基于CuCo-MOFs增强类漆酶活性的高灵敏适配体传感器与便携式水凝胶互补整合用于高粱中黑穗亭的比色检测

《Food Chemistry》：Complementary integration of highly sensitive aptasensor and portable hydrogel for colorimetric detection of dhurrin in sorghum based on enhanced laccase-like activity of CuCo-MOFs

　　

• 开发了一种比色法适配体传感器和水凝胶，用于检测dhurrin（芦碱）
• DHU1–23适配体显著增强了CuCo-MOFs的类漆酶活性
• 适配体增强了CuCo-MOFs在催化过程中对底物的亲和力
• 该比色法适配体传感器对dhurrin具有高度的特异性和灵敏性
• 该水凝胶可用于高粱中dhurrin的快速便携式检测

**引言**

Dhurrin是一种氰苷，广泛存在于高粱等禾本科植物中（Gleadow等，2012）。当植物组织受损时，dhurrin被内源性β-葡萄糖苷酶迅速水解，释放出高毒性的氢氰酸（HCN），后者抑制细胞色素c氧化酶，导致组织缺氧。严重时可导致急性中毒甚至死亡（English等，2025）。幼嫩高粱苗中dhurrin含量极高，是"青高粱中毒"家畜的主要病因。如果高粱及其加工产品（如高粱粉和高粱酒）未充分脱毒，残留的dhurrin同样会给人体的食品安全构成风险（Gleadow等，2012）。因此，建立快速、灵敏、便捷的方法检测dhurrin对于饲料安全预警、食品质量控制和现场筛查具有重要意义。目前，高粱苷类物质的检测主要依赖于高效液相色谱、液相色谱-质谱联用和气相色谱-质谱联用等精密仪器（Castada等，2020；Funnell-Harris等，2022；Zhong等，2020）。尽管这些方法灵敏且准确，但设备昂贵、操作复杂且耗时较长，难以满足基层和现场检测的需求（Tunin等，2024）。手持式近红外光谱仪也曾被用于估算高粱叶片中dhurrin的含量，然而该方法本质上属于间接检测，在低浓度范围内灵敏度不足，且无法区分dhurrin与其结构类似物（Peiris等，2026）。比色酶催化传感方法因操作简便、可视化读数且无需仪器，成为食品安全快速检测的研究热点。

漆酶（EC 1.10.3.2）是一类含铜多酚氧化酶，能够在温和条件下催化酚类底物发生显色反应（Jeon等，2012）。在漆酶介导的氧化还原过程中，还原产物仅为水，不会生成有害的活性氧（如H2O2）（Polak & Jarosz-Wilkolazka，2012）。因此，漆酶被广泛视为绿色催化剂，是开发比色生物传感器的理想识别元件（Jiao等，2025）。然而，天然漆酶制备成本高、易失活且储存条件要求严格，限制了其实际应用（Janusz等，2020）。为应对这些挑战，研究人员开发了具有类酶活性的纳米材料，其优势包括成本低、稳定性高、活性可调以及易于大规模制备（He等，2025）。基于此前的工作，我们开发了一种基于模拟漆酶活性的氧化银纳米粒子（Ag2O NPs）的dhurrin比色适配体传感器，在真实高粱样品检测中展现出广阔的应用前景（Liu等，2026）。与Ag2O NPs等纳米粒子相比，金属有机框架（MOFs）作为一类纳米酶，凭借其结构多样性、高比表面积和可调金属节点，在模拟氧化还原酶方面具有巨大潜力（W. Huang等，2022；C. Liu等，2020）。含铜MOFs中的铜节点可模拟天然漆酶中三核铜簇的功能，表现出类漆酶活性（Tian等，2023）。引入第二种金属（如钴）构建双金属MOFs可产生协同效应，显著提升催化活性（El-Yazeed等，2020；J. Zhang等，2020）。例如，CuCo金属有机框架已成功用于多巴胺和酪胺的检测（Ahmad等，2023）。然而，现有的基于MOFs的类漆酶传感策略在很大程度上依赖于目标分析物引起的信号变化，存在灵敏度受限和易受背景干扰等局限性。在这种模式中，基质引起的抑制或猝灭会降低初始高信号，从而降低信噪比。相比之下，信号增强/信号恢复模式将目标识别与催化信号产生解耦，依赖低背景信号和目标触发的信号恢复来提高在复杂食品基质中的可靠性。

