纳米结构生物传感器：9分钟快速鉴别革兰氏阴性菌，助力食品安全与现场诊断

背景：细菌检测的迫切需求与技术瓶颈

细菌感染疾病至今仍是全球公共卫生的重大威胁，尤其常见于食物中毒、人际接触及耐药性病原体感染。传统检测方法如培养法耗时冗长，分子检测技术虽灵敏却依赖昂贵设备与专业人员，限制了其在现场或常规筛查中的应用。

电化学阻抗谱技术因其免标记、实时响应、易于微型化等优势，成为细菌检测的有力工具。然而，纳米结构电极与细菌之间的界面相互作用尚未被充分理解，制约了传感器灵敏度的进一步提升。

创新传感器设计：理性表面工程的胜利

本研究提出了一种基于氧化铟锡垂直纳米线 的“纳米刷”式传感平台，通过金属辅助化学蚀刻与KOH蚀刻 相结合的方式，制备出具有可控几何形貌的纳米线阵列。ITO因其低背景电流、易于修饰、成本低廉等优点被选为导电层。

为进一步增强对细菌的捕获能力，研究团队在ITO-VNWs表面依次修饰了硅烷链接剂APTMS 与4-羧基苯硼酸。BA能与细菌表面糖蛋白中的顺式二羟基 共价结合，形成硼酸酯键，从而实现特异性捕获。

XDLVO理论：揭示细菌与纳米表面的相互作用机制

为理性设计并优化传感器表面，研究采用扩展Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek理论，系统分析了细菌与纳米表面之间的三种相互作用能：

1.Lifshitz–van der Waals相互作用

2.静电双层相互作用

3.Lewis酸-碱相互作用

研究发现，BA修饰的ITO-VNWs表面对大肠杆菌具有更低的能量壁垒 和更深的次级能量最小值，显著促进了细菌的附着。其电子受体特性的增强，有助于克服细菌与表面之间的水合排斥力。

图1. BA-ITO-VNWs阻抗测量装置及大肠杆菌检测表面相互作用机制示意图。该生物传感器由BA-ITO-VNWs感应表面与Ag/AgCl参比电极组成。细菌捕获受XDLVO粘附能（ΔG_ADH）描述的物理化学力调控，其中包括Lifshitz范德华相互作用（ΔG_LW）、电双层相互作用（ΔG_EL）及酸-碱相互作用（ΔG_AB）的贡献。

图2. 不同时间蚀刻的ITO-VNWs表面的地形和润湿特性。(A–C) 倾斜SEM图像（A) 45秒, (B) 30秒, (C) 50秒。插图：ITO-VNWs的顶部视图SEM图像（90°倾斜）蚀刻时间：(A) 20秒）。(D–F) ITO-VNWs的AFM图像，蚀刻时间分别为(D) 20秒, (E) 30秒, 和(F) 50秒，显示平均粗糙度(Ra)值分别为260 ± 0.87 nm, 353 ± 0.62 nm, 和516 ± 1.20 nm（均值 ± 标准差；n = 3）。(G–I) 水接触角测量结果，蚀刻时间分别为(G) 20秒, (H) 30秒, 和(I) 50秒的ITO-VNWs。(J, K) E. coli与ITO-VNWs传感表面的XDLVO相互作用分析。(J) 影响BA-ITO-VNWs在水环境中细菌黏附的主要物理化学因素示意图。ΔG_ADH是ΔG_LW、ΔG_EL和ΔG_AB的总和。(K) 裸ITO-VNWs、APTMS修饰的ITO-VNWs和BA-ITO-VNWs的相互作用能量随分离距离变化的曲线。插图：红圈中放大的二次能量极小值。

传感器性能：灵敏度、特异性与稳定性俱佳

通过电化学阻抗谱测量，BA-ITO-VNWs传感器在9分钟内即可达到检测饱和，对大肠杆菌的检测范围覆盖10¹至10⁷ CFU/mL，线性关系优良（R² = 0.978），灵敏度达689 Ω/log(CFU/mL)。

在革兰氏菌株区分方面，传感器对大肠杆菌（革兰氏阴性）的响应信号远高于金黄色葡萄球菌（革兰氏阳性），在10⁷ CFU/mL时差异达50倍，凸显其优异的选择性。

此外，传感器在重复性、再现性与储存稳定性方面均表现优异，在-20°C至25°C条件下储存30天后仍保持95%以上活性。

图 3. (A) 使用 BA-ITO-VNWs 生物传感器对大肠杆菌 (10¹–10⁷ CFU/mL) 的 Nyquist 图。 (B) 基于 Rct 浓度的校准曲线；误差棒 = 标准差 (SD)。 (C–F) 生物传感器性能评估： (C) 以 ΔRct 作为定量指标的革兰氏染色判别 (大肠杆菌和金黄色葡萄球菌各 n = 3)； (D) 在 10¹、10³ 和 10⁶ CFU/mL 下 30 个独立生物传感器的重复性； (E) 使用 Bland–Altman 图对 20 个生物传感器配成十组进行可重复性分析； (F) 在不同储存条件下的 30 天储存稳定性，并归一化至初始 ΔRct (n = 3；误差棒 = SD)。

实际应用验证：食品样本检测与便携式设备集成

为验证其实用性，研究团队将传感器用于牛奶与苹果汁样本中大肠杆菌的检测，结果与商用LIVE/DEAD活性检测试剂盒高度一致，表明其在复杂基质中仍具高准确性与鲁棒性。

更进一步，传感器成功集成于便携式EIS芯片中，由Arduino微控制器驱动，实现了现场化、微型化的细菌检测系统，在10 kHz频率下仍保持良好的线性响应与灵敏度。

图4. BA-ITO-VNWs 上连续表面修饰和细菌捕获的验证。高分辨率 XPS 光谱（带解卷积峰）用于 (A) C 1s 和 (B) B 1s。(C) SEM 图像显示细菌被捕获在 BA-ITO-VNWs 表面。(D) BA 修饰和细菌捕获后的 ITO-VNWs 表面示意图，化学键根据 (A) 中的 XPS 指派标注。解卷积 XPS 峰指派如下：1: 283.9 eV, Si–C; 2: 285.0 eV, C–C; 3: 286.4 eV, C–NH2; 4: 287.4 eV, CONH; 5: 285.9 eV, C–B; 6: 286.5 eV, B–O–C 和 C–OH; 1’: 190.1 eV, B–C; 2’: 191.5 eV, B–OH; 3’: 192.3 eV, B–O–C。

图5. 使用便携式EIS设备基于阻抗检测大肠杆菌。(A) 便携式EIS芯片的示意图。该芯片由Arduino微控制器控制，生成数字信号以实现自动操作和数据采集。(B) BA-ITO-VNWs生物传感器集成到便携式EIS芯片中，在大肠杆菌浓度范围为10¹至10⁷ CFU/mL下的阻抗响应。每个数据点为三个独立生物传感器的平均阻抗幅值(|Z|_avg)，误差线表示标准差(SD)。(C) 10 kHz下的校准，显示|Z|_avg与大肠杆菌浓度对数之间的线性相关性(n = 3，误差线表示SD)。

结论与展望：纳米表面工程引领下一代生物传感平台

本研究通过理性表面工程与XDLVO理论指导，成功开发出一种高性能、可区分菌株的纳米结构生物传感器，具备快速、灵敏、特异性强、可便携等优势，为食品安全、临床诊断与环境监测提供了强有力的技术支撑。

该平台不仅适用于大肠杆菌，更具潜力拓展至其他病原体的检测，为下一代纳米结构生物传感器的设计与优化提供了通用性蓝图。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.bios.2025.118112