金网捕菌：超敏Love波SAW传感器揭开S. aureus基因面纱

研究背景

目前用于检测或监测S. aureus的分析方法包括实时聚合酶链反应（PCR）、免疫磁珠分离技术、酶联免疫吸附测定、表面增强拉曼光谱、光学和电化学生物传感器以及表面声波（SAW）设备。

基于SAW的生物传感器因其成本效益、数字化输出和无线被动功能而受到青睐，它们在无需标记的情况下检测S. aureus，并能实时连续监测其存在。Love-mode SAW传感器适用于液体或高湿度环境中的生物检测，其引导层能最大化波能量在表面或近表面的约束，这不仅隔离了电极与离子液溶液，还提高了灵敏度。

SAW生物传感器的性能通常受限于合适的敏感膜层的可用性。因此，优化敏感膜层的组成是提高检测特异性、灵敏度和稳定性的关键。

工作原理

当目标分子（如金黄色葡萄球菌的DNA）到达传感器表面时，它们将特异性地结合到敏感层的探针DNA上。由于这种键形成引起的质量加载效应，SAW在波传播过程中受到影响，这可以从SAW传感器的频移（或相变）变化中体现出来。通过连续监测频移，可以知道目标分子的浓度。

Figure 1. (a) Schematic diagram of traditional SAW biosensor with the gold film as the sensitive layer; (b) working principle of LSAW sensor loaded with composite nanofibers and schematic diagram for monitoring S. aureus gene sequence; (c) preparation process flowchart of LSAW sensor with CA/PEI/AuNPs nanofibers; (d) schematic diagram and photo of the SAW chip and SAW biosensor system packaged with microfluidic substrate.

性能评价

传感器性能：

研制的Love-mode SAW传感器在检S. aureus基因序列时展现了122.56 Hz/(nmol/L)的高灵敏度，这是传统使用裸金膜作为敏感层的SAW传感器灵敏度的5倍。

线性检测：

在0到100 nmol/L的范围内，S. aureus基因序列的检测显示出极高的线性相关性，相关系数R²为0.97827。

检测限：

该传感器的检测限非常低，为0.9116 nmol/L，远低于传统SAW传感器。

传感器特异性：

通过将非互补单链DNA、两种错配和一种错配的单链DNA以及目标单链DNA分别引入传感器的敏感区域，验证了传感器对S. aureus基因序列的高度特异性。

重复性和稳定性：

经过五个循环的测试，传感器展现出良好的重复性，频率变化保持在初始水平的约85%。对不同设备进行的重复性测试表明，使用相同制造过程的三个SAW生物传感器具有可比的性能，不同设备间的灵敏度误差小于6%。

与传统SAW传感器的比较：

与传统的裸金电极薄膜相比，使用CA/PEI/AuNPs纳米纤维的LSAW传感器在相同条件下显示出更高的频率变化，灵敏度提高了5倍，线性更好，检测限降低了五倍。。

Figure 2. Various aspects of performance of the LSAW biosensor with CA/PEI/AuNPs nanofibers. (a) Transmission (S21) and reflection (S11) coefficients of the LSAW biosensor; (b) particle displacement diagram and 3D vibration mode diagrams of the LSAW biosensor; (c) Frequency shift of the target ssDNA at different concentrations of the LSAW biosensors with CA/PEI/AuNPs nanofibers in real time; (d) frequency shift of the target ssDNA at different concentrations of the traditional LSAW biosensor with bare Au electrode in real time. (e) Linear fitting of experimental data to the proposed LSAW and traditional LSAW biosensor for measuring different concentrations of DNA.

Figure 3. (a) and (b) Frequency shifts of LSAW with CA/PEI/ AuNPs nanofiber hybridization to different DNA sequence; (c) the cycling repeatability of the LSAW biosensor; (d) repeatability experiment with different SAW devices under the target DNA concentration of 50 nmol/L.

结论

本研究采用ST-90°X石英材料，采用电纺丝CA/PEI纳米纤维修饰AuNPs作为传感层，开发了一种用于检测金黄色葡萄球菌基因序列的Love-mode SAW生物传感器。结果表明，所设计的传感器检测金黄色葡萄球菌基因序列的灵敏度为122.56 Hz/(nmol/L)，是采用裸金膜作为敏感层的传统SAW传感器灵敏度的5倍。金黄色葡萄球菌基因序列在0 ~ 100 nmol/L的检测范围内呈显著的线性关系（R²为0.97827）。该方法的检出限为0.9116 nmol/L，具有良好的稳定性和特异性。

参考文献：He Y, Zhou J, Zhang J, et al. Monitoring Gene Sequences of Staphylococcus aureus Using a Love-Mode Surface Acoustic Wave Biosensor Coated with Cellulose Acetate/Polyethylenimine Nanofibers and Au Nanoparticles[J]. ACS sensors, 2024.