《Biosensors and Bioelectronics》：Trimetallic mesoporous nanozyme–mediated lateral flow assay enables ultrasensitive visual simultaneous detection of biological and chemical contaminants
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双模式拉曼层流试纸通过三金属多孔纳米酶实现生物与化学污染物的同步高灵敏度检测，检测限分别为35 cells/mL和7.15 pg/mL，动态范围宽且稳定性强，适用于复杂污染环境快速筛查。
白文龙|张金|任磊|刘芳琳|张龙|李志刚|王崇文|郑帅|王书
中国科学院合肥物理科学研究院，中国合肥230036
摘要：
生物污染物与化学污染物具有广泛的分子量范围，这限制了现有方法在单次检测中同时识别混合污染物的能力。本文报道了一种基于三金属介孔纳米酶标签（dPdPt-Ir）的比色双模式侧向流动检测方法（DMLFA），该方法将夹心法和竞争法结合在一起，并在单条测试条上实现了超灵敏的基底催化读数，从而能够准确、同时检测代表性的生物污染物（大肠杆菌）和化学污染物（克伦特罗，CLE）。dPdPt-Ir通过以下方式提升了DMLFA的性能：（1）通过三元介孔框架提供丰富的催化位点，提高了过氧化物酶样的活性、灵敏度和信号动态范围；（2）通过高粗糙度的介孔表面增加了抗体的负载量和目标捕获效率；（3）通过全金属框架提供了结构稳定性，确保在复杂基质中的可靠操作。所提出的DMLFA能够在20分钟内同时定量检测大肠杆菌O157和CLE，其检测限分别为35个细胞/毫升和7.15皮克/毫升。该方法具有宽的线性范围（大肠杆菌O157：50–1×10^6个细胞/毫升；CLE：0.01–100纳克/毫升），视觉灵敏度提高了100倍，相对标准偏差小于6.91%，回收率在80.37%–111.69%之间。这些结果展示了其在环境监测和食品安全应用中快速筛查复杂污染物混合物的巨大潜力。
引言
在畜牧业和家禽生产链中，生产活动产生的污染物通常同时包含生物病原体（致病细菌）和小分子化学物质（兽药残留物）（Liu等人，2024年）。这些污染物常见于畜禽粪便中，并在排放后进入地表水、土壤和灌溉系统，对生态环境和公共健康构成持续而复杂的威胁（Chen，2023年；Marizzi del Olmo等人，2025年）。值得注意的是，克伦特罗（CLE）等β-激动剂的滥用不仅会在肉制品中留下残留，还会引发多起严重的公共卫生事件（Li等人，2025年）。在危地马拉的萨卡帕省，42.5%的市场牛肉样本中检测到了CLE，导致大规模的产品召回；在墨西哥，数百人因食用受污染的肉类而中毒。同时，涉及CLE和致病细菌（大肠杆菌O157）的共污染事件日益突出：美国的一条运河因牛场废水污染而引发了大肠杆菌O157疫情，造成5人死亡、200多人感染，波及36个州。这种共污染可能产生协同毒性效应，显著增加健康风险，因此迫切需要能够同时快速检测大分子病原体和小分子化学污染物的现场监测技术（Borsetto等人，2025年；Bruckner等人，2022年）。
目前的检测技术主要依赖于实验室分析（Ma等人，2022年）。微生物检测通常采用耗时的培养方法或依赖仪器的分子生物学技术（PCR），而小分子污染物则主要依靠色谱-质谱（MS）进行精确定量（Shao等人，2019年）。尽管这些方法具有出色的灵敏度和特异性，但它们操作繁琐、耗时、成本高昂，且需要专业操作人员，这使得在同一平台上同时快速筛查两类污染物变得具有挑战性，无法满足现场实时监测和应急响应的需求（Jiang等人，2019年）。侧向流动免疫测定（LFA）因其操作简便、响应迅速、成本低廉且无需复杂设备而被视为理想的现场检测工具（Chang等人，2025年；Sena-Torralba等人，2022年）。理论上，LFA可以通过“夹心法”检测大分子目标（细菌），通过“竞争法”检测小分子目标（CLE）（Kakkar等人，2024年）。为了实现两种具有不同物理化学性质的目标的同时检测，Wang等人首次构建了基于金纳米粒子（AuNP）标记的夹心-竞争双模式LFA系统，实现了在单条测试条上同时检测多种目标（Wang等人，2018年；Chen等人，2025年；Sheu等人，2025年）。
