细菌介导自由基聚合荧光生物传感器实现大肠杆菌与金黄色葡萄球菌的高灵敏检测

研究背景

食源性致病菌（如大肠杆菌和金黄色葡萄球菌）是引发全球食源性疾病暴发的主要病原体，可导致严重的公共卫生问题和社会经济损失。传统检测方法（如平板计数、PCR、免疫学方法）普遍存在操作繁琐、成本高、特异性和灵敏度不足等缺陷，难以满足现场快速筛查需求。原子转移自由基聚合（ATRP）作为一种高效的信号放大策略，可通过在识别界面原位生长聚合物链实现荧光信号的级联放大；然而，现有ATRP生物传感器多依赖外部化学或物理刺激（如抗坏血酸、光照、电极）来还原Cu(II)至Cu(I)以启动聚合，体系复杂且背景干扰高。近年来研究发现，细菌细胞表面具有独特的铜结合与还原能力，可将Cu(II)转化为Cu(I)，这为开发"自供能"式的细菌响应型ATRP信号放大体系提供了新思路。

研究方法

研究以羧基化Fe₃O₄磁珠为载体，通过锆离子（Zr⁴⁺）介导的羧基-金属-羧基配位化学，将ATRP引发剂（2-溴代异丁酸类衍生物，BPAA）修饰于磁珠表面；随后引入目标菌（E. coli或S. aureus），利用菌体表面天然的铜结合氧化还原通路将体系中的Cu(II)还原为Cu(I)，原位激活磁珠表面的ATRP反应，引发荧光单体（荧光素-o-丙烯酸酯，FA）在磁珠表面聚合生长，形成荧光聚合物链。通过磁分离去除未反应物质后，测定磁珠表面荧光强度，建立细菌浓度与荧光信号的定量关系。该方法无需额外还原剂、光照或电化学刺激，仅依赖细菌自身的生物化学活性即可驱动聚合信号放大。

主要结果

研究首先通过磁珠表面引发剂修饰及细菌介导的ATRP反应，成功在磁珠表面原位生成了荧光聚合物。机制研究表明，E. coli和S. aureus均具备将Cu(II)还原为Cu(I)的能力，从而激活表面引发的ATRP聚合反应；而无菌对照组或缺乏引发剂的体系均无法产生显著荧光信号，验证了细菌在该体系中的"催化剂"角色及传感器设计的特异性。荧光单体FA在聚合前荧光较弱，聚合后荧光显著增强，该"turn-on"特性有效降低了背景干扰。

图1.材料表征与可行性验证

在优化后的反应条件下（包括Cu(II)浓度、单体浓度、聚合时间等），荧光信号强度与细菌浓度的对数在10³–10⁸ CFU/mL范围内呈现良好的线性关系，相关系数优异。该方法对S. aureus和E. coli的检测限均低至10² CFU/mL，相较于传统荧光法提升了数个数量级，显示出ATRP信号放大策略的高效性。值得注意的是，该灵敏度水平已接近或达到部分复杂食品基质中病原菌安全阈值的检测需求。

图2.标准曲线与检测限分析

传感器对非目标菌（如其他常见食源性细菌）的响应信号极低，表现出良好的选择性，这归因于目标菌特有的铜还原活性及磁珠-细菌界面的空间限域效应。进一步在牛奶、果汁等实际食品样品中进行加标回收实验，结果显示目标菌的回收率良好，基质干扰小，表明该传感器在复杂食品样品中的检测稳定性与可靠性。该检测方法无需昂贵的大型仪器设备，仅依赖常规荧光光谱仪即可完成测定，为现场快速筛查提供了可行方案。

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图3.环凯产品示意图

研究结论

本研究创新性地将细菌自身的铜结合氧化还原特性与ATRP信号放大技术相结合，构建了一种无需外部刺激的荧光生物传感器，实现了对E. coli和S. aureus的高灵敏、高特异性检测。该策略将细菌从"被检测对象"转变为"反应驱动者"，简化了传感器设计，降低了背景信号，为食源性病原菌的现场快速检测提供了高效、稳定的新平台，在食品安全监测领域具有广阔的应用前景。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.aca.2024.343259