1.引言

食品安全背景：食品安全是全球重大关切。中国各地暴发多起食源性疾病，因此开发新型微生物传感技术对保障食品安全、预防疾病暴发至关重要。

现有检测方法局限

微生物培养法：准确性高、可作仲裁标准，但检测效率低。

基因检测技术（如 PCR 法）：准确性较高，但需专业操作与规范管理，还需预处理、可能出假阳性。

传统平板检测法：检测周期长（最长 7 天），常导致食品先上市、结果后出，威胁消费者健康。

生物传感器技术：成本、实用性等有进步，但生物识别元件（多为抗体）易失活、稳定性差，非特异性吸附影响准确性，且受 pH、温度等参数限制。

本研究为解决食品安全领域食源性病原体微生物检测效率低、操作复杂等问题，研究团队基于荧光探针的生物光电传感器组装策略，开发出智能模块化荧光光电微生物（IMFP）系统。该系统整合光电检测、温度控制等功能，搭配大肠菌群和伤寒沙门氏菌特异性培养基。经检测原理、光源性能、检测选择性与灵敏度等多方面性能验证，并与其他方法对比凸显优势后，证实其可用于食品安全、病原微生物诊断试剂开发等多领域，为食源性疾病防控提供高效工具。

图1. 展示了智能模块化荧光光电微生物（IMFP）检测系统的工作原理与相关组分。

2.结果与讨论

系统组成：包含安卓模块（高清触摸屏、电源适配器）、串口模块（串口扩展器）、微生物检测仪模块（16 个检测仪，每台 16 通道）、试剂模块（检测管、特异性培养基等）。

硬件供电：220V 交流电经适配器转 12V 直流电，供安卓屏和检测仪；安卓屏输出 5V 直流电供串口扩展器；检测仪内置加热膜、温度传感器，可精准控温（30-40℃）。

检测核心：试剂模块中，微生物代谢产酶，酶与特异性探针反应生成荧光信号，供检测仪捕获。

 图2. 集成设备（图 A）：安卓模块包含安卓高清触摸屏和电源适配器；串口模块包含串口扩展器；微生物检测仪模块包含 16 个模块化微生物检测仪（每台配备 16 个检测通道）及 1 个运行状态屏；试剂模块包含试剂瓶和特异性培养基。

IMFP 系统整体硬件框架图（图 B）：电源适配器将 220 伏交流电转换为 12 伏直流电，为安卓触摸屏和模块化微生物检测仪供电；安卓触摸屏为串口扩展器提供 5 伏直流电。模块化微生物检测仪的硬件部分包括紫外控制电路板（PCB）、有机发光二极管（OLED）屏、散热风扇、加热膜和温度传感器。

试剂模块（图 C）：该模块由检测管、基础培养基、特异性探针和目标微生物组成。在微生物检测过程中，微生物生长时产生的酶会与特异性探针发生反应，生成可被微生物检测仪模块捕获并检测的荧光信号。

微生物代谢产特定酶，酶分解底物生成产物，经 365nm/410nm 紫外 LED 激发后，产物释放特定波长信号。

检测器捕获信号，经模数转换器处理并结合参考电压，通过公式量化检测信号，最终在显示器呈现与微生物生长曲线趋势一致的信号曲线。

凭 “信号曲线有无” 判断微生物是否存在，借 “曲线阈值” 反推初始浓度，实现定量检测。

图3. 特定细菌经代谢会产生特异性酶，这类酶可作用于其特异性底物并生成不同产物。因此，用对应的光源激发后，会触发特定波长的发射，该发射信号可被记录。

大肠菌群验证：37℃培养 24 小时后，仅含大肠菌群的检测管变黄，非目标菌株与空白管无颜色变化，证明大肠菌群代谢酶（β- 半乳糖苷酶）可特异性分解底物产生颜色反应。

伤寒沙门氏菌验证：37℃培养 48 小时后，仅含伤寒沙门氏菌的检测管在 365nm 紫外灯下发出蓝白色荧光，其他样本无荧光，说明其代谢酶（辛酯酶）能特异性触发荧光反应。

图4. 向检测管中加入 4 毫升培养基以及 1 毫升大肠菌群或伤寒沙门氏菌菌液，在 37℃条件下培养后观察结果。在大肠菌群选择性验证中，培养 24 小时后，仅含有大肠菌群的检测管变黄（图 A）；

同样，在伤寒沙门氏菌选择性验证中，培养 48 小时后，仅含有伤寒沙门氏菌的检测管在 365 纳米波长下呈现明显的蓝白色荧光，其余检测管均无荧光（图 B）。

大肠菌群相关：底物 ONPG 无明显吸收峰，其代谢产物 ONP 在 410nm 处出现强吸收峰，为大肠菌群检测的信号波长提供依据。

伤寒沙门氏菌相关：底物 MUCAP 无明显荧光峰，代谢产物 4 - 甲基伞形酮（4-MU）在特定波长（约 450nm）处出现强荧光峰，且仅在含伤寒沙门氏菌的样本中检测到该峰，证实反应特异性。

