新型激光诱导石墨烯 - 氧化镍纳米颗粒电化学免疫传感器实现鼠伤寒沙门氏菌快速无标记检测

食源性细菌污染是全球公共卫生领域的重大挑战，沙门氏菌作为引发食源性疾病的主要病原体之一，每年导致全球数百万人感染，仅在美国就造成年均 37 亿美元的经济负担，涵盖医疗成本、生产力损失及食品召回引发的浪费等。随着食品安全法规的日益严格，食品生产链中亟需一种低成本、快速响应且适用于现场检测的病原菌筛查技术。然而，传统检测方法如菌落计数、PCR 和 ELISA 等，普遍存在检测周期长（需 24-48 小时预富集）、依赖实验室环境及专业人员、使用有毒试剂等局限，难以满足高通量、实时监测的需求。

该传感器采用两步法制备：首先通过二氧化碳激光在聚酰亚胺薄膜上直接写入图案，形成具有三维多孔结构的激光诱导石墨烯（LIG）；随后滴涂醋酸镍溶液并进行二次激光处理，使镍盐热分解为氧化镍（NiO）纳米颗粒并负载于石墨烯表面。整个过程在环境条件下完成，无需复杂设备或有毒试剂，单枚传感器材料成本约 1.81 美元，且支持卷对卷批量生产，具备显著的成本优势和规模化应用潜力。

图 1：LIG-NiO 传感器制备及功能化流程（激光刻蚀、NiO 负载、抗体偶联）。

图 2：SEM 显示 LIG 三维多孔结构及 25 nm NiO 纳米颗粒分布。

性能测试显示，该传感器在磷酸盐缓冲液（PBS）中对鼠伤寒沙门氏菌的检测范围为 10¹–10⁶ CFU/mL，检测限（LOD）低至 8±3 CFU/mL，灵敏度达 3.93±0.25 Ω/(log CFU/mL)⁻¹，响应时间仅 17 分钟，无需样品预富集或添加外源试剂。当共存大肠杆菌等革兰氏阴性菌时，检测性能不受显著影响（p > 0.05），体现出高特异性。在鸡肉汤等复杂食品基质中，传感器检测范围为 10¹–10³ CFU/mL，LOD 为 11±8 CFU/mL，灵敏度为 1.92±0.71 Ω/(log CFU/mL)⁻¹，覆盖食品安全监测的关键浓度区间。

图 3：EDS 证实碳 / 氧 / 镍元素，拉曼光谱显示石墨烯特征峰。

图 4：CV 和 EIS 验证电极性能及抗体负载优化。

LIG-NiO 电极的优异性能源于其独特的微观结构：三维多孔石墨烯提供了高达几何面积 3 倍的电活性表面积（0.22±0.01 cm²），促进电子传输和生物分子吸附；25 nm 左右的 NiO 纳米颗粒均匀分布于石墨烯表面，进一步增强导电性和表面润湿性，提升抗体固定效率和电子转移动力学。扫描电子显微镜、拉曼光谱和 X 射线光电子能谱等表征手段证实了三维多孔结构及 NiO 的成功负载，为传感器的高效性能提供了结构基础。

图 5：PBS 中检测鼠伤寒沙门氏菌的阻抗图谱与线性范围。

图 6：鸡肉汤中检测性能验证（复杂基质适用性）。

相较于传统检测技术（如 PCR、ELISA），LIG-NiO 免疫传感器具有显著优势：无需实验室环境和专业人员，17 分钟内完成检测，适用于现场快速筛查；材料成本仅为市售试剂盒的 1/5–1/20，且制备工艺简单；可直接检测 15 mL 大体积样品，未来有望扩展至 100–1000 mL，适用于禽肉冲洗液、灌溉水等多种场景。研究团队指出，通过更换靶向生物识别元件（如适体、噬菌体展示肽），该平台可进一步拓展至其他食源性致病菌及污染物的检测。

尽管在复杂食品基质中仍需优化非特异性结合问题，LIG-NiO 传感器已展现出在食品安全生产链中作为快速监测工具的巨大潜力。其低成本、高灵敏度、快速响应的特点，为保障全球食品安全提供了创新的技术路径，有望推动食源性致病菌检测领域的技术革新。

参考文献：Oliveira D A, Pola C C, Johnson Z T, et al. Laser-induced graphene with nickel oxide nanoparticles electrochemical immunosensor for rapid and label-free detection of Salmonella enterica Typhimurium[J]. Microchimica Acta, 2025, 192(6): 1-14.