纤维素纳米晶体修饰纸基生物传感器在食品沙门氏菌无标记检测中的应用

原创

来源：蔡伟程

2025-09-12 09:36:47

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核心提示：本文介绍一项开发一种基于纤维素纳米晶体修饰的纸质无标记电化学生物传感器，用于检测食品样本中的沙门氏菌的研究。该传感器利用羧基功能化的纤维素纳米晶体作为修饰材料，通过核酸适配体探针实现对沙门氏菌的特异性检测。

在食品安全领域，沙门氏菌的检测一直是一个关键且极具挑战性的课题。沙门氏菌是一种常见的食源性病原体，能够引发严重的疾病，且其感染剂量较低，这使得及时、准确地检测沙门氏菌的存在对于保障公众健康至关重要。传统的检测方法往往存在耗时、操作复杂、成本较高等问题，难以满足快速检测的需求。然而，最近的一项研究为我们带来了新的希望，一种基于纤维素纳米晶体修饰的纸质无标记电化学生物传感器被成功开发出来，用于检测食品样本中的沙门氏菌。

该研究成果发表在《Microchemical Journal》上，题为“Label-free electrochemical aptasensor based on cellulose nanocrystal-modified paper-based device for Salmonella Typhimurium detection in food samples”。研究人员开发了一种新型的纸质电化学生物传感器，利用羧基功能化的纤维素纳米晶体作为修饰材料，实现了对沙门氏菌的无标记检测。

图1 （A）传感器制备过程的示意图；（B）在室温下，针对10⁷ CFU/mL灭活沙门氏菌的电化学测量操作步骤，具体条件为：孵育时间30分钟、适体探针浓度10 nM、纤维素纳米晶体浓度0.2 nmol/g、牛血清白蛋白（BSA）浓度0.5%（w/v），以及在0.1 M氯化钾溶液中含10 mM [Fe (CN)₆]³⁻/⁴⁻（50 μL）。

这种生物传感器的设计采用了蜡印技术，在Whatman滤纸上定制并制造出一次性且理想的纸质分析装置（PAD）。通过在PAD表面直接固定特定的核酸适配体探针，利用EDC/NHS标准化学方法，无需额外修饰即可实现对沙门氏菌的特异性检测。当沙门氏菌与核酸适配体结合形成半三明治免疫复合物时，会在PAD表面形成高度绝缘层，抑制[Fe(CN)6]3-/4-的氧化还原介质信号响应，且这种抑制与沙门氏菌浓度呈依赖关系。

图2 所提出的用于检测沙门氏菌的纸基适体传感器的差分脉冲伏安（DPV）响应，以及识别表面在存在和不存在沙门氏菌（10⁷ CFU/mL）时电子转移能力的图形化对比。

研究结果

检测范围与灵敏度：该传感器对鼠伤寒沙门氏菌的检测范围为10-10⁹ CFU/mL，检测限低至3.50 CFU/mL，定量限为10 CFU/mL，能满足FDA对食品中沙门氏菌零容忍政策的要求。

选择性与稳定性：对铜绿假单胞菌、大肠杆菌等非目标菌及牛血清白蛋白、葡萄糖等分子无明显响应，选择性良好。在4℃密封储存25天内，电流响应变化小于10%，稳定性较好。

图3 （A）纸基适体传感器用于检测沙门氏菌的差分脉冲伏安（DPV）图，检测浓度范围为0至10⁹ CFU/mL；（B）ΔI与沙门氏菌对数浓度（[10-10⁹ CFU/mL]）的线性曲线；（C）针对非目标细菌和分子的选择性测试，包括铜绿假单胞菌（10³ CFU/mL）、大肠杆菌（10³ CFU/mL）、志贺氏菌（10³ CFU/mL）、金黄色葡萄球菌（10³ CFU/mL）、牛血清白蛋白（BSA，1% w/v）和葡萄糖（5 mM）；（D）在最佳条件下，使用七个重复样本对沙门氏菌浓度为10³、10⁵和10⁷ CFU/mL时的传感器重现性测试。

实际样品检测：在鸡蛋、鸡肉、猪肉、虾等食品样品中加标检测，回收率为96.20%-110.17%，相对标准偏差为4.00%-10.91%，与ELISA标准方法结果一致，且分析时间仅需30分钟，样品用量少（1g）。

表1 采用所开发的适体传感器和ELISA对各种基质加标食品样品中沙门氏菌的回收率分析。

讨论

与传统ELISA方法相比，该传感器优势显著。ELISA需18-24小时的预富集和选择性富集步骤，总分析时间至少2天，且仅能定性检测，需大量样品（100g）和专业人员操作。而该传感器实现了定量检测，分析时间大幅缩短，样品用量少，成本低于1美元/设备，适合现场快速检测。不过，传感器也面临一些挑战，如纸基质易受moisture影响，Ag/AgCl电极在储存过程中易被氧化，导致稳定性下降，未来需通过添加保护膜等方式改进。

总结与展望

该研究成功开发了一种基于COOH-CNCs修饰纸基的无标记电化学适体传感器，用于食品中鼠伤寒沙门氏菌的快速、灵敏检测。它结合了纤维素纳米材料的绿色优势和纸基装置的便携特性，检测性能优异，为食品安全检测提供了新的技术方案。未来，可通过集成导电纳米复合材料、优化检测平台、设计更稳定的电极等方式进一步提升传感器性能，使其成为环境、农业、医药等领域生物传感应用的通用原型，为保障全球食品安全和公共健康发挥重要作用。

参考文献：

Jampasa S, Sangthong N, Ozer T, et al. Label-free electrochemical aptasensor based on cellulose nanocrystal-modified paper-based device for Salmonella Typhimurium detection in food samples[J]. Microchemical Journal, 2025, 211: 113144.