MCOF辅助及二氧化锰纳米酶触发的级联双模态适配体传感器用于智能检测鼠伤寒沙门氏菌

《Food Chemistry》：MCOF-assisted and MnO 2 nanozyme-triggered cascade dual-mode aptasensor for intelligent detection of Salmonella Typhimurium

　　

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  一种适配体传感器结合了比色法与光热法检测鼠伤寒沙门氏菌（S. typhimurium）。
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  MnO₂介导的TMB氧化驱动AuNR刻蚀，无需额外添加H₂O₂。
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  比色法与光热法的检测限分别为6.6和3.2 CFU/mL。
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  该方法在与平板计数法对照下，评估于加标牛奶和肉浸提液样品中。
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  智能手机-LDA平台在独立盲测集上实现97.14%的准确率。

引言

食源性细菌污染对整个食品供应链从生产到消费构成重大公共卫生风险。在各类食源性病原体中，鼠伤寒沙门氏菌（Salmonella Typhimurium，S. typhimurium）被公认为全球最重要的食源性疾病致病原之一，常见于受污染的牛奶、鸡蛋和禽肉等食品中（Mkangara, 2023; Sun et al., 2021）。因此，快速准确检测该病原对于预防污染和保障食品质量至关重要。尽管平板计数法仍是传统的参考方法，但它受限于冗长的检测时间和繁琐的人工操作。基于核酸的方法虽然灵敏度更高，但需要复杂的样品前处理、昂贵的仪器和受过培训的人员（Kim et al., 2023; Lin et al., 2020; Nnachi et al., 2022）。这些局限性凸显了对快速、简便且适用于现场使用的检测策略的迫切需求。

基于适配体的生物传感器（aptasensors）已成为检测食源病原菌和其他食品污染物的有前景的分析工具，因其具有高亲和力、高特异性和易于修饰的特点（Hu et al., 2025; Liu et al., 2025; Wang, Wang, et al., 2026）。在该领域，共价有机框架（COFs）因其高比表面积、有序孔道结构和优异的化学稳定性，而作为固相提取的有前景吸附剂被广泛研究（Li, Xu, et al., 2024; Zhang et al., 2025）。然而，COFs固有的低密度使其从复杂基质中收集或沉淀面临挑战，从而阻碍了其应用（Wang, Jiang, et al., 2022）。磁性COFs（MCOFs）的出现，以Fe₃O₄纳米颗粒作为COF生长的核心，通过实现快速磁分离有效解决了这一问题（Romero et al., 2019; Yang et al., 2022）。MCOF展现出优异的磁性以及对客体材料（如核酸链、蛋白质或纳米颗粒）的稳健固定化能力，主要通过π-π堆积、氢键和静电作用等相互作用实现（Cui et al., 2021; Gao et al., 2017; Peng et al., 2017）。在我们的先期工作中，基于MCOF-AuNP的适配体传感器被成功构建，用于灵敏特异检测食源细菌，即使在苛刻条件下也表现出稳定的光学性质，并在回收使用方面表现良好（Li, Yan, et al., 2024; Wei et al., 2023）。

单模态传感平台固有地容易受到非标准化分析程序、操作人员熟练度差异和仪器性能差异所导致的波动影响（Lee et al., 2024; Ren et al., 2024）。双模态传感平台因其在单一检测中整合互补读出来获得广泛关注，用于食品污染物检测（Wang et al., 2025; Wang, Xu, et al., 2026; Yang et al., 2025; Zheng et al., 2023）。在各种双模态组合中，比色法与光热法检测模式的集成因其实用性强而尤为具有竞争力。比色检测无需昂贵仪器即可提供视觉读数，而光热检测提供互补的基于温度的信号（Mohammad et al., 2026; Sun et al., 2025）。值得注意的是，两种模式均可源自同一反应事件，从而对共享的转导过程提供互补测量。金纳米棒（AuNRs）由于其纵横比依赖的局域表面等离子体共振（LSPR），而成为此类双模态生物传感的理想材料，该共振同时决定其光学颜色和光热转换效率（Wang et al., 2016）。通过定向刻蚀或沉积改变AuNR纵横比，单一形貌变化可同时产生可见的颜色变化和近红外激光照射下光热响应的变化（Liu et al., 2021; Tao et al., 2021; Zhang et al., 2019）。这些耦合的比色与光热响应使AuNRs成为双模态生物传感的有前景的换能器。