图5. 大肠菌群（A）与伤寒沙门氏菌（B）代谢产物介导的选择性底物催化作用及其反应产物（邻硝基苯 β-D - 半乳糖苷、邻硝基苯酚、4 - 甲基伞形酮辛酸酯、4 - 甲基伞形酮）的对应发射峰。

光源精度：不同通道检测 ONP 标准溶液，相对标准偏差（RSD）为 1.18%；检测 4-MU 标准溶液，RSD 为 0.89%，均远低于 5%，证明多通道检测一致性高。

光源线性：ONP 标准溶液的线性方程为 y=5.01x+46.91，线性相关系数 R²=0.993；4-MU 标准溶液的线性方程为 y=2.37x+0.24，R²=0.996，均接近 1，表明信号强度与物质浓度呈良好线性关系。

图6. 通过 IMFP 装置对以下指标进行了测试：不同通道间的精密度（ONP 对应图 A，4-MU 对应图 B）以及系统的线性关系（ONP 对应图 C，4-MU 对应图 D）。

选择性：检测大肠菌群与伤寒沙门氏菌时，仅目标微生物通道呈现 “S” 形信号曲线（反映微生物生长与酶促反应进程），空白组与非目标菌株通道为平稳波动直线，系统选择性优异。

浓度梯度：目标微生物浓度在 10⁰-10⁶ CFU/mL 范围内，浓度越高，信号曲线上升越快（检测时间越短），体现系统对浓度变化的高敏感性。

线性关系：大肠菌群、伤寒沙门氏菌的检测时间与浓度对数均呈线性相关，R² 均为 0.99，可通过检测时间快速量化微生物初始浓度。

图7. 通过 IMFP 系统获得以下测试结果：大肠菌群的特异性测试结果（图 A）与伤寒沙门氏菌的特异性测试结果（图 B）、不同浓度大肠菌群的检测结果（图 C）与不同浓度伤寒沙门氏菌的检测结果（图 D），以及大肠菌群检测时间的线性关系（图 E）与伤寒沙门氏菌检测时间的线性关系（图 F）。

无论是大肠菌群还是伤寒沙门氏菌，在 10⁰-10⁶ CFU/mL 浓度范围内，含杂菌组与不含杂菌组的检测时间无显著差异（误差线重叠），且均随浓度升高而缩短。

系统抗细菌干扰能力强，所用特异性培养基可有效抑制杂菌生长，酶促反应不受杂菌影响，适用于复杂样本检测。

图8. 图 A 和图 B 展示了存在杂菌干扰情况下的测试结果；IMFP 系统的测试结果与无杂菌干扰时的测试结果无显著差异（n=3 次技术重复，误差条代表平均值 ± 标准误）。

对 16 个水产养殖水样与 1 个阴性对照检测，IMFP 系统与平板培养法均检出 10 个阳性样本、6 个阴性样本，检出结果完全一致。

阳性样本的浓度数量级匹配，信号强度趋势吻合，证明系统在实际样本检测中准确性高，可替代传统方法用于复杂场景（如水产、生鲜食品）的微生物检测。

图9. 对每个样本，均采用 IMFP 系统与 BS 平板法进行分析。本研究共检测 17 个样本（编号 1-16，另设 1 个阴性对照，记为 Neg.）。两种方法检测结果显示：10 个样本呈阳性，且阳性结果的数量级一致；其余 6 个样本呈阴性（n=3 次技术重复，误差条代表平均值 ± 标准误）。

3.总结

为解决食品安全领域食源性病原体检测效率低、操作复杂的问题，研究团队基于荧光探针的生物光电传感器策略，开发出 IMFP 系统。

该系统整合光电检测、温控等功能，搭配大肠菌群和伤寒沙门氏菌特异性培养基，以 “微生物代谢酶 - 底物 - 荧光信号” 为核心检测逻辑。经验证，其检测限 1 CFU/mL、耗时≥2 小时、一步操作、可同时测 256 样本、选择性 99%，且抗杂菌干扰能力强，通道精密度（RSD<5%）与线性（R²≈0.99）优异。

实际检测水产养殖水样时，该系统与传统 BS 平板法检出结果完全一致（10 阳 6 阴），阳性浓度数量级匹配。

综上，该系统可用于食品安全检测等领域，突破传统方法局限，为食源性疾病防控提供高效工具，有实用与产业化价值。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.aca.2023.341282