新型便携式光子传感器实现牛奶中双致病菌快速同步检测

食品安全是全球关注的核心议题，而牛奶作为日常消费的营养饮品，其受致病菌污染的风险始终威胁着公众健康。鼠伤寒沙门氏菌与大肠杆菌 O157:H7 是导致食源性疾病爆发的主要元凶，前者可引发急性发热、腹痛、腹泻等症状，后者产生的志贺毒素可能导致出血性结肠炎甚至肾衰竭，严重时危及生命。传统检测方法如培养法、PCR 技术等虽可靠，但普遍存在耗时久、操作复杂等弊端，难以满足快速筛查的需求。近日，希腊科研团队研发出一款便携式光子免疫传感器，成功实现了牛奶中这两种致病菌的同步快速检测，为食品安全生产监控提供了全新解决方案。

这款传感器基于硅芯片设计，集成了两个 U 形氮化硅波导构成的马赫 - 曾德尔干涉仪（MZIs），通过不同长度的传感窗口实现光谱区分，无需微流控装置或泵体，结构紧凑便携。科研人员通过在传感窗口分别修饰鼠伤寒沙门氏菌和大肠杆菌 O157:H7 外膜的脂多糖（LPS），赋予传感器高度特异性识别能力。检测时，芯片通过分叉光纤与宽带白色 LED 和分光光度计光学耦合，借助竞争免疫分析原理，可实时监测免疫反应过程中的相位变化，从而精准量化致病菌浓度。

图１：图 (a) 为便携式系统、检测设备及浸入样品的光子免疫传感器实物；图 (b) 为测量界面，含传输光谱、FFT 峰值及实时响应。

该传感器在性能上实现了多重突破：整个检测流程仅需 15 分钟即可完成，较传统方法大幅缩短时间；对鼠伤寒沙门氏菌的检出限达到 45 cfu/mL，大肠杆菌 O157:H7 为 125 cfu/mL，配合约 8 小时的预富集步骤，可实现单菌检测，完全满足欧盟食品安全标准中对牛奶致病菌的严格要求。在重复性与准确性方面，传感器的批内变异系数分别为 5.8%（鼠伤寒沙门氏菌）和 4.6%（大肠杆菌），批间变异系数不超过 9.2%，在不同类型牛奶样品中的回收率介于 87.5% 至 112% 之间，表现出优异的稳定性和抗干扰能力。此外，通过盐酸与氢氧化钠的分步再生处理，芯片可重复使用 10 次，显著降低检测成本。

图２：展示两种细菌零校准品在缓冲液或稀释牛奶中，参考传感器、工作传感器及净芯片信号的实时响应。

与现有检测技术相比，这款光子免疫传感器兼具快速、灵敏、便携等多重优势。传统培养法往往需要 24 小时以上才能出结果，而该传感器在 15 分钟内即可完成检测，配合预富集步骤也能在一个工作日内实现单菌级筛查。其无需复杂样品前处理，可直接浸入样品检测的设计，使其适用于生产线、市场监管等现场场景。同时，芯片制造成本低廉，批量生产单价仅约 0.5 欧元，且通过 3D 打印光学耦合器实现精准光路对齐，操作简便无需专业技术人员。

图３：呈现芯片修饰不同浓度 LPS 与特异性抗体组合时的净零校准品信号。

目前，该传感器已在有机微滤高温灭菌奶、均质巴氏杀菌奶和超高温灭菌奶等多种样品中完成验证，未来有望扩展至肉类、果蔬等其他食品基质的致病菌检测。这款新型传感器的问世，不仅解决了传统检测方法效率低下的痛点，更凭借其便携性和高性价比，为食品行业质量控制、监管部门现场执法提供了有力工具，将有效助力食源性疾病的源头防控，进一步筑牢食品安全防线。随着技术的持续优化，此类光子传感技术或将在更多致病菌检测场景中发挥作用，推动食品安全生产监控体系的智能化升级。

参考文献：Portable photonic immunosensor for the simultaneous detection of Escherichia coli and Salmonella typhimurium in milk samples