4D-LysM 功能化光纤 SPR 传感器，用于选择性检测铜绿假单胞菌

1.引言

铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）作为一种广泛存在的革兰氏阴性菌，不仅在临床感染中备受关注，更是导致海洋金属设施发生微生物腐蚀（MIC）的关键因素。它通过胞外电子转移（EET）加速金属腐蚀，造成巨大的经济损失。然而，海洋环境复杂，存在大量干扰物质，传统的检测方法如培养法或PCR难以满足海洋环境中对铜绿假单胞菌进行精准、快速且能区分活菌状态的实时监测需求。因此，开发一种具有高特异性、抗干扰能力强且能适应复杂海洋环境的传感器，对于预防微生物腐蚀和保护海洋基础设施至关重要。

本研究开发了一种基于4D-LysM功能化的光纤表面等离子体共振（SPR）传感器技术，通过引入四个天冬氨酸（4D）对野生型LysM进行基因工程修饰，并利用其羧基与光纤表面氨基形成共价键的方法，解决了野生型LysM难以稳定固定在传感器表面的技术瓶颈。在试验方法上，研究人员首先利用离子溅射在光纤芯层沉积50nm金膜以激发SPR效应，随后通过巯基乙酰胺（MEA）自组装膜进行表面氨基化处理，最终实现4D-LysM的稳定固定。此外，研究还设计了聚二甲基硅氧烷（PDMS）温度补偿层以消除环境温度干扰。该技术成功实现了在复杂海洋环境中对铜绿假单胞菌的高选择性识别与活菌检测。

2.结果与讨论

PCSSIF传感器的构建与优化：利用4D-LysM与铜绿假单胞菌特异性结合引发折射率变化的机制，结合SPR光谱表征和温度补偿测试，优化LysM修饰浓度100μg/mL、反应时间60min、PDMS补偿层厚度，实现了对目标菌的高灵敏度检测及温度双重感知。

图 1 传感器的响应特性：(a) 铜绿假单胞菌的测试光谱；(b) 灵敏度拟合图；(c) 未涂覆敏感材料的传感器测试光谱图；(d) 大肠杆菌测量结果；(e) 不同细菌浓度下进行的响应时间测试；（f）在OD=0.3时的稳定性测试，细菌浓度为（在30分钟内每2分钟记录一次稳定性谱）；（g）选择性测试所得图表；（h）不同pH值下波长的波动情况（pH测量范围为7.5至8.5，每隔0.2进行一次测量）；（i）抗HS干扰能力的实验结果（1代表首次加入5 mL HS后的稳定光谱，2代表第二次加入5 mL HS后的稳定光谱，3代表第三次加入5 mL HS后的稳定光谱）。

SPR传感器的灵敏度与特异性验证：利用4D-LysM与铜绿假单胞菌特异性结合引起共振波长偏移的机制，结合动态光谱分析和竞争结合实验，测得传感器灵敏度达13.05 nm/OD，实现了对目标菌的高选择性识别及活性状态区分。

图 2 实际样品测试结果示意图：(a) 培养三天和七天的样品示意图（培养环境为酵母培养基和2216E培养基）；(b) 低温保存20天后的样品示意图；(c) 过滤海水采集示意图；（d）不同样品的波长响应。

温度补偿机制与抗干扰性能验证：利用PDMS层对环境温度变化的响应特性，结合双通道差分检测方法，有效补偿了海洋环境中温度波动引起的信号漂移，在5–45°C范围内将温度干扰降低至±0.5 nm以内，显著提升了传感器在复杂海洋条件下的检测稳定性与抗干扰能力。

图 3 温度补偿测试结果：（a）温度测试的双SPR光谱；（b）SPR与SPR的温度测试灵敏度；（c）OD值为0.1时，铜绿假单胞菌样品溶液的测试光谱图；(d)检测波长变化过程；(e) 升温与降温测试光谱；(f) 温度补偿前后波长变化结果。

3.总结

该研究成功构建了一种基于4D-LysM功能化的光纤SPR传感器，其最大的优势在于实现了对铜绿假单胞菌的高灵敏度、高选择性及活菌特异性检测。通过引入PDMS温度补偿层，有效克服了海洋环境中温度波动带来的信号干扰，显著提升了检测的稳定性。相较于传统检测方法，该传感器无需复杂样品前处理，响应迅速，且能够区分细菌的活性状态，为海洋微生物腐蚀的实时原位监测提供了高效、可靠的全新技术手段。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2026.175779