新型电化学传感器实现食源性致病菌一站式高灵敏检测

技术背景与挑战

食源性致病菌污染是全球公共卫生安全的重大威胁。金黄色葡萄球菌、大肠杆菌和鼠伤寒沙门氏菌等病原体即使在极低污染水平下也能引发从肠胃炎到器官衰竭的健康风险。传统平板培养法虽可靠性高，但耗时较长，无法满足现代食品流通的速度要求。分子诊断和免疫学方法则受限于核酸提取效率、抗体稳定性及专业仪器需求，难以在基层现场检测中推广应用。

在当前实时病原体检测领域，电化学生物传感器因其独特的优势已成为关键技术路径。其核心价值在于能将识别、转导和信号放大三大功能集成到微型化平台上。特别是基于丝网印刷电极的集成传感系统，通过将生物识别元件、信号报告分子和信号放大器共同固定于电极界面，实现了"样品入-结果出"的简化检测模式。

技术创新突破

近期发表于《Current Research in Food Science》的研究报道了一种基于MWCNT-COOH/MOF-818复合材料的新型电化学传感平台，实现了对多种食源性致病菌的一站式快速检测。该研究的核心创新在于采用界面工程策略，通过精准的材料设计与组装，构建了三维集成的"识别-转导-放大"传感系统。

研究团队首先合成了铜-锆双金属有机框架材料MOF-818，其特有的三维互穿介孔网络结构为生物分子固定提供了理想载体。然而，MOF-818的本征电导率不足限制了其传感性能。为解决这一瓶颈，研究人员创新性地引入羧基化多壁碳纳米管，与MOF-818形成纳米异质结构，显著提升了电荷传输效率。

图1 MOF-818 的合成（A）；多壁碳纳米管（MWCNT）的羧基化改性（B）以及适配体 / 羧基化多壁碳纳米管 / MOF-818 / 丝网印刷电极（Aptamer/MWCNT-COOH/MOF-818/SPE）的制备（C）。

界面功能化与生物识别

该传感器的另一大创新点是采用硫醇-烯点击化学策略实现适配体的定向固定。研究人员先通过烯丙胺在复合电极表面构建烯基功能化界面，同时使用TCEP还原适配体末端的二硫键以充分暴露巯基。在紫外光照射下，光引发剂Irgacure 2959产生的硫自由基与烯基双键发生反马氏加成反应，形成稳定的硫醚交联网络。

通过系统优化光引发剂浓度和反应时间，研究团队成功在电极表面构建了三维分子识别层，既保证了适配体的空间自由度，又维持了MWCNT-COOH/MOF-818复合材料的高比表面积特性。这种定向固定策略有效保持了核酸适配体的结构完整性和生物活性，为传感器的高灵敏度检测奠定了坚实基础。

性能验证与表征分析

材料表征结果显示，MOF-818呈现规整的八面体晶体结构，比表面积高达1218.3 m²/g。MWCNT-COOH与MOF-818复合后形成了三维交联网络，显著增强了电极的比表面积。FT-IR和XPS分析进一步证实了材料的成功合成与复合。

图2 不同修饰电极的扫描电子显微镜（SEM）图像及元素分布 mappings：（A）MOF-818 / 丝网印刷电极（SPE）；（B）羧基化多壁碳纳米管（MWCNT-COOH）/SPE；（C）MWCNT-COOH/MOF-818/SPE；（D）适配体（Aptamer）/MWCNT-COOH/MOF-818/SPE，以及碳（C）、锆（Zr）、铜（Cu）、氧（O）、硫（S）、氮（N）元素的 X 射线能谱（EDS）元素分布 mappings。

电化学性能测试表明，MWCNT-COOH/MOF-818/SPE电极表现出优异的电子传递能力，循环伏安曲线呈现良好的可逆性，阻抗谱显示电荷转移阻力显著降低。扫描速率实验证实电极反应动力学受扩散控制，符合Randles-Sevcik方程，为定量检测性能提供了动力学基础。

检测灵敏度与特异性

在最优实验条件下，该传感器对三种目标病原菌表现出卓越的检测性能。如图4所示，传感器信号与病原菌浓度呈现良好的线性关系。

图3 不同浓度（0-10⁸ CFU/mL）致病菌对应的差分脉冲伏安法（DPV）电流图：（A）金黄色葡萄球菌；（B）大肠杆菌；（C）鼠伤寒沙门氏菌；以及 DPV 电流与致病菌浓度的关系图：（D）金黄色葡萄球菌；（E）大肠杆菌；（F）鼠伤寒沙门氏菌。

对金黄色葡萄球菌的检测限低至3 CFU mL⁻¹，线性方程为y=6.2740x-3.7143(R²=0.9932)；大肠杆菌的检测限为6 CFU mL⁻¹，线性方程为y=8.6737x-3.7301(R²=0.9961)；鼠伤寒沙门氏菌的检测限达4 CFU mL⁻¹，线性方程为y=8.1415x-3.8861(R²=0.9925)。这一灵敏度显著优于传统培养方法和现有电化学传感技术。

特异性实验结果显示，传感器对八种代表性病原菌中仅对目标菌株产生显著电流响应，非目标菌株的电流变化率无显著差异，证明了其严格的物种特异性。此外，传感器还表现出良好的重现性(RSD<4.7%)、重复性(RSD=3.2%)和稳定性(20天内信号衰减率<8.9%)。

实际应用验证

为评估传感器在复杂实际基质中的分析性能，研究团队采用加标回收法对猪肉酱样品中的三种病原菌进行了定量检测。如表1所示，金黄色葡萄球菌的回收率为89.3%-113%(RSD=2.7%-4.1%)，大肠杆菌为98.2%-115%(RSD=3.0%-4.5%)，鼠伤寒沙门氏菌为95.1%-127%(RSD=3.1%-5.2%)。与传统平板计数法的平行实验结果表明，两者无显著偏差，验证了传感器在实际样品检测中的可靠性。

图4 适配体 / 羧基化多壁碳纳米管 / MOF-818 / 丝网印刷电极（Aptamer/MWCNT-COOH/MOF-818/SPE）的性能表征：（A）对三种食源性致病菌（金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、鼠伤寒沙门氏菌）的特异性；（B）重现性；（C）重复性；（D）稳定性。

技术前景与意义

该研究成功构建的集成式检测策略将样品识别和信号转导整合于单一界面，克服了传统多步检测程序的技术限制，特别适合现场快速筛查场景。其模块化配置只需更换适配体序列即可实现多种病原体的通用检测，为下一代食品安全监测设备的开发提供了关键技术支撑。

这种创新性的材料设计和界面功能化方法，不仅在食源性疾病预防控制方面展示出广阔应用前景，也为建立主动式公共卫生防御基础设施提供了技术基础。其战略重要性在于能够有效缓解食源性疾病暴发，减轻医疗系统压力，为全球食品安全保障体系贡献了中国方案。

该技术平台的推广应用将显著提升食品安全突发事件的早期预警能力，为食品工业的全球化发展和延长供应链条件下的病原污染风险管控提供创新解决方案，对保障公众健康和促进食品产业可持续发展具有重要现实意义。

参考文献：

Chi H, Xiao Y, Ning H, et al. Thiol-ene click reaction aptamer sensor based on MWCNT-COOH/MOF-818 composite for highly sensitive detection of foodborne pathogenic bacteria[J]. Current Research in Food Science, 2025: 101193.