手机APP+金纳米粒子：革命性UTI快速检测传感器登场

尿路感染（UTIs）是全球最常见的感染性疾病之一，每年影响约1.5亿人，尤其对女性健康构成严重威胁，约50-70%的女性一生中至少经历一次UTI，其中20-30%会发展为复发性感染。UTIs主要由尿路致病性大肠杆菌（UPEC）引起，其他病原体如肺炎克雷伯菌、变形杆菌等也常见。当前UTI诊断依赖聚合酶链反应（PCR）、培养分析或酶联免疫吸附测定（ELISA），这些方法成本高、耗时长（通常需24-48小时）、灵敏度有限，且易导致抗生素滥用和耐药性（AMR）问题。尤其在资源有限地区，缺乏快速、可靠的诊断工具，使得UTIs的早期干预困难，加剧了发病率和死亡率。因此，开发低成本、高灵敏度的现场检测（POCT）技术迫在眉睫。金纳米粒子（AuNPs）因其独特的局部表面等离子体共振（LSPR）特性，在比色传感中展现巨大潜力：分散时呈红色（吸收峰520 nm），聚集时变为蓝紫色（红移）。通过功能化糖苷（如甘露糖或半乳糖），AuNPs可特异性靶向细菌表面凝集素（如UPEC的FimH或铜绿假单胞菌的LecA），实现快速检测。然而，现有传感器检测限多停留在10³-10⁷ CFU/mL，且依赖复杂仪器。本研究受生物启发，设计多价糖苷-AuNPs传感器，结合手机RGB分析，旨在突破这些局限，为UTI诊断提供一种灵敏、特异、廉价的解决方案。

1. 糖苷-AuNPs的合成与表征

本研究通过有机合成制备了六价（hexapod）和九价（nonapod）甘露糖（MH、MN）及半乳糖（GH、GN）糖苷，并利用铜辅助点击化学将其功能化到20 nm柠檬酸盐-AuNPs上（如Figure 1所示）。首先，AuNPs通过Turkevich法合成，并经PEG5000稳定化，再通过EDC偶联将糖苷连接到AuNPs表面。表征显示，功能化后UV-Vis光谱发生红移，证实糖苷成功附着；TEM图像显示AuNPs尺寸均匀（约20 nm），功能化未改变核心结构。糖苷定量通过蒽酮测试显示，非价糖苷负载量更高（MN为957.66 μg/mL，MH为804.33 μg/mL），Zeta电位从-32.79 mV（裸AuNPs）变为-19.57 mV（MN-AuNPs），表明表面电荷变化增强稳定性。DLS和FTIR进一步验证了功能化，为传感器的高特异性奠定基础。

Figure 1  (a) AuNPs-PEG5000-聚糖合成示意图。聚糖-AuNPs表征。(b) 柠檬酸盐AuNPs与聚糖功能化AuNPs的紫外-可见光谱。(c) 柠檬酸盐AuNPs（20 nm）的透射电子显微镜图像。(d) AuNPs上连接聚糖的定量分析（蒽酮试验）。(e) 聚糖功能化AuNPs的ζ电位。GH：半乳糖六足体，MH：甘露糖六足体，GN：半乳糖九足体，MN：甘露糖九足体。

2. 特异性结合与检测性能

糖苷-AuNPs与细菌的特异性结合通过解离常数（Kd）评估，非价糖苷显示更高亲和力（MN为8.79 nM，MH为13.89 nM）。如Figure 2所示，在UPEC存在下，甘露糖-AuNPs（MH、MN）发生聚集，颜色从红变蓝，UV-Vis光谱显示吸收峰红移，而半乳糖-AuNPs无响应；反之，铜绿假单胞菌仅与半乳糖-AuNPs反应。比色分析表明，非价糖苷检测限更低（10 CFU/mL），优于六价（10³ CFU/mL），且游离甘露糖不干扰结合。热图可视化进一步证实了特异性，为临床应用提供高可靠性。

