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基于细胞膜泡化设计的纳米酶MPC-B(OH)?通过Pt催化核心与硼酸功能化COF壳层协同，构建了颜色/电化学双模检测平台，对大肠杆菌检测限达2-3 CFU/mL，结合智能手机模块实现现场快速筛查，解决了传统方法灵敏度低和操作复杂问题。
何启军|胡伟|易志豪|杜斌|何远|徐建杰
中国西北大学化学与材料科学学院
摘要
早期和便携式检测食源性病原体是食品安全面临的关键挑战，因为传统方法存在灵敏度不足和操作繁琐的问题。受细胞区室化的启发，我们设计了复合纳米酶MIL-88(Fe)@Pt@COF-B(OH)2 (MPC-B(OH)2，并构建了一个以大肠杆菌（E. coli）为模型的双模式生物传感平台。在这种设计中，催化性的MIL-88(Fe)@Pt核心被硼酸功能化的COF壳包裹，该壳模拟了细胞膜，提供了特异性识别，同时优化了局部微环境以增强类似过氧化酶的活性，这一点通过密度泛函理论计算得到了证实。同时，其多孔的COF层提高了电化学性能。该传感器在比色/电化学模式下的检测限分别为2和3 CFU/mL，通过智能手机平台实现现场检测的检测限为7 CFU/mL。凭借出色的选择性、稳定性和在实际样品中的可靠性，这项工作为仿生纳米酶设计提供了一种新策略，并为现场食品安全监测提供了一个实用平台。
引言
食源性细菌污染是整个食品生产、包装和运输过程中的主要安全问题（Salda?a-Ahuactzi等人，2025年）。这种疾病的全球负担非常严重，每年约有6亿人患病，这些病例总共导致超过42万人死亡和3300万伤残调整生命年（Hoffmann等人，2017年）。因此，早期和定量检测病原体对于防止微生物传播、确保食品安全、监测质量和追踪感染源至关重要（Nnachi等人，2022年）。到目前为止，已经开发了多种方法，包括菌落计数（Hameed等人，2018年）、免疫测定（Alamer等人，2018年）和表面增强拉曼光谱（Huang等人，2019年）。虽然传统的计数方法仍然是“金标准”，但其使用受到灵敏度低、视觉区分度差和程序复杂的限制（Hadi等人，2023年）。分子技术，包括聚合酶链反应（PCR）（Lee等人，2019年）和酶联免疫吸附测定（ELISA）（Wu等人，2019年），虽然灵敏度较高，但需要复杂的样品准备。新兴的快速筛查技术在食源性病原体检测方面显示出潜力，其中DNAFoil作为一种基于核酸的平台，与传统的PCR相比具有更快的检测速度（El Sheikha，2021年）。然而，由于成本相对较高、操作程序复杂以及需要专业技能和额外试剂的核酸提取步骤，这类技术在广泛现场应用方面可能受到限制。因此，迫切需要快速、简单、低成本且高灵敏度的病原体检测系统。
电化学和比色生物传感器因其响应时间快、操作简单、可微型化潜力强以及分析灵敏度高而受到广泛关注，使其适用于下一代食品安全监测。在这一领域，共价有机框架（COFs）和金属有机框架（MOFs）已被广泛研究，并作为构建纳米酶（Ning等人，2024年）和电化学生物传感器（Dai等人，2019年）的生物平台。值得注意的是，类似于天然细胞的区室化结构（包括细胞膜、细胞器和专门的反应中心），将MOFs和COFs结合成混合系统可以克服各自的局限性，并提高电导率和催化活性。通过精确调节COFs的表面官能团和MOFs的活性位点，可以增强界面相互作用，从而提高MOF组分的酶活性（Li等人，2020a；Sun等人，2018年）和电化学活性（Yang等人，2023年）。
在MOF@COF混合结构中，COF组分可以模拟天然细胞的“细胞膜”，实现选择性细菌识别，其固有的官能团也与MOF协同作用，增强催化效果。具体来说，COF表面的硼酸基团可以与细菌细胞表面丰富的顺式二醇（糖）基团形成可逆的共价键（硼酸酯），这种特定的相互作用使得各种用于检测病原菌的生物传感平台得以开发（Li等人，2024年）。此外，一些COFs含有氨基、三嗪或酚基团，它们作为路易斯酸碱对支持催化作用（Dong等人，2012年；Lancaster等人，2018年；Ren等人，2019年；Zhao等人，2013年），它们与MOFs的结合可以设计出高催化活性的活性位点（L. Zhang等人，2021年）。铂纳米颗粒（Pt NPs）作为有效的纳米酶增强剂，可以掺入复合材料中显著提高活性。Li等人使用MIL-88@Pt@MIL-88复合材料进行电化学检测，用于超灵敏的外泌体miRNA检测，利用(H2O2)分解产生的放大信号（Li等人，2020b）。在这种策略中，MIL-88@Pt模拟了天然细胞器的信号放大功能。将Pt NPs整合到核壳结构后，复合材料不仅完全继承了天然细胞的区室化特性，还构建了一个协同增强的功能单元。这种仿生的集成设计有效突破了单一组分材料的性能限制，为开发高灵敏度、高特异性和便携性的食源性病原体检测平台奠定了坚实基础。
