本网讯 近日，江西理工大学化学化工学院（功能晶态材料化学江西省重点实验室）张家林课题组的研究论文“Ultrasensitive COFs electrochemical sensor for detection of bacteria bytripedal DNA walker and self-assembled nanostructure scaffolds”在化工领域顶级期刊《Chemical Engineering Journal》（SCI一区Top期刊，影响因子13.2）公开发表，第一作者为2024级硕士研究生王旋，通讯作者为江西理工大学张家林副教授。
食源性细菌感染一直是全球公共卫生的重大挑战，金黄色葡萄球菌作为常见致病菌，极易引发皮肤感染、食物中毒、以及肺炎、心内膜炎等严重疾病，严重时甚至危及生命。传统平板计数、免疫分析、荧光检测等方法，存在耗时漫长，需要昂贵的专业仪器等问题，难以满足现场快速及超灵敏检测需求。针对这一痛点，课题组创新性地将三足DNA步行器与自组装纳米支架结合，开发出一种基于共价有机框架(COFs)的超灵敏电化学传感器，实现对金黄色葡萄球菌的快速、精准检测，为食品安全监测与临床诊断提供全新解决方案。
当体系中存在目标菌时，适配体与目标菌发生特异性结合，促使S6探针从适配体上脱落，进而触发催化发夹组装(CHA)反应，形成三足DNA步行器。设计发夹DNA轨道并将其修饰于电极表面；三足DNA步行器的 “腿” 与发夹探针发生杂交，并沿预设轨道定向移动，打开发夹结构。引入序列精准、尺寸均一的DNA四面体(Td)支架，通过程序化自组装构筑分支型四面体-杂交链式反应(Td-HCR)的DNA复合纳米结构。Td-HCR DNA复合物与打开的发夹结构发生杂交，暴露出更多Td-HCR DNA结合位点，可进一步与COF-Au-MB-S5信号探针杂交，从而产生显著电化学电流信号，实现细菌的定量检测。该方法线性检测范围为10-108CFU/mL，检出限低至5 CFU/mL。该传感器具备优异的选择性、稳定性与重现性，为细菌高灵敏检测提供了一种全新的新思路与新方法。构建策略如图1所示。
图1基于三足DNA步行器与自组装纳米结构支架构建超灵敏COF功能化电化学生物传感器用于细菌检测的原理示意图。
以TAPB和DMTP为前驱体合成球形COF，再在其表面原位生长金纳米粒子，并进一步负载亚甲基蓝和S5探针，得到COF-Au-MB-S5复合信号探针。图2中的SEM、TEM、EDS、FT-IR、XRD和XPS结果共同证实了该材料的成功制备，其中COF保持有序骨架结构，而Au纳米粒子、MB和DNA探针均被有效引入，为后续电化学信号输出提供了基础。
图2COF-Au-MB-S5的扫描电镜图(A)及元素分布图(B)；(C) TAPB、DMTP、COF及COF-Au的傅里叶变换红外光谱图；(D) COF与COF-Au的XRD衍射图谱；(E) COF、COF-Au及COF-Au-MB的XPS全谱图。
采用电化学方法与凝胶电泳表征传感器构建过程(图3)。CV、EIS结果清晰反映电极逐步修饰过程中界面电子传递特性的变化，证实各功能单元成功组装；琼脂糖凝胶电泳验证了多核酸序列的有序反应与三足DNA步行器的有效形成；DPV测试进一步证明，金黄色葡萄球菌存在时可产生显著电化学响应，证明传感策略可行有效。
图3(A、B)电化学生物传感平台逐步构建的循环伏安曲线与电化学阻抗谱；(C)琼脂糖凝胶电泳表征；(D)传感器在0.05 mol/L、pH 7.4磷酸盐缓冲液中有无金黄色葡萄球菌时的差分脉冲伏安响应。金黄色葡萄球菌浓度为107CFU/mL。
探究传感器对不同浓度金黄色葡萄球菌的定量检测性能(图4)。随着菌液浓度从10至108CFU/mL梯度升高，DPV电流信号同步显著增强。电流响应与金黄色葡萄球菌浓度对数呈现良好线性关系，平行三组实验误差较小，表明该传感器具备优异的定量检测能力与实验重复性。
图4(A)传感器在0.05 mol/L磷酸盐缓冲液（pH 7.4）中对不同浓度金黄色葡萄球菌的差分脉冲伏安曲线（A→H：浓度范围10-108CFU/mL）；(B)电流响应值与金黄色葡萄球菌浓度对数之间的线性关系。误差棒代表标准差，平行实验样本数n=3。
本研究基于三足DNA步行器与自组装纳米结构支架，构建了一种新型功能化COF电化学生物传感器，用于金黄色葡萄球菌的超灵敏检测。该传感器以DNA轨道作为电极基底；目标菌金黄色葡萄球菌存在时，可触发三足DNA步行器组装，并沿预设DNA轨道定向移动。为提升电化学活性位点密度，引入序列设计精准、尺寸均一的DNA四面体作为支架，大幅增加电极表面可修饰位点，进而结合大量COF-Au-MB-S5信号探针。该检测策略对金黄色葡萄球菌的检出限低至5 CFU/mL。所构建电化学传感器具有良好的选择性、稳定性与重现性，为食品检测及临床诊断提供了新方法。
据悉，本工作得到了国家自然科学基金、江西省自然科学基金、功能晶态材料化学江西省重点实验室等资助。
文、图/张家林
一审/史超
二审/陈琰
三审/李金辉
原文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894726043160?via%3Dihub
