前言

食源性病原体（如沙门氏菌、金黄色葡萄球菌、大肠杆菌O157:H7和单核细胞增生李斯特菌）在低温环境中的快速、精准检测对食品安全至关重要。随着冷链系统的广泛应用，低温环境（如冷藏和冷冻）已成为这些病原体的主要生存环境。然而，传统的培养法和分子生物学方法虽然准确，但操作复杂且耗时，难以满足冷链系统中快速检测的需求。因此，开发一种能具有成本效益、直接和精确的低温条件下快速检测食源性病原体的传感技术具有重要的现实意义。

近年来，比色传感阵列（Colorimetric Sensor Array, CSA）具有成本低、使用方便、反应迅速、目视检测和分类精度高等优点，在病原体快速检测方面具有很大的潜力。然而，现有的CSA大多适用于室温环境，无法在低温条件下有效工作。为了解决这一问题，本研究开发了一种基于聚乙烯醇/聚丙烯酰胺/氯化锂（PVA/PAM/LiCl）双网络水凝胶的抗冻比色传感阵列（Frost-resistant Colorimetric Sensing Array, FR-CSA），能够在4°C和-20°C的低温环境下准确鉴定四种流行的食源性病原体：沙门氏菌、金黄色葡萄球菌、大肠杆菌O157:H7和单核细胞增生李斯特菌。

研究内容

本研究设计了一种基于PVA/PAM/LiCl双网络水凝胶的FR-CSA，用于低温环境下的食源性病原体检测。通过将LiCl引入PVA/PAM水凝胶中，显著降低了水凝胶的冰点，增强了其在低温环境下的传感性能。FR-CSA由九个不同的染料点组成，能够对病原体释放的挥发性有机化合物（VOCs）产生独特的颜色响应模式。通过主成分分析（PCA）和线性判别分析（LDA），FR-CSA能够有效区分低温环境下常见的金黄色葡萄球菌、单核细胞增生李斯特菌、大肠杆菌O157:H7和沙门氏菌。

结果与讨论

1、PVA/PAM/LiCl双网络水凝胶的合成与表征

通过紫外光引发自由基聚合反应，成功合成了PVA/PAM/LiCl双网络水凝胶，如图1a。LiCl的引入不仅增强了水凝胶的机械性能，还显著降低了其冰点，使其在-20°C下仍能保持透明和柔韧性。扫描电子显微镜（SEM）图像显示，如图1c，PVA/PAM/LiCl水凝胶具有更致密的三维纳米结构，有利于VOCs的快速扩散和传感性能的提升。

图1. (a)基于聚乙烯醇、AM和LiCl的防冻水凝胶的形成过程。(b) PVA/PAM DN水凝胶和(c) PVA/PAM/LiCl DN水凝胶的SEM图像

2、抗冻性能评估

差示扫描量热法（DSC）和动态热机械分析（DMA）结果表明，PVA/PAM/LiCl水凝胶的冰点从-8.57°C降至-24.43°C，显著提高了其在低温环境下的抗冻性能。即使在-20°C下，水凝胶仍能保持良好的机械强度和透明度，确保了FR-CSA在低温环境下的稳定工作。

3、VOCs的比色响应

FR-CSA在4°C下对12种常见的病原体相关VOCs（如胺类、醛类、酮类和微生物代谢产物）表现出独特的颜色响应模式。通过欧几里得距离（ED）和线性判别分析（LDA），FR-CSA能够准确区分不同种类和浓度的VOCs，展示了其在低温环境下的高灵敏度和选择性。

4、病原体的检测

FR-CSA在4°C和-20°C下对四种常见食源性病原体进行了检测。实验结果表明，FR-CSA能够生成独特的颜色响应模式，并通过PCA和LDA分析有效区分不同病原体。即使在-20°C的极端低温环境下，FR-CSA仍能保持稳定的传感性能，展示了其在冷链系统中的潜在应用价值。

5、实际鸡肉样品的应用

为了验证FR-CSA的实际应用能力，研究团队在鸡胸肉模型中进行了病原体检测实验。结果表明，FR-CSA能够准确检测出鸡胸肉中接种的病原体，并在4°C和-20°C下生成独特的颜色响应模式。通过PCA和LDA分析，FR-CSA能够有效区分感染和未感染的样品，展示了其在复杂食品基质中的高灵敏度和准确性。

结论

本研究成功开发了一种基于PVA/PAM/LiCl双网络水凝胶的抗冻比色传感阵列（FR-CSA），能够在4°C和-20°C的低温环境下精准检测四种常见的食源性病原体，并在实际食品中展示了其高灵敏度和选择性，有望在冷链系统的食品安全监测中发挥重要作用，为低温环境下的病原体检测提供一种低成本、快速且精准的解决方案。

参考文献：Zhang Y, Liu MX, Yu YL, Chen S. Frost-resistant hydrogel colorimetric sensing array for accurate detection of foodborne pathogens in cold chain systems. Biosens Bioelectron. 2025 Mar 1;271:116990. doi: 10.1016/j.bios.2024.116990. Epub 2024 Nov 26. PMID: 39616899.