在环境监测和临床诊断领域，快速、准确地检测病原菌一直是科学家们追求的目标。近期，一项发表在《Small》杂志上的研究引起了广泛关注，该研究介绍了一种新型的高通量电化学生物传感器平台，能够高效检测革兰氏阳性菌，如金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）、蜡样芽孢杆菌（Bacillus cereus）和滕黄微球菌（Micrococcus luteus），这一成果为环境和临床诊断提供了有力的新工具。

研究背景：病原菌检测的挑战与需求

病原菌的检测对于公共卫生和环境保护至关重要。革兰氏阳性菌广泛存在于土壤、水资源以及医院环境中，它们能够引发人类感染，造成严重的健康问题。例如，金黄色葡萄球菌和蜡样芽孢杆菌在食品中可能导致快速腐败和毒素产生，进而引发食物中毒。传统的检测方法，如细菌培养、聚合酶链反应（PCR）和酶联免疫吸附试验（ELISA），虽然各有优势，但也存在一些局限性，如耗时长、需要昂贵设备和专业技术人员、容易出现交叉反应等。因此，开发一种快速、灵敏、特异性强且操作简便的病原菌检测方法显得尤为迫切。

创新技术：基于AuNPs@Ti3C2Tz的电化学生物传感器

在这项研究中，研究人员开发了一种基于高通量16通道金盘电极（16-GDEs）的电化学生物传感器平台。该平台的核心是采用了AuNPs@Ti3C2Tz纳米复合材料，这种材料结合了MXene-Ti3C2Tz的优异电导率和大比表面积，以及金纳米颗粒（AuNPs）的生物相容性和高电导率。通过这种纳米复合材料，电极的电子转移效率得到了显著提升，从而增强了电化学生物传感器的信号放大效率。

此外，研究人员还巧妙地利用了“三明治”肽结构来提高生物传感器的灵敏度和特异性。这种结构通过两个肽分子捕获目标细菌，类似于三明治的两片面包夹住中间的馅料，从而实现了对革兰氏阳性菌的高选择性识别和检测。这种设计不仅提高了检测的准确性，还降低了非特异性结合的可能性。

图1 革兰氏阳性菌电化学检测的示意图。

实验结果：高灵敏度与特异性的验证

实验结果表明，这种新型生物传感器在检测革兰氏阳性菌时展现出了卓越的性能。在对金黄色葡萄球菌、蜡样芽孢杆菌和微球菌的检测中，生物传感器的峰值电流变化与目标细菌的对数浓度之间呈现出强烈的线性关系，相关系数（Adj. R-square）均大于0.93。这意味着该生物传感器能够精确地量化目标细菌的浓度，即使在低浓度下也能实现高灵敏度的检测。

更令人振奋的是，该生物传感器的检测限远低于美国食品药品监督管理局（FDA）发布的微生物学方法和细菌学分析手册（BAM）中的标准。例如，对于金黄色葡萄球菌和蜡样芽孢杆菌，检测限仅为5×10¹ CFU/mL，而对于微球菌，检测限为5×10² CFU/mL。这一检测灵敏度的提升，使得该生物传感器在实际应用中能够更早地发现病原菌的存在，从而为及时采取防控措施提供了有力支持。

图2 在 0.1 M、pH=7.5 的 PBS 缓冲液中，a）金黄色葡萄球菌（5×10¹ 至 10⁶ CFU/mL）、c）蜡样芽孢杆菌（5×10¹ 至 10⁶ CFU/mL）和 e）藤黄微球菌（5×10² 至 10⁶ CFU/mL）的系列浓度下的差分脉冲伏安法（DPV）响应。对数据进行线性回归拟合，得到的调整决定系数（Adj. R-square）分别为 b）0.973（金黄色葡萄球菌）、d）0.967（蜡样芽孢杆菌）和 f）0.956（藤黄微球菌）。数据点表示平均值（n=3），误差棒为标准偏差。

