Sensors and Actuators B: Chemical：膜微滤耦合磁分离微流控芯片，实现沙门菌40分钟快速检测

食源性致病菌的快速筛查一直面临一个现实难题：样品基质复杂、目标菌浓度低，而传统检测往往需要较长富集或额外标记步骤。对于沙门菌这类高关注度病原体来说，如果既要提高灵敏度，又要缩短检测流程，就必须在分离纯化、信号放大和结果读取三个环节同时优化。本研究正是围绕这一瓶颈展开，尝试把磁分离、膜过滤、微流控芯片和手机定量读数整合到同一平台中，以减少游离纳米探针带来的背景噪声，并把复杂操作压缩到一条连续流程中。

本研究采用铂纳米颗粒修饰免疫磁珠作为双功能探针，使其既负责特异性捕获沙门菌，又承担后续比色信号放大任务。研究者注意到，未结合的游离磁珠会与标记细菌共存，从而抬高背景并削弱灵敏度，因此先利用核径迹膜对探针进行预筛选，再在芯片中借助同类膜结构进一步去除游离探针。按照图1所示流程，样品与免疫探针首先在芯片内混合并孵育，随后经磁场分离获得磁性细菌，再通过膜微滤把未结合的探针洗脱，最后利用铂纳米颗粒的类过氧化物酶活性催化TMB显色，并通过手机应用读取饱和度信号，实现从进样到结果输出的一体化检测。

图1. 该比色生物传感器示意图。（a）微流控芯片；（b）细菌检测流程：步骤1，将细菌与PMNs混合；步骤2，将磁性细菌从样品背景中分离；步骤3，从磁性细菌中去除游离PMNs；步骤4，通过比色检测测定磁性细菌。

结果表明，去噪设计对灵敏度提升至关重要。预筛选前，PMNs平均粒径为241.8±85.7 nm，粒径分布半高宽为201.8 nm；经核径迹膜筛选后，平均粒径降至185.8±52 nm，半高宽缩窄至122.5 nm，说明大颗粒探针被有效剔除，体系均一性明显提高。与原始探针相比，筛选后探针的阴性背景信号降低了34.7%。按3σ原则估算，仅从“筛选探针+膜过滤去除游离探针”这一改进出发，检测限就可由约367 CFU/mL降至约30 CFU/mL，灵敏度提升接近10倍。这一点说明，本研究的关键价值不只是引入了微流控芯片，而是通过尺寸筛选和膜过滤真正解决了自由探针残留造成的假阳性和高背景问题。

芯片内部的混合与捕获效率同样经过了针对性优化。研究者采用带有人字形结构的被动微混合器来促进样品与免疫探针接触，并通过仿真和实验共同评估其效果。结果显示，该混合器在较短流动距离内即可实现更高混合效率：流动至38 mm处时，混合效率已达到97%，而普通蛇形通道在60 mm位置时也仅为87%。在实际细菌捕获实验中，孵育5 min时捕获效率仅为52%，延长至20 min后提升至91%，继续增加到40 min则不再显著改善，因此20 min被确定为适宜的结合时间。与此同时，双磁铁形成的磁场平均强度达到0.69 T、梯度达1182 T/m，均高于单磁铁设计；当流速降至25 μL/min或更低时，超过90%的目标细菌可被有效捕获，为后续过滤和显色提供了稳定前提。

图2. 微流控芯片中被动微混合器的性能。（a）微混合器与常规通道的仿真结果，以及用于分析的横截面位置；（b）不同孵育时间（5-40 min）下的目标菌捕获效率比较；（c）红蓝染料在微混合器中的混合图像；（d）微混合器与常规通道在不同横截面处的混合效率比较。

 在优化条件下，这一平台对沙门菌表现出较好的定量能力。针对4.7×10^1-4.7×10^5 CFU/mL范围内的目标菌，芯片输出的显色饱和度与菌浓度之间呈良好线性关系，拟合方程为S=0.039×lg(C)+0.021，相关系数R²=0.992。背景信号为0.073±0.001，据此计算得到的检测限为23 CFU/mL。整个检测流程可在40 min内完成，兼顾了灵敏度与速度。为了适应现场应用，本研究还引入了手机图像采集与自研应用分析，并增加3D打印暗箱以统一拍摄距离和环境光条件。不同品牌手机在标准模式下获取的结果相对误差低于1%，而手机饱和度读数与商业酶标仪吸光度之间也保持良好相关性，R²达到0.987，说明这一路径不仅便携，而且具备较可靠的定量潜力。

选择性和真实样品验证进一步说明了该平台的实用价值。如图5所示，在10^5 CFU/mL水平下，沙门菌及其混合样品的饱和度分别达到0.22和0.24，明显高于非靶菌和PBS阴性对照；其中李斯特菌、大肠杆菌O157:H7、副溶血弧菌和金黄色葡萄球菌的信号分别仅为0.078、0.089、0.100和0.082，说明抗体修饰探针能够提供较好的目标识别能力。在真实样品中，本研究选择鸡肉上清液、椰子水和卷心菜提取液作为代表性复杂基质，在10^2-10^5 CFU/mL加标范围内，回收率为89.1%-110.2%，三次平行实验的RSD均低于8.0%。研究还特别指出，若不先进行磁分离，食品基质中的大颗粒和黏性组分可能堵塞膜孔并滞留游离探针，造成明显假阳性；而在磁分离与膜过滤联用后，这类背景干扰可被有效压低到检测阈值以下。

图3. 传感器性能评估。（a）传感器校准模型，背景线表示背景信号的平均值±标准差；（b）传感器特异性测试，以沙门菌为目标菌，以李斯特菌、大肠杆菌、副溶血弧菌和金黄色葡萄球菌为非目标菌。

总体来看，本研究提出的微流控比色生物传感平台并不是简单把几种模块拼接在一起，而是围绕“如何在复杂基质中降低背景并保留高灵敏读数”这个核心问题进行了系统设计。通过预筛选PMNs、被动微混合、增强磁场捕获、核径迹膜微滤以及手机读数协同配合，该体系把沙门菌检测限推进到23 CFU/mL，并把总检测时间控制在40 min内。对于食源性致病菌的现场筛查而言，这种“样品进入后连续完成分离、净化、显色和判读”的芯片化方案，已经显示出较强的应用潜力，也为后续拓展到其他食品病原菌检测提供了可复用的技术框架。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.snb.2026.140349