新型变形杆菌压电传感器：3小时快速检测的突破性技术

研究背景

变形杆菌属细菌是引发尿路感染、食物中毒等疾病的条件性致病菌。传统检测方法存在耗时长（需数天培养）或灵敏度不足的缺陷。本研究通过筛选16S rRNA特异性序列靶点，结合催化发夹自组装（CHA）和杂交链式反应（HCR）技术，开发出可在3小时内检测低至10 CFU/mL变形杆菌的压电传感器，为临床诊断和食品安全提供快速解决方案。

压电传感器的构建策略

图1展示了新型变形杆菌压电传感器的构建策略，包括捕获探针（CP）通过Au-S键固定在电极表面，靶标DNA触发CP与置换探针（DP）的催化发夹自组装（CHA）靶循环反应，释放靶标实现信号循环放大；随后，DP激活发夹探针H1/H2的杂交链式反应（HCR），生成跨越电极间隙的超长双链DNA，最终通过银染形成导电银线，显著增强压电信号。该设计通过“CHA+HCR”双信号放大机制，将分子结合事件转化为可检测的电学响应，实现高灵敏检测。

图1.传感器构建策略示意图

压电传感平台的可行性研究

通过凝胶电泳和SEM成像验证了传感器的可行性。凝胶电泳结果显示，当存在目标物时（图2A，泳道6），催化发夹自组装（CHA）反应成功释放目标并形成CP-DP复合物，且在HCR扩增后（图2B，泳道4）生成超长双链DNA（>15,000 bp）。SEM图像（图2C）显示目标存在时，银染色在电极间隙形成导电银线；而对照组（图2D）无目标物时未形成银线，证实传感器信号产生的特异性。这些实验验证了CHA目标循环、HCR扩增与银纳米线形成的级联信号放大机制的有效性。

图2.传感器可行性研究

性能验证：灵敏度与特异性双优

1. 灵敏度测试

靶标DNA检测限低至10 fM（图3A），细菌浓度检测限达10 CFU/mL（图3B-D）。线性范围：10-10⁶ CFU/mL（R²>0.99），覆盖临床及食品污染常见浓度。

2. 特异性测试

对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌等常见干扰菌无交叉反应（图4）。混合样本（含变形杆菌与5种干扰菌）检测准确率100%。

3. 实际样本验证

40例模拟牛奶样本检测结果与传统培养法高度一致（λ²=0.80），检测时间从24小时缩短至3小时。

图3.不同靶标或细菌浓度下频移变化的校准曲线（对数刻度）

图4.传感器对 Proteus 的特异性响应

结论

本文开发了一种基于新型16S rRNA靶标和三重信号放大的压电传感器，实现了变形杆菌的超灵敏快速检测。研究者通过生物信息学筛选获得3个属特异性靶标，结合催化发夹自组装循环、杂交链式反应扩增及银纳米线导电增强技术，构建级联信号放大系统。该传感器可在3小时内检出低至10 CFU/mL的变形杆菌，对7种常见病原菌无交叉反应，在模拟牛奶样本中与培养法一致性达90%。该技术突破了传统检测方法的灵敏度与时效性限制，为临床感染诊断和食品安全监测提供了高效解决方案。

DOI: 10.1021/acs.analchem.4c07004