超高效无扩增生物传感器：25分钟实现病原菌精准检测

近日，一项发表于Talanta的研究成功开发出一种基于电场和拥挤剂促进杂交的超高效无扩增生物传感器，该技术能够在25分钟内完成对病原菌的高灵敏度检测，检测限低至10 CFU/mL，为临床病原菌的快速诊断提供了全新解决方案。

研究背景与意义

病原菌感染是全球公共卫生领域的重大挑战，每年导致数百万人死亡，占全球总死亡率的三分之一。传统检测方法如琼脂平板培养耗时长达3-7天，而PCR和ELISA等技术虽缩短了时间，但仍存在操作复杂、成本高、易产生假阳性或灵敏度不足等问题。特别是基于扩增的分子检测技术容易因气溶胶污染导致假阳性，而常规无扩增电化学传感技术则面临长链核酸杂交效率低、反应时间长的瓶颈。

技术创新与原理

该研究由青岛大学等单位联合完成，团队设计了一种结合大分子拥挤剂（PEG8000）和电场辅助杂交的双重增强策略。技术核心分为两步：

首先，在链置换反应中引入拥挤剂PEG8000。其通过缩小局部反应体积，增强核酸分子间的相互作用，促使长链目标核酸（如16S rRNA）快速置换生物素标记的探针，解决了长链核酸在固相电极表面杂交的空间位阻问题。

随后，在屏幕印刷金电极（SPCE）表面施加非正弦交替电压（+500 mV和-200 mV脉冲），通过电场驱动带负电的核酸分子快速向电极表面移动，显著增加分子碰撞频率，将传统被动杂交所需的150分钟缩短至90秒。

检测信号通过HRP/TMB系统放大，利用链霉亲和素-生物素的高亲和性结合HRP酶，在过氧化氢存在下催化TMB产生电化学信号，通过计时电流法实现定量检测。

图1 基于拥挤剂和电场的新型无扩增电化学检测方法示意图（a）展示了整体方法流程，包括样本提取、RNA 提取、链置换反应以及在丝网印刷电极上完成电辅助快速杂交。（b）将提取的致病菌 RNA 加入含拥挤剂 PEG8000 的链置换反应体系中；PEG8000 通过对生物素化探针产生拥挤效应，促进链置换反应快速完成。（c）在电场辅助下，生物素化探针与丝网印刷电极表面修饰的捕获探针实现快速高效杂交，随后加入辣根过氧化物酶（HRP）。实验表明，HRP 可成功与生物素化探针完成偶联，后续基于过氧化氢 / 辣根过氧化物酶 / 四甲基联苯胺体系，采用计时电流法进行定量检测。

性能优势与应用验证

检测性能优异：在 10²-10⁷ CFU/mL 浓度范围内呈良好线性关系（R²=0.9934），检测限低至 10 CFU/mL，25 分钟内完成检测。

图2 不同浓度目标物质的电化学检测结果。（a）不同浓度目标物质的计时电流（I-t）曲线：浓度分别为 10⁷、10⁶、10⁵、10⁴、10³ 和 10² CFU/mL。（b）计时电流法检测电流与目标物质（16S rRNA）浓度对数之间的线性关系。（c）与金黄色葡萄球菌16S rRNA 特定浓度相对应的安培电流响应。误差线代表三次重复实验的标准偏差。

高特异性与稳定性：对铜绿假单胞菌、肺炎链球菌等干扰菌无明显响应，混合菌样中仅金黄色葡萄球菌产生强信号；6 次重复实验相对标准偏差（RSD）1.545%，4℃储存 7 天 RSD 1.855%。

图3 传感器平台的重复性检测结果。（a）在相同实验条件下，对含 10⁶ CFU/mL目标样本进行检测，以评估该平台的重复性。（b）连续 7 天内，对金黄色葡萄球菌进行分析时，计时电流（I-t）信号的重复性表现。

临床适用性强：在模拟临床鼻拭子样本中，回收率 92.58%-103.16%，RSD 1.57%-2.74%，检测性能与 qPCR 相当，且无需扩增步骤，避免气溶胶污染，可整合至现有诊断设备。

应用前景

该传感器平台操作简单、成本低廉且易于集成到现有诊断设备中，特别适合现场快速检测场景。其无扩增特性有效避免了气溶胶污染问题，而电场和拥挤剂的协同作用突破了长链核酸检测的效率瓶颈，为病原菌检测提供了新的技术路径。

研究团队表示，该平台未来可扩展至其他病原体的检测，并有望应用于环境污染监测、食品安全等多个领域。

参考文献：

Gong H, Li Y, Liu Y, et al. Ultra-efficient amplification-free biosensor based on electric field and crowding agent-promoted hybridization for the detection of pathogenic bacteria[J]. Talanta, 2025, 294: 128236.