本网讯 近日，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 Multifunctional COF Electrochemical Biosensor for Bacteria Detection Based on Triple-Helix Molecular Switch and Zn²⁺-Triggered DNAzyme-Driven Swing-Arm Robot”在分析化学领域权威期刊《Sensors and Actuators B: Chemical》（SCI一区Top期刊，影响因子7.7）公开发表，学生第一作者为2024级硕士研究生王旋，通讯作者为江西理工大学张家林博士和温和瑞教授。

食源性细菌引发的疾病仍是全球重大健康威胁，每年导致数百万人死亡，亟需开发高效检测技术。针对现有方法（如平板计数、ELISA、PCR）存在的耗时较长或操作复杂等局限，电化学传感器凭借快速响应、操作简便、高灵敏度和低成本优势成为有效解决方案。实现细菌灵敏检测需依赖信号放大策略，其中共价有机框架（COFs）因其大比表面积、高孔隙率和有序纳米通道特性，可有效提升传感器性能；而摆臂机器人作为循环放大技术，通过DNAzyme对DNA序列的特异性识别驱动持续运动，显著提高DNA链利用率——这种人工酶活性DNA分子（DNAzyme）在特定金属离子（如Zn²⁺）激活下具有催化功能，且较生物酶更具稳定性与可修饰性。

基于此，课题组开发了一种基于三螺旋分子开关（THMS）和Zn²⁺触发DNAzyme摆臂机器人的新型电化学适配体传感器。该传感器采用聚二烯丙基二甲基氯化铵功能化石墨烯/银@金纳米片（PDDA-Gr/Ag@AuNSs）作为电极修饰材料，其六边形核壳结构通过Au/Ag双金属协同效应显著提升导电性和电荷转移动力学；同时利用共价有机框架（COF）构建多功能信号探针COF@Au-Thi/H4，其大比表面积和高孔隙率可高效负载电活性分子硫堇（Thi）。当体系存在大肠杆菌时，适配体与目标细菌的特异性结合使S2探针从THMS中释放，触发链置换反应（T-SDR）产生S1探针；Zn²⁺激活DNAzyme循环切割底物DNA链（H3发夹探针），暴露互补序列以捕获COF@Au-Thi/H4信号探针，最终实现检测限低至10 CFU/mL的超灵敏检测，全过程耗时少于3小时。该策略通过DNAzyme驱动的摆臂机器人和COF信号放大协同作用，为食源性病原体早期诊断提供了高效解决方案。构建策略如图 1 所示。

图 1.基于Zn²⁺触发的摆臂机器人和多功能 COF@Au-Thi/H4 纳米复合材料的细菌电化学传感器构建示意图。

通过傅里叶变换红外光谱、X 射线光电子能谱（XPS）以及紫外可见吸收光谱对PDDA-Gr/Ag@AuNSs电极修饰材料和 COF功能化复合材料进行表征，验证了修饰材料和信号探针的成功合成（图 2），此外，通过材料的电化学性能表征，验证了 COF@Au 作为信号载体的优越性。

图 2.（A）GO 和 PDDA-Gr 的 FTIR 光谱；（B）GO 和 PDDA-Gr 的 XRD 图谱；（C）COF、COF-Au、Thi 和 COF@Au-Thi 的 UV-vis 光谱；（D）COF@Au-Thi 的 XPS 全谱；（E）Au 4f 的 XPS 光谱；（F）S 2p 的 XPS 光谱。

通过循环伏安法（CV）、电化学阻抗谱（EIS）、琼脂糖凝胶电泳以及差分脉冲伏安法（DPV）验证了该传感策略的可行性（图 3）。这些结果表明，只有当大肠杆菌存在时，才能触发 T-SDR 以及 Zn²⁺依赖的 DNAzyme 驱动摆臂机器人反应，从而检测出电化学信号。

图 3.（A）CV 和（B）EIS 在含 0.1 M KCl 的 5 mM [Fe (CN)₆]^3-/4-中对传感器的表征；（C）琼脂糖凝胶电泳测量（M：DNA 标记物，20~500 bp）；（D）传感器在 PBS 溶液（pH=7）中有无目标时的 DPV 信号响应（目标浓度为 10⁷CFU/mL）。

在优化条件下检测不同浓度细菌，电流信号值随大肠杆菌浓度增加显著增加。信号响应值与细菌浓度对数的拟合曲线回归方程为 I=2.05 lgC-1.55（R²=0.995），通过三倍信噪比分析计算得 LOD 为 10 CFU/mL，检测时间小于 3 h。

图4. (A) 不同浓度大肠杆菌的差分脉冲伏安（DPV）曲线（从 a→i：0→10⁸CFU/mL）。(B) 电流与大肠杆菌浓度对数之间的线性关系。

采用标准加入法验证传感器在实际样品检测中的实用性。向无菌果汁、牛奶和人血清中添加不同浓度大肠杆菌（2×10、2×10³、2×10⁵、2×10⁷CFU/mL）。通过分析 DPV 信号输出，大肠杆菌的回收率范围为 89.5%-110.5%，RSD 范围为 3.16%-8.74%，表明该电化学生物传感器能够检测复杂样品中的大肠杆菌。

本研究提出了一种基于THMS 和 Zn²⁺触发的 DNAzyme 驱动摆臂机器人信号放大策略的简单高效电化学适配体传感器，用于检测大肠杆菌。PDDA-Gr/AuAg-NSs 纳米复合材料的引入通过提供大表面积和优异导电性改善了传感器的检测性能；借助T-SDR 循环过程，显著提高了生物传感器的检测灵敏度。该传感器具有宽检测范围、良好特异性、高重现性和稳定性，有望用于各种食源性细菌的准确、高灵敏检测，为疾病诊断和食品检测提供替代检测方法。

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。

张家林博士研究方向为功能材料制备以及生命科学中的分析方法的构建等，主持国家自然科学基金、江西省自然科学基金等项目7项。先后在Anal. Chem、 Biosens. Bioelectron、Sensors and Actuators B: Chemical、ACS Sensors等重要国际期刊发表SCI论文40余篇，累计影响因子大于300，总他引次数达500余次。近年来，以第一作者或通讯作者身份在SCI一区TOP期刊(中科院分区)发表13篇学术论文, SCI二区(中科院分区)发表3篇学术论文。

原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S092540052501264X

文、图/张家林

一审/黄海平

二审/陈琰

三审/夏李斌、刘遂军