基于荧光共振能量转移的生物传感器，用于空气细菌无培养检测，具有飞摩尔灵敏度

原创

来源：龚茂雪

2026-05-08 11:02:15

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核心提示：本研究构建基于荧光共振能量转移（FRET）的免培养生物传感器，以 ATP 为检测标志物，结合间接杂交策略与氧化石墨烯（GO）实现空气中细菌的飞摩尔级超高灵敏检测。该方法无需培养、单样检测仅需 15 分钟，可检出低至 2.4 CFU/mL 的细菌与 0.52 fM ATP，室内现场可准确检测＜10² CFU/m³ 的低浓度气溶胶细菌，不受颗粒物与真菌干扰，为室内空气生物污染快速监测提供新型高灵敏技术方案。

引言

含致病菌的生物气溶胶是传染病传播的重要载体，传统培养法需 24–72 小时，无法检测活的非可培养（VBNC）状态细菌，严重低估实际微生物载量。ATP 作为活菌通用标志物，已用于快速检测，但现有 ATP 传感器检出限多在 pM–nM 级，难以满足痕量监测需求。本研究针对传统方法耗时、灵敏度低、无法识别 VBNC 菌等缺陷，开发基于 FRET 与 GO 的新型传感器，旨在实现空气细菌快速、免培养、超高灵敏检测，为室内空气质量评估与传染病防控提供技术支撑。

本研究创新性构建基于FRET 与氧化石墨烯的免培养生物传感器，以细菌 ATP 为标志物，实现空气细菌飞摩尔级超高灵敏快速检测。通过优化间接杂交、FRET 条件与氧化石墨烯配比，确定最优检测体系，不损伤细菌活性且不受颗粒物、真菌干扰。经标准品、气溶胶细菌与室内现场验证，实现 ATP 检出限 0.52 fM、细菌检出限 2.4 CFU/mL，单样本检测仅需 15 分钟，可精准识别 VBNC 活菌，突破传统培养法漏检、耗时缺陷，为空气微生物实时监测与传染病防控提供高效灵敏新方案。

图 1. 基于 FRET 的生物传感器的概念工作流程。(a) 从空气细菌收集和 ATP 提取的示意图工作流程。(b) 通过 FRET 实现荧光猝灭的原理，说明在 ATP 结合时荧光强度降低。

研究内容

使用标准 ATP 溶液进行测试：采用系列梯度标准 ATP 溶液对传感器进行性能验证，荧光强度随 ATP 浓度升高呈规律性下降，拟合度良好。依据 IUPAC 准则计算得出，该传感器对 ATP 的检出限低至 0.52 fM，且对 ATP 具有高度特异性，基本不受 ADP、AMP 等结构类似物干扰。

图 2. (a) ATP 溶液的制备和荧光强度评估。(b) 空气采样后进行 ATP 测量和 CFU 测量。

FRET 条件优化：本研究对 FITC–DNA 浓度、氧化石墨烯（GO）用量及孵育时间进行系统优化，确定 5 nM FITC–DNA、4 μg/mL GO、12 分钟孵育为最优条件，保证荧光信号强度与淬灭效率，满足高信噪比生物传感要求。

图 3. FRET 条件的优化。(a) FITC–DNA 在不同浓度下的荧光光谱和峰值强度。(b) GO 浓度对荧光光谱和峰值强度的影响（FITC–DNA，5 nM；孵育时间，12 min）。(c) 孵育时间对荧光光谱和峰值强度的影响（FITC–DNA，5 nM；氧化石墨烯，4 μg/mL）。误差线表示标准差（n = 3）。

杂交化适配体 / FITC–DNA 与 GO 的荧光保留：双链适配体 / FITC–DNA 复合物在 GO 存在下可保留约 51.8% 荧光，而单链 FITC–DNA 易被 GO 吸附淬灭，这种差异为 ATP 诱导的荧光变化提供可靠信号基础，成为传感器定量检测的关键依据。

图 4. 荧光保留评估。（FITC–DNA，5 nM；适配体，5 nM；氧化石墨烯，4 μg/mL）

使用标准 ATP 溶液进行测试：以系列 ATP 标准液验证传感器性能，荧光强度随 ATP 浓度升高而降低，呈良好对数相关。经计算，ATP 检出限低至 0.52 fM，且对 ATP 高度特异，对 ADP、AMP 无明显响应，证实超高灵敏度与强特异性。

图 5. 不同 ATP 浓度和空气细菌浓度下的荧光强度。(a) 不同浓度 ATP 的荧光光谱。(b) 不同浓度 ATP 在峰值发射波长处的荧光强度（对数刻度）。(c) 不同浓度空气细菌的荧光光谱。(d) 不同浓度空气细菌在峰值发射波长处的荧光强度（对数刻度）。误差线表示标准差（n=3）。

室内空气细菌测试：在真实室内环境采样检测，该方法可准确检出低于 10² CFU/m³ 的空气细菌，不受颗粒物与真菌干扰，能识别 VBNC 活菌，结果与传统培养法高度相关但更灵敏，适用于现场空气微生物快速监测。

图 6. 低浓度室内条件下检测细菌的现场实验结果

结论

本研究成功构建一种基于荧光共振能量转移（FRET）的免培养生物传感器，可实现空气中细菌的飞摩尔级高灵敏快速检测。该传感器以 ATP 为指示标志物，采用间接杂交策略与氧化石墨烯（GO）辅助荧光淬灭，显著提升检测灵敏度与特异性。优化后对 ATP 的检测限达到 0.52 fM，可检出低至 2.4 CFU/mL 的空气细菌，单次检测仅需约 15 分钟。室内现场实验证实，该方法能准确监测低于 10² CFU/m³ 的低浓度空气细菌，不受颗粒物与真菌干扰，且可识别传统培养法漏检的 VBNC 活菌。该传感技术无需培养、快速灵敏、稳定性良好，为室内空气质量评估、生物气溶胶监测及传染病防控提供了高效可靠的新型检测手段。