近年来，智能手机摄像头为获取比色图像用于潜在的现场分析提供了便捷途径（Gbonyea et al., 2025; Zhao et al., 2026）。为了解释从这些图像中提取的多变量颜色信息，线性判别分析（LDA）可以利用拟合到标记训练数据的分类器将样本分配到预定义类别中（Li et al., 2019）。例如，集成智能手机的LDA已被应用于代谢驱动的比色传感器阵列，据报道对七种细菌物种实现了100%的分类准确率（Lin et al., 2025）。因此，结合智能手机成像与LDA为自动化解释比色响应提供了有前景的方法，具有便携式食品安全分析的潜在应用价值。

受上述考虑启发，我们在此提出一种MCOF辅助和MnO₂纳米酶触发的级联双模态适配体传感器，用于鼠伤寒沙门氏菌的多色比色与光热检测。如图1所示，适配体功能化的MCOF-AuNPs（MCOF-AuNPs@apt）作为磁性捕获探针，通过磁分离高效地从复杂基质中富集目标细菌。随后，适配体功能化的MnO₂纳米颗粒（MnO₂@apt）作为信号转导器，形成"MCOF-AuNPs@apt-S. typhimurium-MnO₂@apt"三明治复合物。MnO₂@apt促进无色TMB氧化为蓝色oxTMB，无需外源添加H₂O₂，随后经酸化生成黄色TMB²⁺。该TMB²⁺产物随后定向刻蚀AuNRs，同时诱导纵向等离子体共振波长蓝移，产生多色视觉读数，以及808 nm激光照射下光热转换效率降低，从而实现基于温度的定量分析。最后，构建智能手机集成LDA平台，通过从比色图像中提取RGB参数实现浓度水平的分类。

章节摘要

实验章节

关于化学品与试剂、表征、细菌培养、纳米探针合成及条件优化的详细信息见补充材料。

MCOF-AuNPs@apt与MnO₂@apt的合成与表征

MCOF通过醛胺缩合反应合成，利用Fe₃O₄纳米颗粒作为磁性核心，以TAPB和DMTP作为有机单体。如图1a所示，透射电子显微镜（TEM）显示球形核壳结构MCOF，表面粗糙且有皱褶。AuNPs通过NaBH₄还原原位生长在MCOF上。XRD图谱显示MCOF基复合材料中约30.1°和35.5°处出现与Fe₃O₄相关的衍射峰。在MCOF中可观察到2.8°和5.6°附近的低角特征峰。

结论

我们开发了一种基于MnO₂纳米酶触发级联信号放大的多色比色与光热双模态适配体传感器，用于鼠伤寒沙门氏菌检测。MCOF-AuNPs@apt实现了目标细菌的高效磁性富集。MnO₂@apt促进TMB氧化，随后经酸化生成TMB²⁺用于AuNR刻蚀，该刻蚀事件同时产生LSPR蓝移用于比色读数以及808 nm激光照射下光热响应的降低。

CRediT作者贡献声明

李航：撰写–审阅与编辑，撰写–初稿，方法论，调查研究，资金获取，形式分析。王心蕊：撰写–审阅与编辑，验证，数据整理。雷富瑞：撰写–审阅与编辑，可视化，验证。赵超：撰写–审阅与编辑，资源，项目管理，概念设计。李娟：撰写–审阅与编辑，监督，资源。王娟：撰写–审阅与编辑，监督，资源，资金获取。

利益冲突声明

作者声明不存在已知的可能影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢国家自然科学基金（资助编号：82504552、82473636和82373628）、白求恩医学部"医学+X"跨学科创新团队项目（资助编号：2025JBGS07）的资金支持。

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