高通量检测：多目标同时检测的突破

除了高灵敏度和特异性，该生物传感器平台还具备高通量检测的能力。研究人员在一个芯片上同时集成了针对金黄色葡萄球菌、蜡样芽孢杆菌和微球菌的三种生物传感器。在实验中，当将这三种细菌分别或同时加入到淡水样本中时，生物传感器能够准确地识别并响应各自的目标细菌，而不会出现交叉反应。这一结果表明，该平台不仅能够同时检测多种革兰氏阳性菌，还能够在复杂的环境样本中保持高度的特异性。

图3 金黄色葡萄球菌、蜡样芽孢杆菌和藤黄微球菌在同一芯片上的交叉反应性及高通量检测方法。a）由金黄色葡萄球菌、蜡样芽孢杆菌、藤黄微球菌和牛血清白蛋白（BSA）组成的 16 通道金盘电极（16-GDEs）暴露于含 10⁴ CFU/mL 菌液的磷酸盐缓冲液（PBS）中。柱状图表示平均值，误差棒代表标准偏差（n=3）。下方示意图展示了传感器表面的探针结构，当添加 b）金黄色葡萄球菌、c）蜡样芽孢杆菌或 d）藤黄微球菌时，会引发电化学生物传感器的特异性响应。其中 C. peptide 表示捕获肽，D. peptide 表示生物素化检测肽。e）淡水中金黄色葡萄球菌、蜡样芽孢杆菌和藤黄微球菌的高通量检测方法：包含四个生物传感器的芯片分别暴露于淡水、掺入淡水的藤黄微球菌（5×10⁴ CFU/mL）、掺入淡水的藤黄微球菌（5×10⁴ CFU/mL）与蜡样芽孢杆菌（5×10⁴ CFU/mL），以及掺入淡水的藤黄微球菌（5×10⁴ CFU/mL）、蜡样芽孢杆菌（5×10⁴ CFU/mL）和金黄色葡萄球菌（5×10⁴ CFU/mL）。

这种高通量检测能力在实际应用中具有重要意义。例如，在环境监测中，可以同时检测多种病原菌，提高监测效率；在临床诊断中，能够快速筛查多种可能的感染源，为精准医疗提供支持。此外，与传统的定量实时聚合酶链反应（RT-qPCR）方法相比，该生物传感器平台不仅具有更高的灵敏度，还能够实现多目标的同时检测，而无需复杂的温度循环和多种酶的参与。

未来展望：广泛的应用前景与挑战

这项研究的成功为电化学生物传感器在病原菌检测领域的应用开辟了新的道路。这种基于AuNPs@Ti3C2Tz纳米复合材料的生物传感器平台不仅具有高灵敏度、特异性和高通量检测的能力，还具有成本效益和易于操作的优势。其简单的单锅法滴铸制备方法使得该技术有望实现大规模生产和应用。

然而，尽管取得了令人瞩目的成果，但仍有一些挑战需要克服。例如，目前尚未评估AuNPs@Ti3C2Tz修饰电极的可重复使用性，这可能会影响其在实际应用中的经济性和可持续性。此外，虽然该平台在实验室条件下表现出了优异的性能，但在实际的复杂环境中，如受污染的水体或临床样本中，其稳定性和可靠性仍需进一步验证。

总之，这项关于新型高通量电化学生物传感器的研究为革兰氏阳性菌的检测提供了一种极具潜力的新方法。其在灵敏度、特异性和高通量检测方面的优势使其在环境监测和临床诊断等领域具有广阔的应用前景。随着进一步的研究和开发，这种生物传感器有望成为病原菌检测领域的一个重要工具，为保护人类健康和环境安全做出重要贡献。

参考文献：

Park J H, Tieu M V, Hoang T X, et al. Novel High‐Throughput Electrochemical Detection of Staphylococcus Aureus, Bacillus Cereus, or Micrococcus Luteus Using AuNPs@ Ti3C2Tz Functionalized with Sandwich Peptides[J]. Small, 2025: 2411486.