用于微生物孢子高灵敏度检测的微流控芯片

由核盘菌（Sclerotinia sclerotiorum）引起的菌核病会严重降低油菜的产量和品质，对全球范围内的油菜产业造成了巨大的威胁。对于菌核病的管理可以采用生物防治的方法，近年来，粉红粘帚菌（Clonostachys）被广泛应用在菌核病的防治中，相比于传统的化学防治具有环保健康的优点。而对于粉红粘帚菌孢子的检出，是进行生物防治的关键步骤。传统的检测方法，如平板计数、电泳捕获，PCR、ELISA虽然灵敏度较高，但有些方法需要昂贵的设备、复杂的前处理、专业的操作人员以及较长的时间，限制了他们在实时原位检测方面的应用，所以亟需一种低成本、高效、操作简单的检测方式。

聚乙烯亚胺（PEI）是一种阳离子聚合物，具有良好的吸附性能，在基因传递、酶固定化、生物传感器等领域被广泛应用。光子晶体（PC）是一种空间结构有序、带隙结构宽的介电材料，基于Bragg衍射能够在不同的带隙下展现出不同的颜色，同样在生物传感器等诸多方面有广泛的应用。二者联用，能够使光子晶体带有正电荷，有利于孢子的吸附和富集，具有提高孢子检测灵敏度的潜在优势。

近期，华中农业大学工学院廖庆喜团队在Food Chemistry发表了题为：Polyethylene imine-modified photonic crystal microfluidic chip for highly sensitive detection of microbial spores的研究论文。

该论文旨在结合聚乙烯亚胺和光子晶体材料，构建一种快速无损检测微生物孢子的微流控设备。

该研究首先基于聚丙乙烯、明胶、聚乙烯亚胺修饰的光子晶体等材料，构建了一种用于孢子检测的新型设备，具体构建流程及检测原理如下图（图中PS：聚丙乙烯；PC：光子晶体；PEI：聚乙烯亚胺）。设备浸入到孢子溶液中20 min后，进行反射光谱检测，发现反射峰的偏移，初步说明了孢子与带电晶体表面产生了相互作用。

之后，研究人员通过场发射扫描电子显微镜对光子晶体材料进行了形貌和元素分布表征，结果呈现于下图。在扫描电子显微镜下，光子晶体呈现出高度均匀的粒径，并以面心立方结构有序排列；明胶浸润后聚丙乙烯光子晶体的SEM图像表明明胶成功地填充并凝固了原始微球阵列内的间隙，同时保留了光子晶体的面心立方结构。明胶的加入既保持内部微球阵列的排列完整，又增强了结构完整性，有助于为其表面的后续PEI修饰提供稳定的支撑。

为使设备达到更好的效果，研究人员还对明胶浓度进行了优化，测定了五种不同浓度明胶的反射光谱，结果如下图。结果表明，明胶浓度为3%（wt）时，光子晶体的结构完整并且具有一定的力学强度，在水中浸泡60 min后反射峰仅仅偏移了几纳米，具有较高的稳定性。总而言之，掺杂3%明胶分子的光子晶体具有优异的光热稳定性，在需要高强度响应的领域具有可操作性。

之后，研究人员利用3D打印技术并以上述设备作为检测基底构建了微流控芯片，并对其性能进行验证，结果如下图。结果表明，经过PEI修饰的光子晶体相比于未经修饰的检测孢子时波长移动更显著，检测的灵敏度更高。并且在最终的实际验证中，当孢子悬浮液的浓度范围从10²孢子/ml到10⁶孢子/ml时，波长移动为35 nm，相关系数（R²）为0.971，具有较高的实用性。

综上，研究人员使用聚乙烯亚胺（PEI）修饰的光子晶体构建出了一种用于孢子检测的微流控芯片，在检测中体现出了较高的灵敏度及较宽的检测范围，为快速、无损、精确检测孢子提供了一种新方法，在农业和实际环境监测中具有较强的应用潜力。

论文来源：https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2024.140366