智能微流控比色仪：自动狙击水中O157:H7大肠杆菌

水产养殖尾水处理是行业可持续发展的关键挑战，aquaponics模式通过生态设计实现了养殖与种植的循环，但水中致病菌如大肠杆菌O157:H7的残留会威胁水产品安全。该菌可通过污染的水环境传播，导致鱼类疾病，并通过食物链引发人类食物中毒，其被列为水质检测的主要指标，各国对其在灌溉水和食品中的限量有严格规定（如中国规定苹果中残留限量为5mg/kg）。

现有检测方法（如LC-MS、PCR）存在操作复杂、耗时及自动化程度低等问题，而微流控技术虽简化了样品预处理，却仍需人工干预。比色检测因快速、低成本且易集成成为研究热点，结合AS7265x光谱传感器的高灵敏度，开发自动化微流控比色生物传感器对现场实时检测具有重要意义。

图1.(A)自动检测装置的实际图片；(B)比色分析模块的结构和原理；(C)微流控芯片的模具及实物图。(D)微流控芯片检测原理及工作流程示意图。

研究内容

图2.检测装置主要硬件电路原理图。

图3.比色生物传感方法的验证

通过SEM、TEM和DLS表征免疫磁纳米颗粒（MNPs）和铂纳米颗粒（PtNPs），MNPs呈均匀圆形，平均粒径200nm，PtNPs粒径集中在60nm，分散性良好。PtNPs对TMB和H₂O₂的催化实验表明，随PtNPs量增加，652nm处吸光度增强，AS7265x传感器在645nm处的归一化光谱数据与PtNPs量呈正相关，证实了传感方法的可行性。

图4.试验优化设计

COMSOL模拟显示，“珍珠链”微混合器的混合效率达96.099%，其“收敛-发散”结构通过产生二次流和迪恩涡增强混合。实际分离效率实验中，平均分离效率为90.2%，表明MNPs与细菌充分结合，确保夹心复合物的形成。

图5.该微流体比色生物传感器的标准曲线

图6.大肠杆菌O157:H7-PtNP三明治复合物

免疫MNPs用量20μg（分离效率88.8%）、注射速度10μL/min（平衡混合时间与反应效率）、免疫PtNPs用量26μL（催化信号最大化）、催化时间20min。这些条件下，传感器性能最优。

图7.微流控比色生物传感器的特异性评价

标准曲线显示，归一化光谱值与细菌浓度对数呈线性关系（A=0.0513ln(C)+0.0584，R²=0.9899），检测限17CFU/mL，优于多数现有方法（如LAMP检测限8000CFU/mL）。特异性实验中，非目标菌（如副溶血弧菌、铜绿假单胞菌）响应极低，证实传感器特异性强。

本研究开发的微流控比色生物传感器实现了水产水中大肠杆菌O157:H7的快速（45分钟）、高灵敏（LOD17CFU/mL）和自动化检测，其“珍珠链”微混合器提升了混合效率，AS7265x光谱传感器优化了光学检测精度。实际样品检测显示良好的回收率和重复性，为水产养殖病害防控和食品安全提供了实用工具，且通过更换生物识别元件可扩展至其他致病菌检测。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.compag.2025.109941