近年来，利用适配体增强纳米酶活性的策略为应对这些问题提供了新思路（Malahom等，2026）。适配体是通过指数富集配体系统进化（SELEX）筛选出的单链DNA或RNA分子，能够以高亲和力和特异性识别目标分子（Tuerk & Gold，1990）。适配体与纳米酶表面之间的非共价相互作用，如静电吸附和碱基配对，可以改变纳米酶的表面微环境，从而调节其催化活性。在目标物存在时，适配体发生构象变化或在特异性结合后从纳米酶表面脱离，使酶活性恢复至基线水平，实现"开关型"灵敏检测（Hassibian等，2026）。例如，吸附在Ag@Cu2O表面的适配体通过与阳离子3,3′,5,5′-四甲基联苯胺（TMB）的静电相互作用增强纳米酶活性，从而构建了链霉素比色适配体传感器（Ju等，2026）。此外，我们的团队利用适配体增强氧化银纳米粒子的模拟氧化酶或漆酶活性，分别开发了多菌灵和马拉硫磷的比色适配体传感器（L. Huang等，2024）。值得注意的是，水凝胶是由三维聚合物网络组成的亲水性材料（Martin & Youssef，2018）。它们具有优异的生物相容性、可调的孔隙结构、出色的传质特性和宏观可操作性，非常适合用于有害物质的检测与分析（Cheng等，2022）。例如，Jin等将MnO2纳米片引入海藻酸钠水凝胶体系，开发出用于草酸定量分析的便携式水凝胶（Jin等，2020）。最近，类似的水凝胶平台已逐渐被开发用于检测各种分析物。例如，开发了双模水凝胶用于病原菌检测（Wang等，2026），设计了三维表面增强拉曼传感器用于有害残留物检测（X. Zhang等，2026）。机器学习辅助水凝胶的发展使亚硝酸盐的监测成为可能（Yang等，2025）。然而，基质的选择决定了小分子的扩散行为。琼脂糖是一种中性亲水多糖，其形成的物理交联互连网络比离子交联海藻酸和化学交联聚丙烯酰胺的孔隙更大（Pluen等，1999），因此对分析物的迁移造成的空间位阻更小。其热可逆的氢键网络也确保了无需交联剂泄漏的结构稳定性。这些特性使琼脂糖特别适合在允许小分子高效传输的同时嵌入探针。基于此，将MOFs和适配体共同负载入水凝胶有望充分发挥MOFs的催化性能和适配体的识别特性，实现高效便携式检测应用。

本研究提出利用dhurrin适配体增强CuCo-MOFs的类漆酶活性，开发dhurrin比色适配体传感器，实现dhurrin的快速可视化检测。此外，通过将适配体和CuCo-MOFs负载于水凝胶上，开发出可快速检测dhurrin的便携式检测设备。该方法主要依赖于CuCo-MOFs与适配体之间的非共价相互作用，增强其类漆酶催化活性，高效氧化显色底物产生明显颜色信号。在dhurrin存在时，适配体与目标物特异性结合后从CuCo-MOFs表面脱离，恢复类漆酶活性，导致颜色信号减弱。通过监测水凝胶的颜色变化并结合比色适配体传感器，可对dhurrin浓度进行定量分析，实现灵敏检测。综上所述，本研究融合了纳米酶催化、适配体传感、水凝胶材料和食品安全检测四个前沿领域，开发了一种新型的dhurrin快速检测方法及其对应的水凝胶产品。所开发的适配体传感器和水凝胶产品具有灵敏度高、特异性好、稳定性优良和便携性出色等特点。该技术有望进一步开发为试纸、检测笔或试剂盒，服务于基层检测站、农场、食品企业乃至家庭，助力食品安全风险预警。此外，这种"增强-恢复"传感模式还可扩展至农药残留、真菌毒素和重金属等食品污染物的灵敏检测，展现出平台化应用的广阔潜力。

**试剂与仪器**

Dhurrin标准品购自维康生物技术公司（四川，中国）。DNA Marker（50–500 bp）和针对dhurrin的适配体序列（DHU1–23：GCTCATCTCATATGAGTATGAGC）（K. Liu等，2026）由生工生物工程（上海）股份有限公司合成，解离常数（Kd）为（41.2 ± 2.05）nmol·L?1，经高效液相色谱纯化至纯度至少95%。适配体在95°C热变性后迅速复性。

**CuCo-MOFs的特性表征**

为开发高性能的比色适配体传感器，合成了具有类漆酶活性的双金属有机框架（CuCo-MOFs）材料，并对其形貌、结构、元素组成和化学态进行了系统表征。CuCo-MOFs通过水热法合成，以2-甲基咪唑为有机配体，CuCl2和Co(NO3)2·6H2O为前驱体（图1A）。SEM观察（图1B）显示该材料由……组装而成。

**结论**

本研究成功构建了基于适配体增强CuCo-MOFs类漆酶活性的dhurrin比色适配体传感器，并将其进一步负载入水凝胶中，开发出便携式快速检测产品。研究验证了dhurrin适配体能够增强CuCo-MOFs的类漆酶活性，实现对显色底物的高效氧化。在目标物存在时，适配体发生构象变化并脱离，恢复酶活性并使……

**CRediT作者声明**

夏莲：数据整理、方法学、调查研究、形式分析、初稿撰写。刘可雅：形式分析、验证、方法学。唐悦：方法学、形式分析、验证、监督。吴珍：方法学、形式分析、验证。牛晓娟：数据整理、调查研究、验证。吴远根：资金获取、项目管理、方法学、形式分析、监督、审阅与编辑。

**CRediT作者贡献声明**

夏莲：初稿撰写、方法学、调查研究、形式分析、数据整理。刘可雅：验证、方法学、形式分析。唐悦：验证、监督、方法学、形式分析。吴珍：验证、方法学、形式分析。牛晓娟：验证、调查研究、数据整理。吴远根：审阅与编辑、监督、项目管理、方法学、资金获取、形式分析。

**利益冲突声明**

作者声明不存在可能影响本文所述工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

**致谢**

本工作受国家自然科学基金（32360621，32160603）、贵州省重大科技专项（QKHZC[2026]318）和贵州省基础研究项目（QKHJCMS[2026]446）资助。

夏莲 | 刘可雅 | 唐悦 | 吴珍 | 牛晓娟 | 吴远根