一种能够同时检测细菌及其生物标志物的多级环形功能化碳纳米管阵列装置

细菌污染物及其产生的相关毒素会导致伤口感染、食源性疾病、痢疾、败血症等并发症甚至导致死亡。传统的细菌检测方法将分离富集病原菌等预处理步骤和检测步骤分开进行，使得整体检测耗时较长，再加上需要专门设备和熟练操作人员，无法满足在突发公共卫生危机的情况下对细菌污染的快速、现场和实时监测的需求。当前快速检测细菌的挑战在于样品来源及组成复杂且病原菌浓度较低。无数杂质的存在，包括其他微生物、蛋白质、有机和无机物的存在，在检测结果中引入了不可预测性。

基于此，厦门大学任磊/王苗团队报道了一种用于复杂生物样品分离和多标记物检测集成的多级环形功能化碳纳米管阵列装置，集细菌及其生物标志物的同时分离、富集和检测于一体。如图1所示，该装置将复杂的生物样品加至装置中心，然后在离心力的帮助下样品一次通过三种不同的表面修饰的森林状碳纳米管阵列（CNTA）。黑色环状层代表仅亲水修饰的CNTA，用于通过物理过滤分离大型生物（>500 nm），如细菌、细胞和其他杂质。浅蓝色环状层代表金葡表面蛋白A靶向的适配体修饰的CNTA，用于捕获特定的细胞外囊泡。浅黄色环状层代表了金葡肠毒素蛋白靶向适配体（SEA）修饰的CNTA，用于捕获特定的金葡肠毒素蛋白。样品在不同环形功能化CNTA中分离捕获后，用于基于适配体修饰的Au纳米棒的SERS标签进行进一步的SERS信号检测，以实现细菌含量的准确定量。

图1 多级环形功能化碳纳米管阵列装置（CNTA ）原理图

研究要点：

（1）超疏水的CNTA通过层层自组装进行亲水性修饰，并以生物素-亲和素系统介导了CNTA与不同适配体的功能化，制备了环形功能化碳纳米管阵列装置，使其在离心力的作用下利用纳米管阵列（CNTA）的尺寸分离机制同时捕获细菌、细胞外囊泡和产生的毒素。

（2）利用不同适配体修饰的金纳米棒作为SERS标签，与环形纳米传感阵列装置中捕获的目标分析物结合形成复合物，通过形成的高强度SERS信号实现分析物的灵敏检测。

（3）离心力辅助的流体动力学模拟。保证液体样品在器件中的快速均匀流动是提高细菌分离效率的前提。功能化后的CNTA虽然具有良好的亲水性和渗透性，但当样品添加速率较高时，由于液体的表面张力，液体更容易从器件中溢出。为了克服液体溢出的问题，研究提出在离心力的辅助下使样品在CNTA中的流动速度显著加快。此外，研究表明CNTA近表面流体速度降低的效应有助于增加流体中粒子与CNTA表面相互作用的相对时间，这种粒子滞留时间的延长为提高靶分子的特异性捕获效率提供了条件。

总的来说，本研究利用纳米管阵列（CNTA）的尺寸分离机制和修饰适配体的特异性捕获机制，引入离心力以辅助调节CNTA内样品的流动性，并对其流体动力学进行数值仿真计算，开发了针对复杂生物样品中的细菌及其生物标志物的快速捕获分离（1 mL样品耗时2.5秒）和拉曼检测的集成化器件，实现了对各种不同体积样品的快速、高灵敏度、多标记和定量的细菌检测。结果表明在10¹ - 10⁶ CFU/mL浓度范围内，基于不同生物标志物的SERS信号强度均与生物标志物浓度呈良好的线性关系，最低检测限为1.7 CFU/mL。该检测装置的构建使得复杂生物样品无需任何预处理可以直接进行加样，实现高精度多靶标检测的同时大大缩短了检测的整体时间（<30 min）。

论文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202312518