硅藻基微型机器人：食品安全的 “隐形卫士”

在食品安全领域，沙门氏菌一直是个令人头疼的 “大麻烦”。每年，由它引发的食源性疾病导致数百万人患病甚至死亡。传统检测方法，像培养法、酶联免疫吸附测定法等，不是耗时久、成本高，就是操作复杂、结果还不太准。不过现在，一种新型的生物模板 Janus 盘状磁性微型机器人（BJDMs）为解决这一难题带来了新希望，相关研究成果发表在《ACS Applied Materials & Interfaces》杂志上。

BJDMs 的神奇之处，得从它的结构和工作机理说起。研究人员巧妙地以硅藻土为生物模板，通过离子束溅射在其一侧镀上镍和金，这样一来，它不仅保留了硅藻土独特的多级纳米孔结构和大比表面积，还具备了磁性，能在外加磁场的控制下灵活运动。而且，他们在 BJDMs 表面加载了适配体，这就好比给机器人装上了精准的 “导航仪”，能让它特异性地识别并捕获沙门氏菌。

从图 1 中可以清楚看到 BJDMs 的结构特点，非溅射面保留了硅藻土原本的形态和纳米孔结构（图 1a），溅射面的元素分布也通过 EDS 分析清晰呈现（图 1c），其良好的顺磁性能则在图 1d 的磁化曲线中得以体现。凭借这些特性，BJDMs 在检测沙门氏菌时表现得相当出色。

图1 BJDMs主动捕获沙门氏菌的过程

 在检测过程中，BJDMs 可以在磁场的驱动下成群结队地行动。它们有两种主要运动模式：翻滚和滚动（图 2a、b）。研究发现，翻滚模式能产生更强的流体扰动效果，更有利于捕获沙门氏菌。从图 3a、b 中可以看到，在翻滚模式下，BJDMs 群体边缘能产生 1.2mm/s 的流体速度，是滚动模式的 1.5 倍，且表面压力变化比滚动模式大得多。而且，通过改变磁场参数，还能让它们按照特定轨迹运动，像图 2c 展示的那样沿着矩形路径前进。

图2 (a) BJDM运动模式的示意图；(b) BJDM在两种不同模式下的运动图像；(c) 控制BJDM沿矩形轨迹运动；(d) 不同磁场频率下磁场强度的关系（n = 3，均值 ± 标准差）；(e) 磁场强度与BJDM运动速度的关系（n = 3，均值 ± 标准差）；(f) BJDM的转换频率与磁场强度的关系。

 当 BJDMs 遇到含有沙门氏菌的样本时，表面的适配体就会发挥作用，精准地与沙门氏菌表面的特定碱基序列结合，从而实现特异性捕获。用 Cy - 5 荧光标记的 BJDMs与被 SYTO - 9 染色的沙门氏菌结合后，在荧光显微镜下能看到两种荧光信号良好重叠，证实了其有效捕获能力。

捕获沙门氏菌后，BJDMs 还能利用硅藻土的特性吸附其 DNA。这是因为硅藻土中的二氧化硅是天然的核酸吸附剂，多级纳米孔结构进一步增强了吸附效率。实验表明，在自动化编程模式下，10 分钟内 BJDMs 对 DNA 的捕获效率能达到 84.51%，大大缩短了检测时间。

在实际应用测试中，研究人员在牛奶样本中加入沙门氏菌，用 BJDMs 进行检测。结果发现，在自动化运动模式下，BJDMs 能有效捕获 58% 的细菌，而对照组仅捕获 5%而且，可以看出，与磁性微球相比，BJDMs 在 PBS 溶液和牛奶中的磁分离能力和回收率都更出色，能在更短时间内达到更高的分离率。

总的来说，这种基于硅藻土的 BJDMs 在检测沙门氏菌方面表现卓越，检测限低至 58CFU/mL，检测范围为 5.8×10² - 5.8×10⁵CFU/mL，30 分钟内就能完成检测。不过，目前它还存在一些局限性，比如尚未集成化和小型化。但研究团队表示，未来会朝着这个方向探索，相信这种微型机器人在保障食品安全方面会发挥更大的作用。

 原文链接：https://doi.org/10.1021/acsami.4c09408