新型一体化生物传感器实现空气传播细菌全自动快速检测

空气传播细菌形成的生物气溶胶，是威胁全球公共卫生的重大隐患，结核分枝杆菌、嗜肺军团菌等致病菌可通过气溶胶扩散传播，极易引发群体性感染，过往布鲁氏菌气溶胶泄漏事件也印证了生物气溶胶监测的必要性。当前传统生物气溶胶采样与检测设备集成度低、操作繁琐，培养法、PCR 等检测手段依赖专业实验室且耗时较长，常规比色传感器还需配套大型读数仪器，难以满足现场快速筛查需求。为此，国内科研团队研发出 3D 打印一体化比色生物传感器，实现了空气传播细菌的全自动快速检测。

该设备以湿式旋风结构为核心，集生物气溶胶收集、免疫反应功能于一体，搭配磁分离模块与便携式读数仪，整套系统由微控制器自动化操控，大幅降低人工操作与样本交叉污染风险。检测流程简洁高效：设备先以 12 L/min 流速将空气中的细菌收集至缓冲液中，再通入免疫磁性纳米颗粒与钯铂纳米酶，调整气流至 5 L/min，借助旋流完成试剂与细菌的充分混合，形成稳定的复合物。经过在线磁分离处理后，显色底物在纳米酶催化下发生颜色变化，最终由自研微型读数仪完成定量检测。

图 1：空气传播细菌检测的 3D 打印一体化旋风收集 / 反应器比色生物传感器原理与流程示意图。

研究团队以鼠伤寒沙门氏菌为模型开展性能测试，结果表现亮眼。该平台全检测流程仅需 2 小时，空气环境检出限达 459 CFU/m³，液相检出限低至 30 CFU/mL，线性检测范围覆盖 10²~10⁶ CFU/mL。自研便携式读数仪和商用台式酶标仪检测数据高度一致，线性相关系数 R² 达 0.9911，检测结果精准可靠。特异性实验证实，设备对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌等杂菌无明显交叉反应，即便在混合菌样本中，也可精准识别目标细菌，抗干扰能力出色。

图 2：鲍曼不动杆菌非耐药株与异质性耐药株在阿米卡星作用下的液滴图像及纹理参数变化对比图

相较于传统技术，这款传感器优势显著。依托 3D 打印实现结构一体化，省去样本转移环节，简化实验流程；设备体积小巧、成本低廉，摆脱了大型仪器的限制，适配户外及现场检测场景。团队结合流体仿真与多次实验，优化气流流速、试剂用量、反应时长等参数，在保障细菌捕获效率的同时，减少液体损耗，提升系统运行稳定性。和传统培养法、实验室 qPCR 技术相比，该设备在检测速度、便携性与经济性上实现了均衡。

图 3：肺炎克雷伯菌非耐药株与异质性耐药株在阿米卡星作用下的液滴图像及纹理参数变化对比图。

该成果融合 3D 打印、纳米酶催化、免疫传感等前沿技术，为生物气溶胶检测开辟了新路径。设备可广泛应用于医院、公共场馆、养殖场地等场所的空气细菌常态化监测，助力传染病早期预警与公共卫生防疫。这项技术推动生物气溶胶检测设备向小型化、自动化方向发展，技术成熟后可快速落地应用，拥有广阔的市场与实用价值。

参考文献：Xu L, Xu Z, Wang L. A Dual-Function 3D-Printed Cyclonic Collector/Reactor-Integrated Colorimetric Biosensor for Automated Detection of Airborne Bacteria[J]. Analytical Chemistry, 2026.