磁性分离与荧光信号放大：大肠杆菌O157:H7新型生物传感器的诞生

近来，食品安全问题日益受到全球关注，其中致病菌的快速检测成为保障公众健康的关键环节。大肠杆菌O157:H7是一种常见的食源性病原菌，具有极强的致病性，能够在极低浓度下引发严重疾病，如出血性肠炎和溶血性尿毒综合征。传统的检测方法如培养法、酶联免疫吸附测定（ELISA）和聚合酶链反应（PCR）虽然具有较高的特异性，但往往耗时较长，难以满足快速筛查的需求。因此，开发一种快速、灵敏且特异性强的检测方法显得尤为重要。

突破传统：基于磁性分离与荧光信号放大的生物传感器

近日，南昌大学食品科学与资源国家重点实验室的研究团队在《Talanta》杂志上发表了一项创新性研究成果，开发出一种基于磁性分离平台和可破裂有机硅纳米胶囊包裹的红色荧光碳点（R-CDs）的新型荧光生物传感器。该传感器能够实现对大肠杆菌O157:H7的超灵敏检测，检测限低至每毫升25个菌落形成单位（CFU/mL），整个检测过程仅需约120分钟。

核心技术：磁性纳米颗粒与荧光碳点的结合

该研究的核心在于利用了两种关键材料：一种是经过Wulff型硼酸修饰的磁性纳米颗粒（MNPs@B–N/APBA），另一种是包裹在可破裂有机硅纳米胶囊中的红色荧光碳点（R-CDs@BONs）。MNPs@B–N/APBA具有广泛的细菌识别能力，能够高效捕获大肠杆菌O157:H7。而R-CDs@BONs则作为检测探针，通过特异性抗体标记，确保对目标细菌的特异性识别。当目标细菌被捕获后，R-CDs从纳米胶囊中释放出来，产生显著增强的荧光信号，从而实现对细菌的定量检测。

策略1 检测大肠杆菌 O157:H7 的荧光信号放大检测方法示意图。(A) Wulff 型硼酸和 MNPs@B-N/APBA 的制备。(B) mAb@R-CDs@BONs-的制备。(C) 荧光信号放大检测方法的检测原理。

创新优势：信号放大与抗干扰能力

与传统方法相比，这种新型生物传感器具有显著的优势。首先，MNPs@B–N/APBA对大肠杆菌O157:H7的捕获效率极高，即使在低浓度（10³ CFU/mL）下，捕获效率也能达到84%以上。其次，R-CDs@BONs的可破裂特性使得荧光信号能够被有效放大，从而显著提高了检测灵敏度。此外，磁性分离技术的应用有效消除了食品基质对荧光信号的干扰，进一步提升了检测的准确性。

图1 MNPs@B-N/APBA捕获大肠杆菌O157:H7的能力和稳定性。(A) MNPs@B-N/APBA对不同细菌的捕获效率。(B) MNPs@B-N/APBA在不同细菌混合液中对大肠杆菌O157:H7的捕获效率，混合液1包含大肠杆菌O157:H7（10⁵ CFU/mL）和肠炎沙门氏菌（10⁵ CFU/mL），混合液2包含大肠杆菌O157:H7（10⁴ CFU/mL）和肠炎沙门氏菌（10⁵ CFU/mL），混合液3包含大肠杆菌O157:H7（10⁵ CFU/mL）和金黄色葡萄球菌（10⁵ CFU/mL），混合液4包含大肠杆菌O157:H7（10⁴ CFU/mL）和金黄色葡萄球菌（10⁵ CFU/mL），混合液5包含大肠杆菌O157:H7（10⁵ CFU/mL）、金黄色葡萄球菌（10⁵ CFU/mL）和肠炎沙门氏菌（10⁵ CFU/mL），混合液6包含大肠杆菌O157:H7（10⁴ CFU/mL）、金黄色葡萄球菌（10⁵ CFU/mL）和肠炎沙门氏菌（10⁵ CFU/mL）。(C) MNPs@B-N/APBA对加标样品中浓度为2.5×10至2.5×10⁶ CFU/mL的大肠杆菌O157:H7的捕获效率。(D) pH、(E) NaCl浓度和(F) MNPs@B-N/APBA储存时间对MNPs@B-N/APBA捕获大肠杆菌O157:H7捕获效率的影响。

实验验证：高效与特异性检测

在实验中，研究团队对不同浓度的大肠杆菌O157:H7进行了检测，结果表明，该生物传感器在纯培养基和污染生菜样本中均表现出良好的线性关系，检测限均为25 CFU/mL。此外，该方法还具有良好的特异性，即使在多种非目标细菌共存的情况下，也能准确识别并检测出目标细菌。

图2 所建立方法的灵敏度。所建立方法检测不同浓度（10¹ – 10⁶ CFU/mL）溶于磷酸盐缓冲液（PBS）的大肠杆菌 O157:H7 的荧光光谱（A）和标准曲线（B）。所建立方法检测加标生菜样本中不同浓度（10¹ – 10⁶ CFU/mL）大肠杆菌 O157:H7 的荧光光谱（C）和标准曲线（D）。

图3 所建立方法的灵敏度。所建立方法检测不同浓度（10¹ – 10⁶ CFU/mL）溶于磷酸盐缓冲液（PBS）的大肠杆菌 O157:H7 的荧光光谱（A）和标准曲线（B）。所建立方法检测加标生菜样本中不同浓度（10¹ – 10⁶ CFU/mL）大肠杆菌 O157:H7 的荧光光谱（C）和标准曲线（D）。

应用前景：快速检测与食品安全保障

这种新型生物传感器的开发为食品安全检测提供了一种快速、灵敏且特异性强的新方法。其检测过程简单快捷，能够在短时间内完成对大肠杆菌O157:H7的检测，适用于现场快速筛查。此外，该方法还可以通过更换特异性抗体来检测其他食源性病原菌，具有广泛的应用潜力。

随着食品安全监管的日益严格，快速检测技术的需求也在不断增加。这种基于磁性分离和荧光信号放大的生物传感器不仅能够有效保障食品安全，还为其他病原体的检测提供了新的思路和方法。未来，随着技术的不断优化和推广，相信这种生物传感器将在食品安全领域发挥更大的作用，为公众健康保驾护航。

参考文献：

Ling Z, Xu Q, Song Y, et al. Fluorescent biosensor based on magnetic separation platform and spore-like breakable organosilica nanocapsules controlled-release carbon dots for the detection of Escherichia coli O157: H7[J]. Talanta, 2024, 276: 126273.