超灵敏检测空气细菌：基于 FRET 的无需培养技术达飞摩尔级灵敏度

生物气溶胶携带致病菌，是呼吸道传染病传播的重要途径，传统培养法需 24–72 小时，且无法检出活的非可培养状态细菌，难以满足实时监测需求。近期，研究团队开发出一种基于荧光共振能量转移（FRET）的新型生物传感器，以 ATP 为标志物，实现无需培养、飞摩尔级超高灵敏度的空气细菌快速检测，为室内空气质量监测与传染病防控提供了关键技术支撑。

该传感器核心设计采用间接杂交策略，将荧光标记的 cDNA 链与未标记 ATP 特异性适配体分开，避免直接标记对适配体空间结构的干扰，提升杂交效率与荧光信号对比度。同时引入氧化石墨烯，利用其对单链 DNA 强吸附、对双链 DNA 弱吸附的特性，强化 FRET 荧光淬灭效果，构建出信号清晰、特异性突出的传感体系。检测流程简洁高效，先通过气溶胶采样器收集空气细菌，热裂解释放 ATP，再与传感试剂反应，15 分钟内即可通过荧光信号变化定量分析细菌含量。

图 1：展示 FRET 生物传感器检测空气细菌的工作流程与荧光淬灭原理。

研究人员对 FRET 反应条件进行系统优化，确定 FITC-DNA 浓度、氧化石墨烯添加量与孵育时间的最佳参数，使传感器信噪比与稳定性达到最优水平。标准 ATP 测试结果显示，该传感体系检测限低至 0.52 飞摩尔（fM），较传统 ATP 生物发光方法灵敏度提升百万倍以上，且对 ATP 具有高度选择性，与结构相似的 ADP、AMP 几乎无交叉反应，保证检测结果准确可靠。

图 2：优化 FITC-DNA 浓度、氧化石墨烯用量及孵育时间等检测条件。

在空气细菌实测中，该传感器实现低至 2.4 CFU/mL 的细菌检测能力，远优于传统培养法的 10 CFU/mL 检测下限，且荧光强度与细菌浓度呈现良好的相关性。室内现场试验进一步验证，该方法可准确检出低于 10² CFU/m³ 的空气细菌，与培养法结果高度吻合，同时能识别传统方法漏检的活的非可培养状态细菌，更真实反映空气微生物污染水平。此外，传感器所用荧光试剂在常温下可稳定保存 7 天，抗颗粒物与真菌干扰能力强，适合现场实际应用。

图 3：建立 ATP 浓度与空气细菌浓度对应的荧光强度定量关系。

该技术突破传统空气微生物检测的耗时、低效瓶颈，将检测时间从数天缩短至 15 分钟，灵敏度达到飞摩尔级，兼具快速、灵敏、无需培养、特异性强等优势。在医院、学校、办公楼、洁净车间等重点场所的空气质量实时监控、传染病疫情早期预警、环境风险评估等场景具有广阔应用前景。研究提出的间接杂交结合氧化石墨烯增强 FRET 传感策略，也为其他生物标志物的超灵敏检测提供了通用设计思路，推动生物传感技术在公共卫生与环境安全领域的实用化发展。

参考文献：Ko H S, Hwang J. Fluorescence Resonance Energy Transfer-Based Biosensor with Femtomolar Sensitivity for Culture-Independent Detection of Airborne Bacteria[J]. Environmental Science & Technology, 2026.