三模式比率传感：DNA驱动磁珠锁定产气荚膜梭菌

产气荚膜梭菌是广泛存在于水、土壤和动物肠道的致病菌，可导致畜禽坏死性肠炎和人类气性坏疽，其引发的食源性感染对公共健康构成重大威胁。传统检测方法如琼脂平板培养耗时繁琐，PCR、ELISA等技术虽灵敏但存在假阳性高、场景适用性有限等问题。多模式检测技术因可交叉验证信号、降低干扰而受关注，双模式biosensor（如比色/荧光）虽已发展，但三模式检测在食源性致病菌中的应用仍有限，且现有三模式系统常因单信号输出受背景干扰。DNA信号放大技术（如RCA）可显著提升灵敏度，而比率式biosensor通过内置自校准信号校正，能进一步提高检测可靠性，但跨模式比率应用报道较少。

本研究旨在构建以DMBs为桥梁的三模式比率式biosensor，实现产气荚膜梭菌的高效检测与实际场景应用。

方案1.以DNA驱动磁珠（DMBs）为桥接的电化学、比色和光热三模式的产气荚膜梭菌生物传感器示意图。

研究内容

图1.三模式生物传感器的可行性

G-四链体-血红素复合物展现良好过氧化物酶活性，对TMB的米氏常数（Km）为3.48mM，最大反应速率（Vmax）为3.78×10⁻⁵mM/s。对比TMB与OPD的比色和光热性能，发现oxTMB在808nm激光下温度升高11.83℃，显著优于oxOPD，验证其适用于光热检测。电化学信号显示，目标DNA存在时DPV电流从114μA降至42μA，比色信号（650nm吸光度）和光热信号（温度变化）与目标浓度正相关，磁分离可使比色和光热信号分别提升1.77和2.06倍，证实三模式系统可行性。

图2.电化学生物传感器的表征。

通过CV和EIS表征电极修饰过程：裸MGCE的电子转移电阻（Ret）为640Ω，吸附磁珠后增至1170Ω，修饰适配体和G-四链体后达1990Ω，目标DNA结合后降至1517Ω，嵌入亚甲基蓝（MB）后升至8889Ω，表明电极组装成功。扫描速率实验显示氧化还原峰电流与扫描速率平方根成正比，证实传感器受扩散控制。

图3.RCA的放大效应

RCA使电化学信号提升约5倍（45.65μAvs.8.597μA），比色和光热信号因RCA生成大量G-四链体而显著增强，验证RCA可通过增加G-四链体数量提升检测灵敏度，为三模式传感器的高灵敏检测奠定基础。

图4.三模式生物雷达：DNA磁珠精准扫描产气荚膜梭菌

优化后，电化学模式线性范围1–6lgCFU/g，LOD0.56lgCFU/g；比色模式线性方程y=0.065+0.056lgC，LOD0.63lgCFU/g；光热模式y=2.556+1.716lgC，LOD0.54lgCFU/g。构建电化学/比色、电化学/光热比率模式，LOD分别降至0.26和0.27lgCFU/g，较单模式显著提升，且与其他检测方法相比性能更优。

图5.三模生物传感器的稳定性。

图6.三模式生物传感器检测产气荚膜梭菌的稳定性和特异性

三模式传感器的批内和批间相对标准偏差（RSD）均<5%，稳定性良好。对肺炎克雷伯菌、大肠杆菌等9种非目标菌检测显示，仅产气荚膜梭菌和混合菌液产生显著信号，证实高特异性，且干扰菌存在时仍能准确检测目标菌。

 本研究以DMBs为桥梁构建的三模式比率式biosensor，集成磁分离、RCA信号放大和G-四链体催化功能，实现产气荚膜梭菌的高灵敏检测，比率模式进一步提高准确性。实际样品检测显示良好适用性，但需依赖DNA提取预处理，限制实时检测。未来将聚焦开发低成本、便携式传感器，简化操作流程，推动其在多场景pathogen检测中的应用。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2024.141228