新型电化学生物传感器：利用核酸适配体-分子印迹聚合物检测水中的细菌

研究背景

大肠杆菌和金黄色葡萄球菌作为主要的水传播病原体，快速、灵敏且特异性地检测这些病原体对于保障饮用水安全和公共卫生至关重要。传统检测方法耗时且操作复杂，因此开发新型检测技术具有重要的实际应用价值。

本文聚焦于一种新型的电化学生物传感器（Apta-MIP）的研发，该传感器结合了核酸适配体（Aptamer）和分子印迹聚合物（Molecularly Imprinted Polymer，MIP），用于水中细菌的快速、灵敏检测。研究的核心问题是提高细菌检测的效率和准确性，以应对水传播疾病对人类健康的威胁。

核酸适配体与细菌的结合

图1的频率和耗散变化表明，所选的核酸适配体对其目标细菌具有亲和力，E. coli的核酸适配体显示出良好的亲和力，而S. aureus的核酸适配体虽然有一定亲和力，但并不非常强，因为在缓冲液冲洗后有大量细菌被移除。

Fig. 1. Frequency and dissipation changes upon aptamer immobilizations on the QCM chips and E.coli (a) and S. aureus (b) binding to their specific aptamers.

性能测试

图2评估了基于Apta-MIP的电化学生物传感器的性能，并与单独的MIP传感器和单独的核酸适配体传感器进行了比较。结果显示，Apta-MIP传感器在检测E. coli和S. aureus时表现出更高的灵敏度，这归因于核酸适配体的存在以及其与MIP的协同作用。

Fig. 2. Percentage capacitance change of Apta-MIP and MIP sensors upon increasing E. coli (a) and S. aureus (b) concentrations from 100 to 108 CFU/mL; comparison of percentage capacitance changes in Apta-MIP, MIP, aptasensor, NIP and control experiments for 108 CFU/mL E. coli (c) and S. aureus (d) concentrations. The error bars represent the standard deviation obtained from three independent replicates.

水样中细菌的定量分析

图3结果表明：大肠杆菌传感器在去离子水中的LOD为3 CFU/mL，在自来水中的LOD为3.5 CFU/mL。金黄色葡萄球菌的在去离子水中的LOD为5 CFU/mL，在自来水中的LOD为8 CFU/mL。虽然检测大肠杆菌的Apta-MIP传感器在自来水中有较高的检测结果，但自来水的成分并没有显著影响传感器的性能。

与其他Apta-MIP、MIP和适体传感器相比，本研究开发的传感器显示出非常低的检测限和大的线性范围。

Fig. 3. Percentage capacitance change of Apta-MIP sensors upon increasing E. coli (a) and S. aureus (b) concentrations from 100 to 10⁸ CFU/mL in deionized and tap water samples. The error bars represent the standard deviation obtained from three independent replicates.

讨论

本研究利用适体和MIP构建了一种混合生物识别层，用于水样中大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的电化学检测。制备的生物传感器能够在缓冲溶液和水样中选择性检测大肠杆菌和金黄色葡萄球菌，检测限极低，分别为2 CFU/mL和4 CFU/mL。此外，这些传感器具有从1 CFU/mL到10⁸ CFU/mL的宽动态范围。此外，通过对比实验，证明Apta-MIP传感器的性能优于单独的Aptasensors和MIPs。

参考文献：Agar M, Laabei M, Leese H S, et al. Aptamer-molecularly imprinted polymer sensors for the detection of bacteria in water[J]. Biosensors and Bioelectronics, 2025: 117136.