Figure 2  特定糖链-金纳米颗粒存在下细菌聚集的显微分析。(a) 大肠杆菌与GH-AuNPs(i)、MH-AuNPs(ii)、GN-AuNPs(iii)、MN-AuNPs(iv)的扫描电镜图像，以及铜绿假单胞菌与GH-AuNPs(v)、MH-AuNPs(vi)、GN-AuNPs(vii)、MN-AuNPs(viii)的扫描电镜图像。(b) 大肠杆菌与GH-AuNPs(i)、MH-AuNPs(ii)、GN-AuNPs(iii)、MN-AuNPs(iv)的透射电镜图像，以及铜绿假单胞菌与GH-AuNPs(v)、MH-AuNPs(vi)、GN-AuNPs(vii)、MN-AuNPs(viii)的透射电镜图像。缩写说明：AuNPs：金纳米颗粒；GH：半乳糖六足体；MH：甘露糖六足体；GN：半乳糖九足体；MN：甘露糖九足体。

3. 稳健性验证与复杂基质应用

如Figure 3所示传感器在人工尿液（AU）和干扰物（如维生素C、离子）中仍保持性能，颜色变化在30分钟内稳定。时间依赖性实验显示，10⁴ CFU/mL细菌在20分钟即可检测，且2天后无信号衰减。k/k0值（520/700 nm比率）的箱形图证实了聚集状态的可靠性，适用于真实尿液样本，避免了假阳性。

Figure 3  (a) 不同干扰剂存在下比色法细菌检测示意图。(b) 基于MN-AuNPs的比色法检测添加干扰剂的加标大肠杆菌。(c) MN-AuNPs在不同时间间隔的细菌检测。(d) 第0、1天及2天后的细菌检测测定。(e) k/k0（520/700 nm）值箱形图与小提琴图。

4. 临床样本检测与现场应用

针在60例临床尿液样本（50例UPEC阳性）中，传感器通过玻片滴注法实现裸眼检测，颜色变化与UV-Vis光谱红移一致，TEM显示MN-AuNPs在细菌表面聚集（如Figure 4所示）。特异性测试中，其他病原体（如克雷伯菌）无响应，凸显了临床实用性。该方法无需复杂仪器，适合资源有限环境。

Figure 4 (a) 使用玻片检测临床样本中细菌的示意图。(b) 对1-29号患者（P1-P29）阳性样本中大肠杆菌的比色检测。(c, d) UPEC阳性患者（P1-P12）的紫外-可见光谱。(e) P1样本中MN-AuNPs在UPEC上聚集的透射电镜图像分析。

5. 临床样本检测与现场应用

如Figure 5所示通过手机APP分析RGB值，R/G比率与细菌浓度呈负相关。在临床样本中，阳性样本R/G值显著降低，定量曲线支持低至10 CFU/mL的检测。该平台成本仅0.023美元/测试，为AI辅助菌株识别奠定基础，实现智能化现场诊断。

Figure 5 (a) RGB颜色检测应用在96孔板中进行RGB检测的示意图。(b) (i)添加在MQ中的大肠杆菌、(ii)添加在人工尿液中的大肠杆菌的R/G值，以及(iii)存在MN-AuNPs时50例UPEC患者尿液样本的R/G值。

本研究成功开发了一种生物启发的等离子体糖苷纳米传感器，通过多价糖苷功能化AuNPs，实现了UTI病原体的超灵敏、快速检测。传感器核心创新在于合成六价和非价糖苷，显著提升了结合亲和力，使检测限降低至10 CFU/mL，远超现有技术（通常10³-10⁷ CFU/mL）。在性能上，传感器展现出高特异性，仅对目标细菌（如UPEC的FimH凝集素）响应，且通过SEM、TEM和AFM等微观分析证实了聚集机制；稳健性测试表明，其在复杂尿液基质和干扰物中保持稳定，30分钟内即可完成检测，支持现场应用。临床验证中，60例样本的检测准确率高，裸眼比色结合手机RGB定量，使成本降至0.023美元/测试，极具经济性。与传统方法相比，本平台无需PCR扩增或复杂设备，突破了时间、成本和操作门槛限制，为POCT诊断提供了实用解决方案。未来，通过集成AI模型，可进一步扩展至菌株识别和多重检测，助力全球UTI管理。总之，该传感器将纳米技术与移动健康结合，不仅有望减少抗生素滥用和耐药性，更可推广至资源匮乏地区，实现“样本入、结果出”的智能诊断，具有重大的临床和社会价值。

原文doi: https://doi.org/10.1021/acssensors.5c00872