新型比色生物传感器：快速检测食品中沙门氏菌，守护食品安全

食源性病原体的早期筛查对于预防食物中毒至关重要。据统计，欧盟 27 个成员国曾报告 3086 起食源性疾病爆发事件，涉及 20,017 人，造成了严重影响。及时检测和识别食源性病原体能大幅降低患病、住院甚至死亡风险。然而，传统检测方法如培养、PCR 和 ELISA 等，存在耗时久、成本高、设备庞大或操作繁琐等问题，难以满足现场检测需求。目前的大体积样本分离方法，像磁性连续流分离和磁泳分离，也各有缺陷，前者需要精密微泵且处理时间长，后者则需大量免疫磁珠，成本高昂。因此，开发一种快速、经济、便携且操作简便的现场检测方法迫在眉睫。

此次研发的便携式比色生物传感器巧妙地解决了这些难题。该传感器以离心管为基础，集成了多项创新技术。通过 3D 打印的螺旋机械混合器，只需反复按压和松开，就能在样本腔中产生涡旋湍流，实现磁性微球、Au@Pt 纳米酶与目标细菌的快速高效混合，形成磁性微球 - 细菌 - 纳米酶结合物。3D 打印的磁场发生器用于连续流细菌捕获，Au@Pt 纳米酶则发挥高效的信号放大作用。此外，还配套开发了智能手机应用程序，用于精确的图像处理和细菌浓度定量分析。

图 1：展示比色生物传感器的结构（含螺旋机械搅拌器、磁性连续流分离装置等）及检测过程（混合、分离、催化步骤）。

在检测过程中，先用一次性注射器堵住磁性连续流分离装置的通风通道，将细菌样本、免疫磁珠和 Au@Pt 纳米酶放入样本腔混合。接着，手动调节注射器柱塞，改变离心管内气压，使溶液在重力作用下持续流过分离装置，在磁场作用下捕获结合物并清洗杂质。随后加入无色的H₂​O_2​ - TMB 试剂，Au@Pt 纳米酶催化H_2​O₂​分解，产生强氧化性的羟基自由基，将无色的 TMB 氧化为蓝色的 TMBox。最后，用智能手机应用分析颜色变化，根据催化产物的饱和度确定目标细菌浓度。

图 2：呈现螺旋机械搅拌器的混合性能，包括速度场和流线分布、模拟混合过程及不同搅拌方式的效率对比。

图 3：对比两种磁场生成方案的磁场强度分布，并分析不同位置的∇B⋅B，以优化磁场设计。

研究人员对传感器的关键性能进行了全面测试和优化。模拟和实验结果显示，螺旋机械混合器能在 45 秒内实现样本完全混合，其混合效率高达 73.2%，显著优于其他搅拌方式。在磁场设计方面，经过对比，选择了能产生更强水平磁力的方案，有效提高了磁性结合物的捕获效果。对免疫磁珠用量、混合时间、免疫 Au@Pt 纳米酶用量和催化时间等传感参数的优化确定，300μg 免疫磁珠、35 分钟混合时间、125μL 免疫 Au@Pt 纳米酶和 10 分钟催化时间为最佳条件。

图 4：优化生物传感参数，展示免疫磁珠用量、混合时间、免疫 Au@Pt 纳米酶用量和催化时间对检测的影响。

图 5：评估生物传感器性能，有校准曲线、特异性测试结果，还有磁珠、纳米酶及结合物的 TEM 图像。

该传感器的检测下限低至 16 CFU/mL，在检测9×10¹至9×10⁵CFU/mL的鼠伤寒沙门氏菌时，催化产物饱和度与细菌浓度呈现良好的线性关系。特异性测试表明，它能准确区分鼠伤寒沙门氏菌与其他常见食源性病原体。在对加标鸡肉样本的检测中，回收率在 90.87% - 104.58% 之间，证明了其在实际样本检测中的可行性。而且，该传感器总成本约 40 美元，相比其他检测方法，具有样本体积大、灵敏度高或检测时间短的优势。

这种新型比色生物传感器成本低、操作简便、灵敏度高，能在 1 小时内定量检测大体积样本中的沙门氏菌，有望广泛应用于现场食源性病原体筛查，为保障食品安全提供高效、便捷的检测手段。

参考文献：Ye S, Jia K, Li M, et al. A colorimetric biosensor based on 3D printed spiral mixer and magnetic continuous-flow separation for sensitive detection of Salmonella in centrifuge tubes[J]. Biosensors and Bioelectronics, 2025: 117509.