基于镧系元素功能化杂化有机框架的比色荧光平台，用于灵敏检测沙门氏肠炎菌

《Microchemical Journal》：Ratiometric fluorescence platform based on lanthanide-functionalized hybrid organic framework for sensitive detection of Salmonella enteritidis

　　

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  制备了荧光杂化材料 Ln-MOF/HOF。
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  开发了一种快速且灵敏的检测肠炎沙门氏菌的方法。
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  获得了宽广的线性检测范围（10–10⁸ CFU/mL）和低检测限（6 CFU/mL）。
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  该平台可用于实际食品样本的检测。

引言

沙门氏菌是一类能够存活在宿主细胞内的致病细菌，是全球范围内食物传播疾病的主要致病因子。沙门氏菌可引起多种临床表现，从自限性肠道感染到严重的系统性疾病，如血流感染和类似伤寒的发热[1]，[2]。临床上重要的血清型包括伤寒沙门氏菌、副伤寒沙门氏菌 A–C型以及非伤寒沙门氏菌（NTS），例如肠炎沙门氏菌和鼠伤寒沙门氏菌 [3]。人类感染主要通过摄入被沙门氏菌污染的食物或饮用水传播。全球范围内，沙门氏菌感染造成了巨大的疾病负担，每年估计导致9300万例胃肠炎病例和超过15万人死亡。仅在美国，与沙门氏菌相关的食物传播疾病造成的经济负担在2023年达到了171亿美元，在31种主要食物传播病原体中名列前茅[4]。目前，分析食物传播病原体的常规方法主要包括传统的平板计数[5]、酶联免疫吸附测定（ELISA）[6]和聚合酶链反应（PCR）[7]。然而，这些方法都有各自的缺点：平板计数耗时较长[8]；ELISA灵敏度低、假阳性率较高且抗体成本较高[9]；而PCR需要复杂的DNA提取和扩增步骤以及专用仪器[10]。因此，迫切需要能够快速准确检测病原体的方法来支持食品安全管理和疾病预防。

基于荧光的生物传感技术因能够实现快速信号读取、操作简便和出色的分析性能而被广泛用于病原体分析[11]。荧光传感系统的性能在很大程度上取决于荧光团的选择[12]。金纳米粒子、量子点、上转换纳米粒子和金属有机框架由于其稳定的光学特性和多样的制备策略，在生物传感应用中引起了极大的兴趣[13]，[14]，[15]，[16]，[17]。然而，大多数基于荧光的生物传感器依赖单发射信号，这些信号容易受到环境变化和仪器波动的影响，从而影响分析的可靠性[18]，[19]。相比之下，比率荧光生物传感器通过监测不同波长下两个发射信号的强度比来进行定量分析，提供了一种内部自校准机制，有效减少了外部干扰，提高了分析的稳健性和准确性[20]，[21]，[22]。尽管出现了用于病原体分析的比率荧光平台，但许多报道的系统仍然依赖有机荧光团，这些荧光团容易发生信号衰减和长期稳定性差[23]。因此，基于无机或框架材料构建稳定的高性能比率荧光传感系统仍然是重要的研究方向。

氢键有机框架（HOFs）作为一种有前景的多孔晶体材料，最近被越来越多地用于发光相关应用[24]。HOFs通过定向氢键和π–π相互作用构建，具有温和的合成条件、优异的溶液加工性能和可调节的结构[25]。值得注意的是，框架内部丰富的未配对氢供体和受体位点使得镧系离子（Ln³⁺）的协商变得容易，从而形成了Ln@HOF复合材料[26]。这种杂化结构结合了HOFs的多孔性和可定制性以及镧系中心的发光特性，如尖锐的发射特征、延长的激发态寿命和明显的斯托克斯位移，因此在智能传感应用中显示出巨大潜力[27]。迄今为止，Ln@HOFs已成功用于检测多种目标，包括温度、抗生素和气体[28]。

在这项研究中，通过在溶剂热条件下通过镧系离子诱导的部分转化，将HOF转化为MOF，制备出了具有内在发光特性的Ln-MOF/HOF复合材料。基于这种复合材料，开发了一个比率荧光传感平台，在目标识别过程中Tb³⁺的发射相对稳定，因此被选为内部参考信号；而固定在HOF表面的特异性适配体作为响应通道。这种配置使得对沙门氏菌的检测既灵敏又能自我校准。此外，由于适配体识别的模块化特性，所提出的Ln-MOF/HOF传感平台可以通过更换不同的目标特异性适配体来扩展到其他病原体。本研究为构建用于比率生物传感应用的镧系功能化异质结构提供了一种可行的策略。

章节片段

材料

大肠杆菌（ATCC 8739）从美国典型培养物收集中心获得。金黄色葡萄球菌（CICC 21633）、单核细胞增生李斯特菌（CICC 21633）和肠炎沙门氏菌（CICC 21513）由中国工业文化中心提供。针对肠炎沙门氏菌的适配体（表S1）由Sangon Biotech（上海，中国）定制合成。链霉亲和素功能化的超顺磁性颗粒（SA@MP，10 mg/mL，平均直径300 nm）购自Beaver

Ln-MOF/HOF的性能表征

如图1a所示，MBHOF是通过MA和BTC分子在氢键相互作用驱动下的自主组装形成的。NH和COOH官能团不仅构建了一个稳定的超分子框架，还为后续与金属离子的协调提供了潜在的活性位点。这一结构特性使得镧系离子的整合成为可能，从而形成了Ln-MOF/HOF复合材料。

结论

通过Ln³⁺诱导的原位部分转化策略，成功构建了一种镧系功能化的MOF/HOF异质结构，在此过程中MOF纳米结构在HOF表面形成，而原始的氢键框架得以有效保留。这种杂化结构结合了HOFs的结构优势和镧系中心的发光特性，从而实现了高效的荧光调节和框架稳定性的提升。

CRediT作者贡献声明

黄世豪：撰写 – 原始草案，研究，数据管理。沈浩：撰写 – 审稿与编辑，监督，数据管理，概念构思。于少宁：监督。

作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究的财务利益或个人关系。

本工作得到了中国浙江省自然科学基金（LQN25B050006）、国家重点研发计划（2024YFF0725800）以及宁波市关键研究与发展计划及“揭示与引领”项目（2023Z174）的支持。

黄世豪|沈浩|于少宁