新型比色生物传感器：高效检测沙门氏菌，守护食品安全

食源性疾病的爆发常由食源性病原体引起，对社会和经济造成严重影响。据世界卫生组织统计，全球近十分之一的人因食用受污染食物而患病，低收入和中等收入国家每年因此损失达 1100 亿美元。传统的基于培养的检测方法虽为 “金标准”，但耗时久，会延误食品运输和上市。目前的即时检测（POCT）技术，如环介导等温扩增（LAMP）、重组酶聚合酶扩增（RPA）和比色侧向流动分析（LFAs）等，虽有速度优势，但存在灵敏度有限、样本制备复杂、成本高和假阳性等问题，尤其在检测复杂食品基质中低浓度细菌时表现不佳。因此，开发高特异性和灵敏的现场细菌检测方法迫在眉睫。

该研究提出的集成生物传感平台，核心在于模拟轮虫的磁性分离器（RMMS）和基于重组酶辅助扩增（RAA）、甜菜碱及 CRISPR-Cas12a 的比色生物传感器。轮虫通过前端轮状冠毛产生的涡旋捕捉食物颗粒，受此启发设计的 RMMS，利用仿生轮状结构和磁铁的旋转运动产生涡旋，能有效从大体积样本中捕获细菌，防止磁珠聚集。

图 1：集成轮虫模拟磁分离器的比色生物传感器检测沙门氏菌流程示意。

在检测过程中，先将苯基硼酸修饰的磁珠（PBA-MBs）与 40mL 食品样本混合，PBA-MBs 会捕获沙门氏菌形成复合物，再经 RMMS 分离。样本裂解后，目标 DNA 激活核糖核蛋白复合物，切割连接金铂纳米粒子和磁珠的单链 DNA，释放出金铂纳米粒子（Au@PtNPs）。Au@PtNPs 催化过氧化氢和 3,3,5,5 - 四甲基联苯胺（TMB）反应，生成蓝色物质，根据颜色变化即可判断沙门氏菌浓度。

图 2：RMMS 的设计、运行原理及不同磁铁配置下性能数据展示。

研究人员对 RMMS 的性能进行了深入探究。模拟不同磁铁配置下的磁场强度发现，四磁铁相互排斥的配置产生的磁场梯度更高，磁珠捕获效率也更高。实验结果显示，该配置在处理 40mL 样本时，25 分钟内捕获效率可达 63%。同时，优化了 PBA-MBs 捕获细菌的条件，发现 pH8.0 时其与磁珠交联效果最佳，20μg/mL 的 PBA-MBs 在 25 分钟内对细菌的捕获效果较好，且与抗体修饰的磁珠捕获性能相当，但成本更低。

图 3：PBA-MBs 捕获细菌的优化实验结果呈现。

对于基于 RAA/CRISPR-Cas12a 的比色生物传感器，研究人员也进行了优化。确定 20%（w/v）的甜菜碱作为溶剂，可形成高效的一锅两密度相系统，增强荧光信号。设计不同 PAM 序列的 crRNA，筛选出切割效率高的组合用于后续实验。对 DNA 连接的磁珠和 Au@PtNPs 复合探针进行表征，验证了其成功合成和修饰。

图 4：DNA 连接的 MBs 和 Au@PtNPs 复合探针的设计与表征分析。

性能测试结果令人满意，该生物传感器在检测沙门氏菌时，检测限低至 59CFU/mL，在 1.0×10² - 1.0×10⁵CFU/mL 浓度范围内，光密度（OD_652nm）值与细菌浓度呈良好的线性关系（R² = 0.987）。以大肠杆菌 O157:H7 和单核细胞增生李斯特菌为非目标菌进行特异性测试，结果表明该传感器对沙门氏菌特异性强，受其他食源性病原体干扰小。在加标牛奶样本检测中，该传感器的检测限为 89CFU/mL，回收率在 94.44% - 109.43% 之间，平均回收率达 102.48%，展现出良好的实用性。

图 5：比色生物传感器检测沙门氏菌的性能与特异性测试结果。

该新型检测平台集成多种创新技术，在沙门氏菌检测方面具有显著优势，有望广泛应用于食品安全现场快速检测，为保障食品安全提供有力支持。未来，研究团队计划结合人工智能辅助图像处理技术，进一步提升生物传感器的性能，为食品检测领域带来更多突破。

原文链接：https://doi.org/10.1021/acssensors.4c03356.