尽管MOFs和COFs的复合材料在传感方面具有优异的结构和功能优势，但它们在食源性病原体检测中的实际应用仍受到单一传感模式和缺乏便携式读出策略的限制，这使得它们容易受到环境、设备和其他因素的干扰（Pan等人，2024年；Zhang等人，2020年）。双模式传感技术因能够整合两个独立的检测信号而受到广泛关注，因为它可以实现结果交叉验证，减少干扰并显著提高检测可靠性（Ding等人，2024年）。例如，胡等人通过MOF@COF杂交增强了荧光和电化学信号，构建了一个用于转铁蛋白的双模式传感器（Hu等人，2024年）；辉等人将COF@MOF复合材料与人工神经网络结合，实现了谷胱甘肽的荧光-比色双模式检测（Hui等人，2025年）。近年来，智能手机技术的快速发展突显了创建基于智能手机的集成检测设备的实用性，这些设备利用高分辨率摄像头和强大的计算能力来获取和处理相关信息（Shen等人，2022年）。遗憾的是，将双模式细菌传感与基于智能手机的便携式读出相结合的研究在当前研究中仍然很少。受上述内容的启发，我们构建了一种仿生复合材料MIL-88(Fe)@Pt@COF-B(OH)2 (MPC-B(OH)2，它模仿了细胞区室化：(1) MIL-88(Fe)@Pt核心作为催化“细胞器”，集中活性位点并增强酶活性；(2) 硼酸功能化的COF壳作为合成“细胞膜”，保护核心免受复杂环境中的聚集和非特异性结合，同时通过特定的硼酸-二醇与细菌糖蛋白相互作用捕获目标细菌。这种区室化在核心周围创造了有利的微环境，增强了底物扩散、中间体稳定性和电子转移——类似于细胞器中的天然酶级联反应。基于这种材料，我们开发了一个用于大肠杆菌（E. coli）的比色/电化学双模式传感平台，并将其与智能手机模块集成，实现了快速的现场定量检测。如图1所示，首先使用Fe3O4@Ab1进行免疫磁分离，然后通过MPC-B(OH)2介导夹心复合物的形成。定量检测使用独立的吸光度和电化学信号，实现了交叉验证和抗干扰性。该平台与智能手机模块结合使用时具有高度灵敏性和实用性，能够实现快速的现场病原体检测，为食品安全提供了可靠的解决方案。与现有的相关研究相比，这项工作采用了受细胞区室化启发的设计，并将MPC-B(OH)2仿生复合材料应用于食源性病原菌的检测。通过硼酸基团对糖基的双重识别和免疫磁分离，它克服了单一识别模式易受基质干扰的缺点。本工作中构建的比色/电化学双模式传感系统通过双信号的交叉验证解决了传统单模式传感易受环境和仪器干扰的问题，提高了检测结果的可靠性。此外，这种策略无需大型复杂仪器即可实现现场快速定量检测。与DNAFoil等核酸检测技术相比，该方法消除了复杂的样品预处理和专业操作技能的要求，大大降低了检测成本和操作门槛，因此更适合食品生产和运输等场景中的现场快速筛查。这项研究为食源性病原菌的现场快速检测提供了一种新的材料和技术解决方案，也为MOF@COF基复合材料在食品安全检测领域的实际应用开辟了新的途径。
化学品和试剂
二甲基亚砜（DMSO）、硼氢化钠、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、无水乙醇、2-氨基对苯二甲酸（NH2-BDC）、六水合三氯化铁（FeCl3·6H2O）、N,N-二甲甲酰胺（DMF）、4,4'-二氨基联苯（DABP）、2,4,6-三甲酰氟苯酚（Tp）和4-氨基苯硼酸（APBA）购自Macklin（中国上海）。氯铂酸（H2PtCl6）和N-乙基-N′-(二甲氨基丙基)碳二亚胺（EDC）购自Aladdin Biochemical Technology Co.
MPC-B(OH)?的制备和表征
MPC-B(OH)2是通过将COF-B(OH)2修饰到MIL-88(Fe)@Pt表面制备的（图1A）。为了明确合成材料的形态特征，使用SEM和TEM对MIL-88(Fe)、Pt NPs、MIL-88(Fe)@Pt和MPC-B(OH)2进行了结构表征。如图1B所示，MIL-88(Fe)表现出标准的八面体结构。加入Pt NPs后，MIL-88(Fe)@Pt的表面变得明显粗糙（图1C）。对于MPC-B(OH)2（图1D），其
结论
总之，本研究成功开发了一种区室化的仿生纳米酶MPC-B(OH)2，通过将催化性的MIL-88(Fe)@Pt核心与硼酸功能化的COF壳结合，实现了细菌识别、纳米酶催化和信号转导的协同作用。该复合材料通过DFT验证的微环境优化机制，表现出显著增强的类似过氧化酶的活性和电子转移效率。
CRediT作者贡献声明
何启军：撰写——原始草稿、研究、概念化。胡伟：撰写——原始草稿、研究。易志豪：可视化、形式分析。杜斌：方法学。何远：撰写——审阅与编辑、概念化。徐建杰：撰写——审阅与编辑、项目管理。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
