Biosensors and Bioelectronics：电磁驱动磁珠链联用双适配体微流控芯片，30分钟检出沙门氏菌低至2 CFU/mL

鼠伤寒沙门氏菌污染是食品安全监测中的重要风险之一，可通过食品生产、流通和餐饮环节进入人群。传统PCR、ELISA和培养法虽然已经广泛使用，但往往依赖实验室设备、复杂操作和较长检测周期，难以满足现场、快速、低丰度筛查需求。本研究提出一种集成式微流控荧光生物传感器，目标是把细菌分离、特异识别、荧光标记和信号读取整合到同一平台中，实现“样品进、结果出”的鼠伤寒沙门氏菌检测。

该平台的思路可以概括为三步：首先，适配体修饰磁珠在分离通道中受高强度梯度磁场作用，形成高密度磁珠链；随后，含目标菌的样品连续流过通道，鼠伤寒沙门氏菌被磁珠链特异捕获；最后，适配体功能化荧光标签进入通道，与已捕获的细菌形成“磁珠-细菌-荧光标签”复合物，并被转移到检测区进行定量。荧光信号由定制手机系统转化为RGB中的绿色通道数值，用于建立浓度读数。

从检测流程看，本研究并不是单纯把磁珠、适配体和手机拍照并列组合，而是围绕连续流样品处理重新设计了捕获界面。磁珠在通道内形成固定链状结构后，相当于把分散捕获材料转化为可被样品反复冲刷的三维反应区；目标菌流经该区域时被第一条适配体识别并滞留，随后第二条适配体携带荧光标签完成夹心标记。这种结构既保留了磁分离对复杂样品的富集优势，也避免了离线分离、转移和人工读数带来的时间损失。

图1. 用于检测鼠伤寒沙门氏菌的生物传感器示意图。（A）生物传感器原理；（B）微流控芯片设计；（C）实时荧光检测系统示意图。

这一设计的关键突破在于用电磁驱动替代传统固定磁场。永久磁体虽然稳定，但磁场强度和方向难以灵活调节，容易造成磁珠排列不均，影响分离效率。本研究在分离通道上下布置电磁铁，通过上下电压差形成可控梯度磁场。模拟和实验结果显示，上下电压过于接近时磁场梯度不足，磁珠链难以形成；电压差过大时磁珠链又会失稳断裂。最终选择上方9 V、下方3 V作为电磁驱动参数，在通道中形成稳定、致密的磁珠链，为连续流捕获细菌提供了基础。

图2. 电磁驱动模块的模拟分析和实验结果。（A）不同电压差下磁场强度分析；（B）过高电压差下磁珠运动轨迹分析（上方12 V、下方3 V）；（C）电磁驱动模块的磁场强度；（D）磁珠运动轨迹分析（上方9 V、下方3 V）；（E）通道内磁珠链的显微图像。

传感器还配套了实时荧光定量系统，包括492 nm激发光源、激发与发射滤光片、3D打印检测盒以及搭载定制安卓应用的手机。应用程序可框选感兴趣区域，调整曝光、焦距、采集间隔等参数，并自动计算绿色通道平均强度。检测过程中，系统每30秒进行一次荧光分析，每次持续30秒，结果可在界面中显示并导出原始绿色通道数据。这种手机读数方式使微流控检测更接近便携化和现场化。

为了提高捕获与标记效率，本研究系统优化了磁珠用量、电磁铁长度、磁珠粒径、样品流速和荧光标签流速。磁珠用量从500 μg增加到1000 μg会延长磁珠链，但过量磁珠可能堵塞通道并增加成本；40 mm和50 mm电磁铁能增强磁场和链长，却带来能耗和器件尺寸负担。综合链形成质量、经济性和操作便利性后，研究选择30 mm电磁铁和500 μg磁珠。磁珠粒径方面，1000 nm磁珠的分离效率达到77%，高于200 nm的51%和500 nm的58%，原因是固定成链后较大磁珠形成更高的链结构，更容易与流动细菌接触。样品流速最终确定为6 mL/h，既维持磁珠链完整性，也兼顾检测时间；荧光标签流速则选择3 mL/h，以保证充分结合。

图3. 生物传感器参数优化。统计显著性采用单因素方差分析确定。（A）适配体修饰磁珠用量优化（N = 3），“ns”表示无显著差异；（B）电磁铁长度优化（N = 3），****p < 0.0001；（C）磁珠粒径优化（N = 3），**p < 0.01，****p < 0.0001；（D）细菌流速优化（N = 3）；（E，F）适配体功能化荧光标签流速优化（N = 3）。

在纯培养检测中，随着鼠伤寒沙门氏菌浓度从1.2 × 10^1升至1.2 × 10^6 CFU/mL，绿色通道强度从162.1升至265.6。传感器信号与细菌浓度对数之间呈良好线性关系，拟合方程为S = 20.683 × log(C) + 144.63，R²为0.9951；按空白样本绿色通道值标准偏差和校准曲线斜率计算，检测限为2 CFU/mL。整个检测流程可在30分钟内完成，说明该平台兼具快速性和超灵敏检测能力。

选择性方面，本研究使用李斯特菌、蜡样芽孢杆菌、大肠杆菌O157:H7和副溶血性弧菌作为非靶标菌，并设置鼠伤寒沙门氏菌与这些非靶标菌的混合样品。结果显示，目标菌及混合样品产生的绿色通道强度显著高于非靶标菌，说明双适配体识别可有效降低非特异干扰。与已有方法相比，该系统的优势来自三个环节的叠加：电磁场控制形成高密度磁珠链，提高目标菌分离效率；适配体荧光标记放大生物信号；手机应用完成实时荧光定量。

图4. 微流控生物传感器性能。（A）生物传感器对鼠伤寒沙门氏菌的检测（N = 3），校准曲线使用1.2 × 10^1至1.2 × 10^6 CFU/mL范围内的6个浓度点构建；（B）生物传感器校准曲线（N = 3）；（C）生物传感器特异性（N = 3），统计显著性采用单因素方差分析确定；（D）牛奶样品中鼠伤寒沙门氏菌的回收率。CFU，菌落形成单位。

真实样品验证选择加标牛奶。传感器在12、120和1200 CFU/mL加标水平下的测得浓度分别为14、125和1000 CFU/mL，对应回收率为116.7%、104.2%和83.3%，相对标准偏差分别为7.44%、6.25%和5.99%，均低于7.5%。其中最低浓度下回收率偏高，可能与牛奶中蛋白质、脂肪和碳水化合物对适配体结合的基质影响有关。总体来看，本研究证明了电磁驱动磁珠链、双适配体夹心识别和手机荧光读数的组合，可在较短时间内完成鼠伤寒沙门氏菌的高灵敏检测，并具备进入乳制品等真实食品样品的潜力。后续仍需补充激光安全设计、适配体结合动力学和更多食品基质验证，以进一步提升现场应用的稳健性。

论文来源：https://doi.org/10.1016/j.bios.2026.118422