥50个RCA链）与高密度AuNP负载（较传统方法增加8倍）；2）AuNP催化产生的H₂O₂（催化效率达2.1×10⁴ M^-1s^-1）与葡萄糖酸协同分解MnO₂（半衰期缩短至3分钟），实现催化级联放大。

Conclusions
该生物传感器突破性地将检测灵敏度（5 CFU/mL）与操作便捷性（50分钟）统一，其创新点在于：1）首次将G6.5树枝状聚合物与RCA-AuNP联用，实现载体-信号双放大；2）开发H₂O₂/酸-MnO₂负向信号转换机制，增强信噪比；3）两管式设计消除交叉污染风险。在牛奶/牛肉样本中，其性能显著优于近期报道的纳米酶传感器（Wang等2022；Duan等2024），为现场食品安全检测树立新标准。

讨论与展望
研究团队指出，该技术的核心价值在于打破"灵敏度提升必然伴随操作复杂化"的传统认知。G6.5-RCA架构的模块化设计可拓展至其他食源性病原体检测，而MnO₂介导的信号抑制策略为比色法抗基质干扰提供新思路。未来通过冻干试剂开发，有望实现真正"即开即用"的检测卡模式，推动纳米酶传感器从实验室走向食品生产线和家庭厨房。这项研究不仅为食品安全监测提供利器，其四重放大原理对传染病诊断、环境监测等领域均有重要借鉴意义。