基于二维编码荧光微球系统的多重致病菌检测

病原菌感染每年导致全球约500万人死亡，且常以多重混合形式存在于食品和临床样本中，对公共卫生构成严重威胁。目前，用于致病菌检测的经典方法包括微生物培养法、免疫测定法以及聚合酶链式反应（PCR）。但是现有检测方法存在着如微生物培养法耗时长、免疫分析法灵敏度不足、PCR技术依赖核酸提取与扩增步骤，操作复杂且易产生气溶胶污染等问题

研究内容

利用四棱体DNA（TDNA）增强的杂交链式反应（HCR），将不同荧光标记的DNA复合物固定在特定尺寸的聚苯乙烯（PS）微球上，从而创建了通过“颜色”和“尺寸”进行编码的超亮荧光信号探针。CbAgo蛋白的解码机制：病原菌特异性识别产生的向导DNA（gDNA）会激活CbAgo，使其精确切割微球表面的连接DNA，导致荧光信号从微球上脱落，实现从生物识别到光学信号的转换。从样本中的病原菌出发，经适配体识别、gDNA转化、CbAgo解码，最终通过计算机视觉分析荧光微球的颜色、尺寸和数量变化，实现多种病原菌的同时定量检测。

验证TDNA-HCR信号探针的优越性及CbAgo解码系统的可行性

综合运用凝胶电泳、粒径分析、元素分析、荧光成像和定量曲线等手段，证实了TDNA结构不仅能显著提升荧光信号强度（80%）和反应速度（缩短67%），还赋予了探针极佳的稳定性（可储存42天）；同时，实验明确显示CbAgo能在gDNA引导下特异性切割微球上的DNA桥，且切割效率与gDNA浓度呈良好线性关系，为后续定量检测奠定了坚实基础。

验证平台对单一病原菌的灵敏检测性能

随着S. aureus浓度的增加，其对应的荧光微球数量因CbAgo的切割作用而显著减少；研究特别对比了两种定量策略-传统的荧光强度分析和基于计算机视觉的微球直接计数法，发现后者具备更优的灵敏度，检测限低至20 CFU/mL，凸显了算法在提升检测性能方面的关键作用。

多重检测能力

通过将两种荧光颜色（如红、绿）与两种微球尺寸（3μm, 6μm）进行组合，构建了四个独特的二维编码探针，分别对应S. aureus、S. Typhimurium、E. coli和L. monocytogenes；在混合样本检测中，每种病原菌的存在只会导致其特定编码的微球信号消失，而不会影响其他探针，实现了高度的特异性与并行性，所有检测均可在1.5小时内完成。

结论

本研究通过TDNA-HCR信号放大、二维微球编码与CbAgo特异性解码的协同创新，建立了无需核酸扩增的多重病原菌检测新范式。其创新性在于将生物识别信号转化为可编程光学信号，结合CV算法实现高通量解析，为食品安全和临床诊断提供了快速、灵敏的现场检测方案。未来通过开发多形状编码颗粒与便携式成像设备，将进一步拓展其在现场快速检测中的应用潜力。

参考文献：

Wang M, Li L, Wei L, et al. Multiplexed Pathogenic Bacteria Detection via a Two-Dimensional Encoded Fluorescent Microsphere System[J]. Nano Letters, 2025, 25(6): 2256-2265.