新型过滤辅助生物传感器助力食品安全快速检测

一、 研究背景：

1. 样本前处理的复杂性：食品基质（如番茄、生菜）含有大量杂质（纤维、色素等），直接检测易受干扰，导致假阴性结果。现有过滤方法多针对PCR设计，需提取DNA且样本处理量小（通常1-10 mL），难以覆盖食品的异质性。

2. 检测速度与成本的矛盾：传统培养法耗时过长，而生鲜食品保质期短，检测延迟可能造成巨大经济损失。PCR虽快但需昂贵设备，且操作复杂，不适合现场应用。

3. 灵敏度与实用性的平衡：生物传感器虽灵敏，但小样本量（如100 μL）可能导致漏检。例如，若病原菌分布不均，即便整体样本超标，检测样本中可能无目标菌。

二、 研究方法

创新方法：FASP与生物传感器的强强联合

1. 过滤辅助样品制备（FASP）技术

FASP通过两级过滤优化样本前处理：

· 初级过滤：使用玻璃纤维滤膜（GF/D，孔径3 μm）去除大颗粒杂质（如番茄果肉）。

· 次级过滤：采用醋酸纤维素滤膜（CA，孔径0.45 μm）捕获目标细菌。
过滤后，次级滤膜经涡旋震荡将细菌重悬于3 mL缓冲液，浓缩样本体积（从250 mL降至3 mL），提升检测灵敏度（图1）

图 1.过滤辅助样品制备方法的整体实验过程及其验证。

2. 双功能连接器生物传感器

· 原理：生物素标记的大肠杆菌O157:H7抗体与目标菌结合后，通过链霉亲和素修饰的金纳米颗粒（AuNPs）形成“三明治”结构。

· 可视化检测：未结合时，AuNPs分散呈红色；目标菌存在时，AuNPs聚集导致溶液变蓝（图2）。

· 优势：无需复杂仪器，结果肉眼可判读，适合现场应用。

图 2.使用基于双功能接头的比色生物传感器对大肠杆菌 O157：H7 进行开/关检测的结果：（a） 在没有基于过滤器的富集非依赖性方法的情况下，250 mL 样品的 REVC 偏移，以及 （b） 遵循基于过滤器的非依赖性富集方法，3 mL 样品的 REVC 偏移随 AuNP 的颜色变化。西红柿中大肠杆菌 O157：H7 的检测：样品采用基于滤膜的富集非依赖性方法制备，并通过基于双功能接头的比色测定法检测。（c） 在目标大肠杆菌菌株存在下检测到的 REVC 偏移，表明双功能接头的高选择性。混合物溶液包括单核细胞增生李斯特菌 ATCC 19111、鼠伤寒沙门氏菌 ATCC 12442、金黄色葡萄球菌 ATCC 29213。

 三、 关键实验结果：高效、灵敏、可靠

1. 过滤效率与回收率

· 最佳滤膜组合：GF/D（初级）+ CA 0.45 μm（次级）。

· 回收率：在盐水模拟样本中达50%，实际番茄样本中约30-40%（图3）。尽管食品基质降低回收率，但浓缩效应仍使检测限达10² CFU/25g番茄，显著优于传统方法。

图 3.根据 （a） 过滤器的孔径，（b） 过滤器的材料，以及 （c） 微生物浓度与无菌盐水和番茄样品（真正的食品系统）的初始微生物浓度相对应的微生物浓度，将微生物浓度与过滤器辅助样品制备程序的比率进行比较。图表上方的字母表示使用单因素方差分析的统计显着性 （p > 0.05）。没有字母的组表示没有显著差异。

2. 特异性与抗干扰能力

· 选择性测试：对李斯特菌、金黄色葡萄球菌、沙门氏菌等无交叉反应。

· 去除干扰：扫描电镜显示，FASP处理后样本中细菌与杂质分离，背景干扰显著减少（图4）

图 4.扫描电子显微镜图像描述了大肠杆菌 O157：H7 细胞在缓冲系统中 （a） 过滤辅助样品制备 （FASP） 之前和 （b） FASP 之后的状态;在真实样品 （番茄） 系统中 （c） 在 FASP 之前和 （d） 在 FASP 之后。

3. 重现性与实用性

· 准确率：处理后的样本检测准确率达100%，未处理样本仅83.3%（表1）。

· 检测时间：从采样到出结果仅需2.5小时，适用于生鲜食品的快速筛查。

表 1：基于过滤器的富集非依赖性样品制备方法的总体微生物浓度。

四、技术优势：为何是突破性进展？

1. 大体积处理：可处理250 mL样本，覆盖更多区域，减少漏检风险。

2. 无需复杂设备：仅需涡旋仪和真空泵，成本低廉且便携。

3. 双重保障：过滤去除杂质+生物传感器特异性识别，兼顾灵敏度与准确性。

4. 广泛适用性：已成功应用于番茄，未来可扩展至肉类、乳制品等。

五、应用前景：食品安全监控的新工具

1. 生鲜供应链：超市、农场可现场检测果蔬，及时拦截污染批次。

2. 应急响应：食源性疾病暴发时，快速锁定污染源。

3. 资源有限地区：无需实验室支持，适合发展中国家推广。

六、挑战与未来方向

1. 优化回收率：当前番茄样本回收率较低，未来可通过超声波辅助重悬或化学裂解提升效率。

2. 扩展检测范围：验证其他病原体（如沙门氏菌、单核细胞增生李斯特菌）及复杂食品（如肉类、乳制品）的适用性。

3. 定量检测：目前仅为定性（“有/无”），需开发半定量或定量模型。

七、结论：迈向更安全的食品未来

这项研究通过整合FASP与生物传感器，为食品安全检测提供了高效、经济的解决方案。其核心价值在于“快速、灵敏、便携”，不仅缩短检测时间，还降低了对专业设备的依赖。随着技术优化，该平台有望成为全球食品工业的标准工具，从源头遏制食源性疾病的传播，守护公众健康。

参考文献

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2024.142714