介孔纳米粒子（MNPs）由于其高比表面积、易于表面功能化以及有序的介孔结构，在生物传感、催化、环境修复等领域展现出巨大潜力（Kalantari等人，2019年）。具有刺状形态和高表面粗糙度的MNPs不仅增强了与细胞的相互作用，还显著增加了活性位点的密度，从而提高了与化学分子的接触效率，为捕获不同大小的目标提供了理想的界面（Huang等人，2020年）。Kaneko等人通过介孔二氧化硅的羧基/氨基功能化实现了对稀土元素镝的高效吸附（Kaneko等人，2019年）。Liu等人设计了类似刺猬的核心-壳层介孔Au@Pt纳米结构，利用其仿生刺状结构实现了高效的大肠杆菌捕获（Liu等人，2025年）。同时，Song等人开发了一种可控的Ir涂层PdPt纳米酶合成策略（Song等人，2023年）。Hao等人验证了低含量Ir的掺入可以有效增强基于Pt的纳米酶的催化活性（Hao等人，2024年）。多金属纳米酶可以通过组分间的协同效应增加活性位点并降低反应能垒，从而显著提升酶样催化活性，扩大检测范围并提高灵敏度（Wu等人，2020年；Yusuf等人，2022年；Zhang等人，2025年）。将介孔材料的结构优势与纳米酶的催化性能相结合，已成为构建高性能免疫传感平台的关键发展方向。然而，目前仍缺乏与夹心-竞争双模式LFA系统核心应用要求深度兼容的材料系统设计。
在此，我们通过一步法设计并合成了一种钯-铂-铱三元金属介孔纳米酶（dPdPt-Ir），并利用其作为核心标签构建了一个高性能的双模式侧向流动免疫测定（DMLFA）平台。本研究的新颖性主要体现在三个方面：首先，Ir、Pd和Pt之间的强协同效应在介孔内外壁形成了密集的催化位点，实现了优异的过氧化物酶样活性，并无需额外加载即可实现高效的信号放大；其次，外部粗糙的刺状形态增加了比表面积，促进了高密度抗体的固定，提高了大尺寸目标的捕获效率；第三，我们构建了一种具有金属框架和互连通道的三元介孔纳米酶，其一步合成简化了制备过程，全金属框架赋予了优异的结构稳定性。使用dPdPt-Ir标签，我们在单条测试条上协调了夹心法和竞争法，实现了大肠杆菌O157和CLE的同时超灵敏定量检测。该平台能够在20分钟内通过催化增强的比色信号实现可视化读数，并结合软件辅助的定量分析。这种双信号策略显著拓宽了动态范围：比色模式用于快速现场筛查，数字模式用于复杂样品的精确分析。在水环境样品中，该平台表现出优异的稳定性、特异性和可靠性，为复杂污染物的风险评估提供了强有力的工具。
材料与仪器
本研究使用的材料和仪器详细信息见补充材料S1.1。
dPdPt-Ir的制备
依次加入0.6 mL 20 mM Na2PdCl4、1.2 mL 20 mM K2PtCl4、1.8 mL 20 mM K2PtCl6和0.2 mL 20 mM Na3IrCl6（1.9/5.7/9.5/13.3 mg），充分混合。加入60 mg F127和3 mL L-抗坏血酸（0.3 M），涡旋混合。使用水浴超声波发生器在40 kHz下连续超声处理6小时（25°C）。以4313 ×g的离心速度离心8分钟，用去离子水洗涤八次，然后重新悬浮在10
dPdPt-Ir纳米酶的合成与表征
具有优异稳定性、良好金属结构和丰富表面活性位点的介孔纳米粒子是多功能传感平台的理想候选材料。其可控的合成方法为免疫色谱检测系统的制备奠定了基础，其独特的结构和性能优势使得此类系统的精确定制成为可能。为了制备这种定制材料，使用了F127作为结论
在本研究中，我们成功开发了一种基于介孔多金属dPdPt-Ir纳米酶的比色-催化双模式传感平台（DMLFA），实现了在实际水环境样品中对大肠杆菌O157（夹心目标）和CLE（竞争目标）的高灵敏度和同时检测。该纳米酶通过软模板法合成，以dPdPt为骨架并掺入Ir。由于多种金属之间的协同效应，其POD活性
CRediT作者贡献声明
郑帅：撰写 – 审稿与编辑，资金获取。王崇文：数据管理。王书：撰写 – 审稿与编辑，资金获取。刘芳琳：监督，形式分析。任磊：方法学，概念构思。李志刚：研究，数据管理。张龙：研究，数据管理。张金：撰写 – 原稿，验证，概念构思。白文龙：撰写 – 原稿，方法学，研究，数据管理
未引用参考文献
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利益冲突声明
作者声明没有利益冲突。
数据可用性
本文描述的研究未使用任何数据。
利益冲突声明
作者声明没有可能影响本文工作的利益冲突或个人关系。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：82302638）、中国博士后科学基金（项目编号：2023M740769）、公安部科技研究计划批准项目（项目编号：2025JSZ12）以及空军医科大学航空医学重大问题科学技术研究项目（项目编号：2022ZZXM030）的支持和资助。
