基于MOF纳米粒子和磁性碳点的比色适配体传感器，用于金黄色葡萄球菌的视觉检测

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摘要：
陕西师范大学刘梅老师等报道的本篇文章（Anal. Methods, 2024）中开发了一种基于磁性碳点（M-CDs）和铜基金属-有机框架（Cu-MOFs）双重识别的比色传感器，用于金黄色葡萄球菌（S. aureus）的可视化检测。通过修饰有特定寡核苷酸的Cu-MOFs能够特异性识别目标细菌，并表现出过氧化物酶样活性，通过催化3,3,5,5'-四甲基联苯胺-H2O2（TMB-H2O2）体系的显色反应。M-CDs因其强阳性电性而通过静电吸引细菌，并且由于其较小的尺寸，与磁性珠相比具有更好的捕获性能。通过检测由三明治结构复合物再悬浮后催化反应的颜色变化，实现了目标细菌的可视化检测。该传感器对细菌的检测限为1 CFU mL−1，并且对非目标细菌产生负结果，显示出优异的选择性。该策略在真实样品检测中表现出良好的恢复性，对病原细菌的可视化监测具有很大潜力，并为进一步开发细菌检测的新传感平台提供了参考。

研究背景：
1. 金黄色葡萄球菌（S. aureus）是食品加工和运输链中最常见的食源性病原体之一，能产生有害的肠毒素，引起人畜疾病。早期敏感地检测病原细菌是控制病原感染传播的有效手段。
2. 传统平板培养法耗时长，而基于免疫学和核酸技术的策略虽然精度高，但常需要昂贵的设备和专业技术人员。生物传感检测因其高特异性和灵敏度而受到关注。
3. 本研究利用Cu-MOFs和M-CDs构建了一种新型比色传感器，通过双重识别机制提高了检测的选择性和灵敏度，并简化了检测流程，实现了对S. aureus的快速可视化检测。

实验部分：
1. Cu-MOFs的合成与修饰：
   1) 将0.40 g PVP溶解在16 mL DMF和乙醇的1:1混合溶剂中，同时将0.15 mM Cu(NO3)2·3H2O和0.03 mM 2-氨基对苯二甲酸溶解在8 mL DMF中，超声混合均匀。
   2) 将混合溶液转移到聚四氟乙烯衬里的不锈钢反应釜中，在100°C下反应8小时，自然冷却至室温后通过离心收集产物，用乙醇洗涤三次，真空干燥得到Cu-MOFs。
   3) 10 mg Cu-MOFs与10 mL 2.5%戊二醛溶液在37°C下混合2小时，再用0.01 M PBS洗涤并分散在10 mL PBS中，加入30 μL 10^-4 M修饰有氨基的S. aureus寡核苷酸溶液，在37°C下孵育24小时，通过离心收集并与1% BSA的PBS溶液封闭1.5小时，4°C保存备用。
2. M-CDs的合成：
   1) 在氮气保护下，将0.05 g Fe3O4磁性纳米颗粒与0.5 mL乙二胺混合，加入10 mL去离子水，转移到聚四氟乙烯衬里的不锈钢反应釜中，在200°C下水热反应12小时。
   2) 反应结束后自然冷却至室温，通过4000 rpm离心收集产物，用去离子水洗涤三次，用永久磁铁收集产物，真空冷冻干燥后4°C保存备用。
3. S. aureus的检测：
   1) 将S. aureus在Brain Heart Infusion Agar培养基中37°C下培养过夜，6000 rpm离心2分钟收集细菌沉淀，用0.01 M PBS重悬。
   2) 100 μL S. aureus悬浮液与50 μL 0.6 mg mL^-1 M-CDs溶液和50 μL 0.6 mg mL^-1 Cu-MOFs溶液混合，在37°C下摇床孵育80分钟，弃去上清，沉淀物用200 μL PBS和100 μL TMB-H2O2混合，45°C下孵育10分钟，记录紫外吸收光谱。

分析测试：
1. Cu-MOFs的表征：
   - SEM显示Cu-MOFs为均匀分布的球形纳米颗粒，平均直径约为400 nm。
   - XRD谱图与文献中报道的Cu-MOFs的衍射峰位置一致，证实了高纯度。
   - FT-IR谱图显示了Cu-MOFs表面的氨基官能团，N-H的对称伸缩振动峰出现在3395 cm^-1。
   - XPS全谱显示了Cu2p、CuLM2、O1s、N1s和C1s的特征峰，证实了Cu-MOFs的元素组成，P2p峰的出现证实了寡核苷酸的成功修饰。
2. M-CDs的表征：
   - UV-vis吸收光谱显示M-CDs在265 nm处有显著吸收峰，证实了新物质的形成。
   - FT-IR谱图显示了M-CDs表面的氨基和氮掺杂特征，C-N的伸缩振动峰出现在1170 cm^-1。
   - XRD图谱显示了M-CDs的石墨烯样结构，特征峰位于29°。
   - XPS分析显示M-CDs表面含有Fe2p、O1s、N1s和C1s元素，C1s的高分辨谱显示了C-O/C=N和C-N的特征峰。
3. 检测性能分析：
   - 通过优化实验条件，实现了对S. aureus的灵敏检测，检测限为1 CFU mL^-1。
   - 与传统的平板培养法相比，该方法在实际样品中具有良好的恢复性和重复性，恢复率在97.8%至101.9%之间，相对标准偏差(RSD)在1.9%至4.8%之间。

总结：
本研究成功开发了一种基于Cu-MOFs和M-CDs的比色传感器，用于金黄色葡萄球菌的快速、灵敏和选择性检测。该传感器通过双重识别机制提高了检测的准确性，并简化了检测流程，具有在食品安全领域应用的潜力。

展望：
未来的研究可以进一步优化传感器的性能，提高检测的灵敏度和选择性。此外，可以探索该传感器在其他类型的病原体检测中的应用，以及在复杂样品中的实际应用效果。还可以考虑将该技术与其他检测技术结合，开发出更高效的病原体检测平台。

Colorimetric aptasensor based on peroxidasemimetic metal–organic framework nanoparticles and magnetic carbon dots for visual detection of Staphylococcus aureus
文章作者：Shanglin Li, Zhaomeng Sun, Ziyang He and Mei Liu *
DOI: 10.1039/d4ay01044b
文章链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2024/ay/d4ay01044b

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