基于磁泳浓缩、介电泳分离与阻抗检测的快速细菌检测平台

1.引言

食源性疾病严重威胁公共健康，其中 52% 由细菌污染导致，因此快速准确的细菌检测对食品安全至关重要。传统培养计数法虽准确但耗时 1-5 天，酶联免疫吸附试验（ELISA）和聚合酶链式反应（PCR）虽缩短了检测时间，却存在检测限高（分别为 10⁴-10⁵ CFU/mL 和 10³-10⁴ CFU/mL）、成本高、需专业人员操作等问题。

阻抗型生物传感器因操作简便、成本低、无需标记而备受关注，但现有传感器存在三大挑战：仅能处理少量样品（数十微升），导致低浓度检测准确性不足；食品样品中的杂质会干扰信号；检测灵敏度较低（3×10²-10⁵ CFU/mL）。微流控技术具有分析快速、便携、易集成的优势，为解决上述问题提供了可能。本研究将磁泳浓缩、介电泳分离与阻抗检测集成于一体，构建快速细菌检测平台，旨在提升低浓度细菌检测的效率与准确性，满足食品现场检测需求。

2.结果与讨论

图 1 为检测装置的整体结构与工作流程示意图，清晰展示了 “浓缩 - 分离 - 检测” 三大核心模块的连接关系：

浓缩模块：采用缠绕在钕铁硼永磁体上的聚乙烯管（内径 0.28 mm、外径 0.64 mm），样品与鞘液分别从 inlet1 和 inlet2 注入，通过磁泳作用使 MP/Bac（磁性颗粒 - 细菌复合物）向管壁移动并进入鞘液， outlet1 为废液出口（流量占比 99.2%），仅 1/120 的浓缩液流向分离模块；

分离模块：包含 45° 倾斜的叉指电极（IDT 电极），MP/Bac 在介电泳力（pDEP）作用下沿电极边缘移动至 outlet2，未偶联的 MPs 则流向 outlet3；

检测模块：采用宽度 10 mm、间隙 10 mm 的传感器电极，捕获 MP/Bac 后通过阻抗信号变化分析细菌浓度。

该结构设计实现了样品预处理与检测的一体化：浓缩模块通过高流量比（120:1）将 5 mL 样品快速浓缩至约 42 μL，解决了传统传感器样品量少、低浓度检测不准确的问题；分离模块的倾斜 IDT 电极增大了电极与颗粒的接触面积，提升分离效率；检测模块的电极尺寸与信号频率（10 kHz）匹配，确保阻抗差异可被精准捕获。整个流程无需人工干预，为现场快速检测奠定了结构基础。

图 2 通过柱状图呈现了介电泳分离装置的核心性能，分为两个维度：图 2 (a)（10³ CFU/mL 样品）：MP/Bac 在 outlet2 的占比达 88%，在 outlet3 仅占 12%；而 MPs 在 outlet3 的占比达 87%，在 outlet2 仅占 13%，二者分离效果显著；图 2 (b)（10¹-10⁴ CFU/mL 浓度梯度）：所有浓度下分离效率均超过 80%，且随浓度升高无明显下降趋势，其中 10² CFU/mL 浓度时分离效率最高（89.2%）。

分离效率的稳定性证实了介电泳技术的可靠性：MP/Bac 与 MPs 的极化率差异是分离的核心 —— 在 8 MHz 频率下，MP/Bac 因含细胞质与细胞膜（复合介电结构）呈现 pDEP 响应，而 MPs（单一磁性材料）无此响应，故向不同出口移动。80% 以上的分离效率可有效减少未偶联 MPs 对检测信号的干扰，避免假阳性或信号失真，这对低浓度细菌检测的准确性至关重要。此外，分离效率不随细菌浓度波动，表明该模块适用于不同污染程度的样品检测。

图 3 通过时间序列图与重复检测数据，验证了传感器的核心性能：图 3 (a)（捕获时间序列）：MP/Bac 在 15 s 时开始附着于电极，30 s 时附着量显著增加，60 s 时达到饱和，表明 1 分钟内即可完成有效捕获；图 3 (b)（8 次重复检测信号）：每次 “捕获 - 释放” 循环的信号变化趋势一致，无明显衰减，峰值信号差异小于 0.1 mV；图 3 (c)（初始信号值）：8 次检测的初始电压均值为 49.7±0.033 mV，最大偏差仅 0.05 mV， nonspecific 结合导致的信号波动极小；图 3 (d)（平均信号变化）：1 分钟内平均信号变化为 1.94±0.093 mV，变异系数（CV）仅 4.8%，信号重复性优异。

传感器的高稳定性与重复性源于两大设计：一是电极表面沉积 300 nm 氮化硅膜，减少细菌 nonspecific 吸附，故初始信号波动小；二是 “捕获 - 释放” 循环（信号 10 s 开、0.5 s 关）可释放电极针孔中残留的细菌，避免多次检测后信号衰减。1 分钟的快速捕获特性与低 CV 值，表明该传感器可满足高频次、快速检测的需求，尤其适用于批量食品样品的筛查。

图 4 通过折线图与差异分析图，呈现了不同样品（去离子水、Sample1、Sample2）在 5-5×10³ CFU/mL 浓度下的信号变化：图 4 (a)（去离子水）：信号随浓度升高呈线性增长，5×10³ CFU/mL 时达 6.13 mV，5 CFU/mL 时为 0.58 mV，线性相关系数 R²=0.987；图 4 (b)（Sample1：卷心菜匀浆 + 预过滤）：信号变化趋势与去离子水一致，5×10³ CFU/mL 时为 5.95 mV，5 CFU/mL 时为 0.62 mV，R²=0.972；图 4 (c)（Sample2：卷心菜匀浆 + 未过滤）：5×10³ CFU/mL 时信号为 5.96 mV（与 Sample1 接近），但 5 CFU/mL 时仅 0.25 mV，与 5×10¹ CFU/mL（0.31 mV）无显著差异（p>0.05）；图 4 (d)-(f)（时间节点差异）：5 分钟后，去离子水与 Sample1 的各浓度组间信号差异显著（p<0.05），而 Sample2 的 5 CFU/mL 与 5×10¹ CFU/mL 组仍无显著差异。

讨论

不同样品的检测结果揭示了平台的应用潜力与优化方向：

去离子水与 Sample1 的优异线性关系，证实平台在纯净或预处理样品中具有高准确性，可精准量化细菌浓度；

Sample1（预过滤）与 Sample2（未过滤）的差异表明，食品中的杂质（如粗纤维、大分子有机物）会影响 MP/Bac 的捕获效率，预处理可提升检测稳定性；

Sample2 低浓度组无显著差异，归因于低浓度下 MPs 与细菌的偶联效率低（5 CFU/mL 时偶联效率 68%），导致可检测的 MP/Bac 数量不足。未来通过优化偶联时间（延长至 1.5 h）或增加 MPs 浓度，可改善低浓度样品的检测效果。

5 分钟的差异检测时间，远短于传统培养法（1-5 天）与 PCR（2-4 h），满足现场快速检测的核心需求。

3.总结

阻抗等效电路的建立为检测机制提供了理论依据：细菌的高电导率（含细胞质电解质）使其 admittance 高于培养基，捕获后会降低电极间的 Rₛ，进而减小总阻抗（|Z|），最终表现为电压信号升高。10 kHz 频率下的最大阻抗差异，解释了为何选择该频率作为检测频率 —— 可最大化信号变化幅度，提升传感器灵敏度。修正电路中 CPE 的使用，提高了阻抗数据的拟合精度，确保信号变化与细菌浓度的线性关系可靠。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.aca.2021.338696