噬菌体 “精准捕捉” 铜绿假单胞菌 双模式电化学传感器实现超灵敏检测

研究背景

铜绿假单胞菌作为高致病性耐药革兰氏阴性菌，是院内感染的主要致病菌，抗菌药物耐药性（AMR）使其危害加剧，已成为重大公共卫生威胁。传统的细菌检测方法耗时、操作复杂，而噬菌体基生物传感器兼具高特异性与识别优势，结合ECL和EIS技术的双模式检测能提升分析可靠性，亟需开发此类便携、灵敏的检测平台。

关键突破

成功构建ECL/EIS双模式传感器基底，完成分步表征

研究以羧基化多壁碳纳米管（MWCNT-COOH）修饰丝网印刷电极（SPE），通过EDC-NHS偶联M-PAP1噬菌体完成传感器构建，利用循环伏安法（CV）和电化学阻抗谱（EIS）分步验证电极修饰过程，证实MWCNT可提升电子传递效率，噬菌体固定和细菌结合会形成绝缘层改变电化学信号，为检测奠定基础。（图1）

图1 电极制备的循环伏安与电化学阻抗表征

优化核心参数，实现ECL检测信号最大化

研究系统优化了MWCNT和M-PAP1噬菌体的负载浓度，确定MWCNT最优浓度为0.75mgml⁻¹，避免高浓度团聚降低电子传递效率；噬菌体最优浓度为50PFUml⁻¹，平衡表面识别位点与ECL反应的物质扩散效率，该参数下传感器获得最强且稳定的ECL信号，相对标准偏差仅3.67%。（图2、图3）

图2 不同MWCNT浓度的ECL响应

图3 不同噬菌体浓度的ECL响应

ECL检测实现铜绿假单胞菌超灵敏、宽范围定量

该传感器的ECL检测模式对铜绿假单胞菌的检出限（LoD）达0.755CFUml⁻¹，定量限（LoQ）为2.28CFUml⁻¹，线性工作范围宽至2.28~10¹⁰CFUml⁻¹且相关系数R²=0.9981，对比同类研究，该传感器的检出限更低、线性范围更宽，检测精准度与覆盖度均大幅提升。（图4、表1 本研究与同类检测方法的性能对比）

图4 铜绿假单胞菌ECL检测的线性范围

表1 本研究与同类检测方法的性能对比

实际基质适应性优异，对非目标菌无明显干扰

传感器在人工尿液样本中对铜绿假单胞菌的ECL检测回收率达92%-97%，EIS检测回收率亦超95%，基质干扰极小；同时对大肠杆菌、恶臭假单胞菌、荧光假单胞菌等非目标菌几乎无ECL和EIS信号响应，展现出极高的检测特异性，适配临床尿液样本的实际检测需求。（图5、图6）

图5 ECL检测的特异性分析

图6 人工尿液与PBS中EIS检测对比

具备良好的可重复使用性与长期储存稳定性

该双模式传感器的ECL信号在10次连续检测后仍保留约80%的初始强度，满足多次重复使用的需求；将传感器于4℃避光条件下储存15天，其ECL信号仍能保留98.1%的初始强度，无明显衰减，解决了传感器实际应用中的储存和重复使用难题，为便携化检测提供了条件。（图7、图8）

图7 传感器的可重复使用性

图8 传感器的长期稳定性

结论与展望

本研究成功构建了以M-PAP1噬菌体为识别元件、MWCNT-COOH修饰SPE为基底的ECL/EIS双模式生物传感器，实现了铜绿假单胞菌的超灵敏、宽范围定量检测，该传感器兼具高特异性、优异的实际基质适应性，以及良好的可重复使用性和长期稳定性，在临床尿液样本检测中表现突出。

该研究为抗菌药物耐药菌的检测提供了新型便携化分析平台，未来可进一步对传感器进行集成化、微型化优化，开发为现场快速检测（POCT）设备，拓展应用于食品、环境等领域的铜绿假单胞菌监测，为对抗AMR带来的全球公共卫生挑战提供技术支撑，也为其他致病菌的噬菌体基双模式检测传感器研发提供了参考。

参考文献

Allahyari M, Dokuzparmak E, Erdem A, et al. Phage-based dual-mode sensor using ECL and EIS for sensitive detection of Pseudomonas aeruginosa. Bioelectrochemistry 169 (2026) 109212.