背景：食源性疾病的全球挑战与检测困境

食源性病原体每年导致全球超过6亿人患病，造成约1100亿美元的经济损失，已成为重大公共卫生威胁。其中，超过90%的健康负担落在低收入和中等收入国家（LMICs）。这些国家由于电力供应不稳定、实验室基础设施匮乏，难以开展及时有效的病原体检测，导致食源性疾病频发。

传统培养法虽灵敏特异，但耗时长、依赖专业实验室与人员。近年来，免疫分析与分子生物学等快速检测技术虽有所发展，但仍高度依赖电网供电，用于运行高功率仪器和维持试剂冷链。即便使用电池，也面临续航短、充电难等问题，严重限制了其在LMICs的可持续推广。

解决方案：CEANMA技术的诞生

为解决上述问题，吉林大学的研究团队开发了CEANMA技术（Confinement Effect Activated Nanomachines-Mediated Amplification），并配套设计了手掌式便携设备（重量<200克），实现了完全无需外接电源的病原体检测。

该技术的核心创新包括：

1.双纳米机器协同识别与信号启动

2.恒温滚环扩增与CRISPR/Cas12a荧光信号放大

3.室温稳定试剂配方

4.化学发热包与手摇发电LED的电力替代方案

CEANMA工作原理详解

1. 纳米机器的构建与功能

纳米机器I 以金纳米颗粒为核心，修饰两种DNA链：

结合链：带有胆固醇，可插入细菌膜；

间隔链：携带环状DNA，包含连接区、结合区、信号生成区和纳米机器II结合区。

纳米机器II 以磁性Fe₃O₄纳米颗粒为核心，修饰：

引物链：带有与环状DNA互补的B2c序列；

适配体链：特异性识别沙门氏菌表面表位。

2. 细菌表面“限制效应”触发信号放大

当两种纳米机器同时结合到同一沙门氏菌表面时，形成空间限制效应，使得原本不稳定的B2与B2c区域发生有效杂交。引物链随即启动滚环扩增（RCA），生成大量重复的DNA序列。这些产物激活CRISPR/Cas12a系统，切割荧光-淬灭标记的单链DNA报告分子，释放出强烈荧光信号。

整个过程在恒温42°C下进行，无需热循环，能耗极低。

图1. 两种受限激活纳米机器的组成示意图，纳米机器I（a）和纳米机器II（b），以及基于其在细菌表面自组装进行沙门氏菌检测的机制，随后通过RCA扩增和CRISPR/Cas12a介导的荧光激活，实现无需电源的便携设备中的信号可视化（c）。

图 2. 使用链霉亲和素-生物素模型系统的限制触发放大概念验证演示。a) 链霉亲和素与生物素结合诱导链-环-链DNA结构的形成，并启动后续的RCA扩增；b) 使用不同B2c区域长度对链-环-链DNA形成进行的计算机预测结果；c) 使用含13碱基B2c区域的引物链，对1 pM链霉亲和素样品及阴性对照进行三重复分析的实时荧光监测；d) 增幅产物的2%琼脂糖凝胶电泳图像。M，DNA标记；Pos.：含1 pM链霉亲和素的阳性样品，Neg.：不含链霉亲和素的阴性对照。

图3. 纳米机器I（NM1）和纳米机器II（NM2）的表征。a) NM1的TEM图像；b) 裸AuNPs和NM1的紫外-可见吸收光谱；c) 裸AuNPs和NM1的DLS分析；d) 裸AuNPs和NM1的Zeta电位测量；e) NM2的TEM图像；f) 裸Fe3O4和NM2的磁化曲线；g) 裸Fe3O4核心和NM2的DLS分析；h) 裸Fe3O4核心和NM2的Zeta电位测量；i) NM1和NM2孵育后S. enteritidis的SEM图像；j) SEM-EDS元素映射图像显示细菌表面碳（C）、铁（Fe）和金（Au）的共定位。i)和j)的插图显示同一样品中存在一簇自由的含铁NM2，这些NM2未与含Au的NM1结合（Au通道背景水平），表明非特异性吸附最小。误差线表示三次重复实验的标准偏差。

便携设备与室温稳定试剂

1. 设备设计

发热装置：使用一次性化学发热包，通过铁粉氧化放热，维持42°C恒温；

光源系统：手摇发电机驱动蓝色LED，用于激发荧光；

结构：3D打印制成，轻便（<200克），适应15–35°C环境温度。

2. 试剂稳定性

所有试剂分为三管，均可室温保存10天：

冻干酶管：含phi29-XT DNA聚合酶与Cas12a-crRNA复合物，使用PEG8000、甘油和海藻糖作为保护剂；

纳米机器混合液：含两种纳米机器与BSA；

扩增缓冲液：含DNA报告分子、dNTPs与离子。

图4. CEANMA检测中无电设备及室温可储存试剂的开发与优化。a) 3D打印无电设备的示意图；b) 组装完成设备的操作照片。插图显示由手摇LED灯激发的可见荧光信号；c) 放置在不同高度加热盒上的反应管的热成像及对应照片；d) 加热盒高度与反应管平衡温度的关系。图表表示六次独立测量的分布，水平线表示平均值；e) 放置在1.5厘米高加热盒上的反应管实时温度曲线。进行了六次重复测试。从15到90分钟测得温度无统计学差异（F = 2.00, P > 0.05）；f) 不同保护性添加剂对CEANMA检测中冻干酶稳定性的评估。

性能验证：灵敏度、特异性与实际应用

1. 灵敏度

在PBS中，CEANMA可检测低至16 CFU/mL的沙门氏菌，优于传统qPCR方法（检测限155 CFU/mL）。其高灵敏度归因于五级信号放大：磁性富集、细菌表面多位点识别、多价杂交、RCA扩增、Cas12a多次切割

2. 特异性

对李斯特菌、金黄色葡萄球菌、大肠杆菌O157:H7、副溶血弧菌等进行测试，仅沙门氏菌样本产生荧光信号，显示高度特异性。

3. 实际样品测试

志愿者经15分钟培训后，使用该设备成功在卷心菜、牛肉和牛奶样本中检出沙门氏菌，结果与平板计数法一致，全程仅需55分钟。

图5. 无需电源的CEANMA法检测沙门氏菌的敏感性、特异性及适用性。a) 在PBS中检测不同浓度沙门氏菌的代表性图像；b) 分析不同食源性致病菌的代表性图像。细菌浓度为1 × 10 CFU/mL。无菌PBS作为阴性对照；c) 使用平板计数法和本方法检测卷心菜样品的结果；d) 使用平板计数法和本方法检测牛肉样品的结果；e) 使用平板计数法和本方法检测牛奶样品的结果

局限与未来展望

尽管CEANMA表现出色，仍存在以下局限：

1.极端环境温度（>40°C或<10°C）下设备性能受影响；

2.尚未在高脂、高纤维、高色素等复杂食品基质中全面验证；

3.目前仅为定性检测，未来可集成实时荧光成像与计算机视觉系统，实现定量输出。 

结语

CEANMA技术及其配套设备成功实现了无需电力、高灵敏、可视化、现场化的食源性病原体检测，尤其适用于电力不稳定、基础设施薄弱的中低收入国家。该技术具有操作简便、成本低廉、结果可靠等优势，有望在全球范围内提升食品安全监测能力，减轻食源性疾病负担。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.bios.2025.118114