活菌识别新利器：噬菌体-MOFs荧光传感平台

铜绿假单胞菌（PA）作为医院环境中常见的感染性病原体，可引发化脓性感染、菌血症、急性肠道疾病及皮肤炎症等多种病症，且作为革兰氏阴性条件致病菌，其生存能力强，对化学药物、消毒剂、干燥及紫外线辐射等均表现出较强抗性，耐药菌株的出现进一步增加了感染后的治疗难度，因此快速、准确检测PA对临床有效管理感染、预防抗生素耐药性发展至关重要。目前主流PA检测方法存在明显不足，传统培养法虽检测结果可靠，但耗时久且操作繁琐，无法实现快速诊断；酶联免疫吸附试验（ELISA）与聚合酶链反应（PCR）相关技术虽大幅缩短检测时间，但需专用设备与专业操作人员，且易出现假阳性或假阴性结果，同时复杂的样本预处理步骤也限制了其应用范围，现有方法还普遍缺乏区分活菌与死菌的能力，可能导致误判，影响临床治疗决策。依据绿色样品制备（GSP）要求，分析方法需尽可能减少样本处理步骤，而荧光生物传感器因灵敏度高、响应快速、操作简便、无需样本预处理且成本低，在细菌检测领域极具吸引力，目前多种荧光材料（如金纳米颗粒、碳量子点、上转换纳米颗粒、金属有机框架（MOFs）等）已被广泛应用于细菌检测。其中，荧光MOFs（尤其是镧系基MOFs（Ln-MOFs））因激发态寿命长、斯托克斯位移大、发射带窄等优异荧光特性，近几十年来备受关注，铕基MOFs（EuMOFs）虽已在离子检测、肿瘤治疗、荧光成像、DPA检测及miRNAs传感等领域广泛应用，但在细菌荧光检测方面的研究相对较少，已有的部分基于MOFs的细菌检测方法仍无法区分活菌与死菌，存在假阳性/假阴性风险。为实现生物传感器对细菌的特异性检测，需将纳米材料与生物识别元件结合，现有生物传感器常用的识别元件（核酸、抗体、酶）成本高且无法区分活菌与死菌，而噬菌体作为新型识别元件，不仅能特异性识别宿主细菌，还具有稳定性高、成本低、易大量扩增及可区分活菌与死菌的优势，其原理是噬菌体通过尾部相关受体结合蛋白识别细菌表面特定受体，而活菌可正常表达这些受体，死菌因细胞膜破裂、蛋白降解无法提供有效受体，目前已有基于噬菌体的生物传感器成功实现临床样本中细菌的高选择性检测，表明噬菌体在细菌检测领域的应用潜力。基于上述研究现状，本研究设计并开发了一种基于EuMOFs/噬菌体复合材料的荧光生物传感器，用于PA的检测，该传感器以溶剂热法合成的Eu³⁺@MIL-53(Al)（具有Eu³⁺与配体双重荧光来源，荧光性能优异）为荧光载体，结合从医院污水中分离的PA特异性噬菌体作为识别元件，构建可快速、精准识别PA的生物传感平台（图1）。

基于所构建的传感器，实验时，细菌与传感器的孵育时间定在15 min，这时候传感器能够达到最佳的荧光响应效果：15 min 时荧光信号能稳定反映噬菌体与PA的结合效果，避免过短结合不充分、过长细菌裂解的干扰（图2）。该传感器的线性检测范围为2.4×10¹-2.4×10⁶ CFU/mL，检测限低至2 CFU/mL，展现出极高的灵敏度。此外，该传感器还具备出色的特异性，能够精准识别并检测PA，即使在包含多种非目标细菌的复杂样本中，也能准确区分并检测出PA，有效避免了假阳性或假阴性的结果（图3）。这展现了传感器能够进行实际应用的潜力。因而，进一步，作者设定了6组加标样本（尿样和血样各3组，模拟临床PA感染浓度范围），以验证该传感器在实际样本中的检测性能。如表1所示，这些样本的检测结果表明，该传感器在尿液和血清样本中的绝对误差范围为1.00%至6.50%。这一误差范围在可接受的精度内，表明该传感器在实际样本检测中具有较高的准确性和可靠性。这进一步证实了该传感器不仅在实验室条件下表现出色，而且在模拟临床样本中也能够提供准确的检测结果，为临床应用提供了有力的支持。这些实验结果为该传感器在实际医疗诊断中的应用奠定了坚实的基础，显示出其在快速、准确检测PA感染方面的巨大潜力。

总之，本研究开发的基于Eu³⁺@MIL-53(Al)和噬菌体的荧光生物传感器，为PA的检测带来了显著突破。该传感器不仅在20分钟内即可完成检测，显著缩短了传统方法所需的长时间等待，还凭借其高特异性和高灵敏度，精准地区分活菌与死菌，有效避免了假阳性和假阴性的误判。这一创新技术结合了Eu³⁺@MIL-53(Al)的卓越荧光特性和噬菌体的特异性识别能力，无需复杂的样本预处理，操作简便，成本低廉，极大地提高了检测效率，为临床快速诊断和抗生素耐药性预防提供了有力支持。尽管如此，该研究在实际复杂样本中的应用效果和传感器的长期稳定性仍需进一步验证。展望未来，通过寻找其他细菌物种的特异性噬菌体，有望将这一技术拓展至更广泛的病原体检测，为公共卫生和临床医疗领域带来更深远的影响。

图1  Eu3+@MIL-53(Al)和噬菌体复合物的合成及荧光检测细菌的组成示意图。

图2  不同细菌孵育时间对基于EuMOFs/噬菌体的生物传感器荧光响应的影响。

图3  基于EuMOFs-噬菌体的生物传感器检测PA的性能评估。（A）所提生物传感器检测不同细胞密度PA的荧光光谱；（B）荧光强度下降值与PA细胞密度对数值的线性关系；（C）生物传感器对PA及其他非目标细菌的特异性；（D）生物传感器检测活菌、死菌及活/死PA混合液的能力。误差线表示三次重复实验的标准差。

表1  基于EuMOFs-噬菌体的生物传感器检测尿液和血清样本中PA的绝对误差分析

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.talanta.2025.128060