新型免疫传感器：40 分钟快速检测食源致病菌

食源疾病已成为全球挑战，现有细菌检测方法存在检测时间长、灵敏度低或样品预处理复杂等问题。免疫磁分离虽可特异性分离目标细菌，但传统方法中免疫磁纳米珠（IMNBs）与细菌结合物（IBCs）分离不彻底，限制了其作为检测指标的应用。本研究旨在解决这一问题，实现 IMNBs 的双重功能。

近日，中国农业大学等机构的研究人员在Analytica Chimica Acta期刊上发表了题为 ：One-step colorimetric immunosensing of foodborne bacteria using static magnet driven magnetophoretic separation and dual noble metal decorated magnetic nanobeads论文。

在众多细菌分离技术中，免疫磁分离技术凭借其特异性优势脱颖而出。它利用免疫磁纳米珠（IMNBs）捕获目标细菌，再借助磁场实现分离。但传统免疫磁分离后，游离的 IMNBs 与 IMNB - 细菌结合物（IBCs）共存，导致 IMNBs 无法进一步作为细菌检测的信号标签。此前研究虽尝试通过高流速磁泳分离来解决，但因流体紊乱，仍有部分 IMNBs 与 IBCs 混在一起，不仅产生干扰，还降低了检测灵敏度。

图 1：展示一步比色免疫传感器检测细菌的原理，包括磁泳分离策略、重复磁泳分离过程及比色免疫传感器原理。

为攻克这一难题，科研团队进行了一系列创新。首先，他们制备了表面修饰有铂（Pt）和钯（Pd）的磁性纳米珠（MNB@Pt/Pd）。这种纳米珠不仅能作为目标细菌分离的载体，还具备信号放大功能，显著提升了检测的灵敏度。其合成过程通过静电吸附，在柠檬酸修饰的 MNBs 表面原位生长 Pt 和 Pd 纳米颗粒，制备出的 MNB@Pt/Pd 纳米酶呈核壳结构，直径约 190nm，表面均匀分布着约 20nm 的 Pt 和 Pd 纳米颗粒。

其次，科研人员对微流控芯片及配套支撑装置进行了优化升级。微流控芯片的改进包括增加半圆形磁泳分离通道的出口数量，从两个提升到四个，以提高尺寸分辨率；缩短连接分离通道和出口的直通道长度，减少流体干扰对 IBCs 和 IMNBs 偏离的影响；设置四个对准孔，确保芯片与支撑装置上的环形磁场精确同心组装。支撑装置则通过设计带有四个对准圆柱的微流控芯片精密支架，并使用 3D 打印技术制造，同时利用两个相互排斥的 N52 级磁铁产生稳定的静态环形磁场，且将其精确置于装置 3D 打印底座的中心位置，从而实现对 IBCs 和 IMNBs 磁泳偏离的精准控制。

图 2：对 MNB@Pt/Pd 纳米酶进行表征，呈现其 TEM 图像、DLS 结果、Zeta 电位、EDS 元素映射以及催化底物产物吸光度与纳米酶量的关系。

在检测过程中，先利用常规磁分离从样品中获取 IBCs 和游离 MNB@Pt/Pd 纳米酶的混合物，然后将其注入带有鞘流（PBS）的半圆形磁泳分离通道，在静态磁场作用下进行分离。与以往高流速磁泳分离策略不同，此次采用的低流速策略可使所有 IBCs 和部分较大尺寸的 MNB@Pt/Pd 纳米酶偏离至内侧，经过多次重复磁泳分离，能指数级减少残留的游离 MNB@Pt/Pd 纳米酶，最终得到纯化的 IBCs。这些 IBCs 可模拟催化无色的 TMB 底物转化为蓝色的 TMBox 产物，通过比色法实现对目标细菌的定量检测。

图 3：优化免疫传感器相关参数，包括Na2​PdCl4​与H2​PtCl6​的比例、抗体用量、催化反应时间、H2​O2​浓度对检测结果的影响

实验结果令人振奋。新的磁泳分离策略成功将商业 MNBs 从原始 110 - 330nm 的较宽尺寸范围精确分选至 143 - 193nm 的窄尺寸范围，获得了尺寸更均匀的 MNBs，为后续精确分离 IBCs 和 IMNBs 奠定了基础。MNB@Pt/Pd 纳米酶对目标细菌的捕获效率超过 90%，表明 Pt 和 Pd 纳米颗粒的修饰并未影响其捕获能力。在优化实验条件后，该免疫传感器展现出卓越的检测性能，能够在 40 分钟内定量检测浓度范围为3.4×10 - 3.4×10 ⁵ CFU/mL的沙门氏菌，检测限低至 34CFU/mL。与其他近期报道的细菌检测方法相比，该免疫传感器在灵敏度和检测时间上具有明显优势。同时，该传感器对沙门氏菌表现出良好的特异性，在检测鸡肉样本中的沙门氏菌时，回收率介于 96% - 120% 之间，标准偏差为 5.90% - 8.56%，体现出良好的实用性。

图 4：评估免疫传感器性能，展示校准曲线以及对目标和非目标细菌检测的特异性。

这项研究提出的静态磁驱动低流速磁泳分离策略，能有效分离目标细菌和游离 IMNBs，实现了对沙门氏菌的高灵敏、快速比色检测。不过，目前传统磁分离与微流控芯片磁泳分离尚未集成，未来有望进一步整合到单个芯片上，推动食源致病菌检测技术的发展。

参考文献：

Ding Y, Yuan J, Jin N, et al. One-step colorimetric immunosensing of foodborne bacteria using static magnet driven magnetophoretic separation and dual noble metal decorated magnetic nanobeads[J]. Analytica Chimica Acta, 2025: 343831.