守护餐桌安全：非法拉第EIS传感器5 分钟锁定沙拉中的活鼠伤寒沙门氏菌

全球食源性疾病已成为严峻的公共卫生挑战，世界卫生组织数据显示，每年因食源性致病菌引发的疾病达 6 亿例，42 万人因此死亡，美国每年约六分之一人口受污染食物或水影响。其中，鼠伤寒沙门氏菌作为常见且危害极大的革兰氏阴性人畜共患病菌，能在有氧与无氧环境中存活，以往多关联动物性食品，近年新鲜农产品（如沙拉、绿叶蔬菜）引发的感染暴发增多，且仅需 20-100 CFU 就可能致病，夏季（6-8 月）发病率更高，对婴幼儿、老年人等免疫力较低人群威胁更大，易引发败血症等严重并发症，因此快速精准检测食品中该菌至关重要。

当前主流检测方法存在明显局限。传统培养法虽准确，但需 5-7 天，依赖专业实验室与人员，无法实时干预；PCR、LAMP 虽缩短时间，却需复杂样品前处理，常规方法难区分活菌死菌，结合特殊技术又增加操作复杂度；ELISA 则低浓度检测灵敏度不足，对人员技能要求高。而电化学传感器中，非法拉第 EIS 技术无需氧化还原探针，简化流程且适合现场检测，ZnO/Au 修饰电极能提升信号传导效率，为高性能传感器开发奠定基础。

图 1：展示基于 EIS 技术检测活鼠伤寒沙门氏菌的免疫测定构建方案示意图，呈现从污染沙拉样品到信号输出的检测流程

图 2：通过 ATR-FTIR 光谱、循环伏安图、显微镜图像及 ELISA 对比，表征 ZnO/Au 电极功能化过程并验证活菌与灭活菌的结合差异

美国德克萨斯大学达拉斯分校与 EnLiSense LLC 公司团队，开发出基于 ZnO/Au 修饰电极的非法拉第 EIS 生物传感器，首次实现食品中活鼠伤寒沙门氏菌无标记、实时、高特异性检测。传感器制备中，先在 PCB-FR4 基板制金工作电极并经 ENIG 处理，再用溶胶 - 凝胶旋涂法沉积 60-80 nm 多孔 ZnO 纳米薄膜，采用双电极配置含 16 个金工作电极，阵列式设计提升检测重复性。电极功能化关键是用 DTSSP 交联剂，将鼠伤寒沙门氏菌单克隆抗体固定于电极表面，经封闭、清洗、冻干后 4℃储存。

图 3：借助 Bode 图、Nyquist 图及柱状图，展示传感器 EIS 检测特性（低频区阻抗 - 浓度关系）与活菌选择性，附非法拉第 EIS 机制示意

实验验证中，选用活鼠伤寒沙门氏菌（ATCC 13311）为目标菌，大肠杆菌 O157:H7 为对照，模拟沙拉污染场景制备测试样品。通过 FTIR、CV 等验证电极功能化有效性，Bode 图与 Nyquist 图显示传感器在 150-300 Hz 低频区能精准区分不同浓度活菌，检测限低至 9 CFU/mL，5 分钟出结果。加标回收实验中，沙拉浸泡水基质回收率 100.34%-116.37%，CV 6.35%-16.35%，低于 CLSI 20% 阈值；intra-assay 与 inter-assay 的 CV 均低于 10%，重复性良好；特异性实验中，活鼠伤寒沙门氏菌响应率显著高于其他菌，交叉反应性低。与 ELISA 对比，相关系数 r=0.98，PCR 验证检测特异性，二元分类模型准确率 91.11%，PPV 85.29%，NPV 90.06%，ROC 曲线 AUC 0.88，诊断效能优异。

图 4：呈现传感器在沙拉浸泡水中的阻抗响应、批内 / 批间重复性（% CV）及对鼠伤寒沙门氏菌的特异性，排除大肠杆菌干扰

图 5：通过与 ELISA 的相关性、PCR 验证、混淆矩阵及 ROC 曲线（AUC=0.88），证明传感器检测准确性与食品安全性分类能力

该传感器在实际应用中优势显著，适合食品加工厂、农贸市场等现场检测，可及时发现风险并干预，减少食源性疾病暴发。其模块化设计可扩展，更换抗体能检测其他致病菌，还可用于环境监测与临床诊断。需注意的是，相关作者在 EnLiSense LLC 有利益关联，但已通过学校审查，未影响研究。此传感器不仅突破食源性致病菌检测技术，还为公共健康与全球食品安全提供有力支撑，未来优化推广后，有望在食品安全监测体系及更多领域发挥关键作用。

参考文献：Karmakar S, Poudyal D, Mishra K K, et al. Label-Free Electrochemical Biosensor for Real-Time Detection of Live Salmonella typhimurium in Salad Samples Using Non-Faradaic EIS[J]. Biosensors and Bioelectronics, 2025: 117961.