食源性细菌病原体多重纳米颗粒生物传感：分析设计、器件转化与真实场景验证

1.引言

食源性致病菌很少是单独出现，一批受污染的食品里，往往会出现很多种病原菌。传统培养法和PCR检测技术的优点是十分准确，但缺点也很明显，动辄数小时甚至数天的等待、繁琐的操作流程、还有离不开的实验室设备，让传统培养法和PCR检测技术跟不上食品检测的数量和时间。

多重检测的难处在于怎么在复杂的食物中识别到多个细菌。在牛奶、肉汁、果蔬提取液这些复杂基质里，同时存在多种误判检测结果。比如有非特异性结合、信号串扰、靶标之间的竞争等等。每一个都会给多重检测技术带来不小的麻烦。这些误判检测结果就对识别元件的特异性、信号编码的清晰度，还有样品前处理方式，都提出了更高的要求。

纳米颗粒用在多重检测技术上就是不错的选择。纳米颗粒的优点有比表面积大、光学和电学性质可调、表面功能化灵活等。不仅可以让纳米颗粒能放大识别信号和给靶标做出特异性标记，还可以靠磁性把目标菌从十分复杂的基质里筛出来。这篇文章沿着"靶标数量扩展→多模态信号整合→器件化与实际验证"这条主线，分析了从双病原体到多重生物传感系统的设计思路，讨论了这些技术在现实中的食品检测和商业转化中还存在一定的不足和改进之处。

2.结果与讨论

纳米颗粒多重生物传感的总体框架：该框架表明多重检测能力并不只与材料种类相关，而是由识别、编码、富集、读出和器件集成共同形成。多重生物传感器检测体系的核心是纳米颗粒平台，包含了金、银、磁性、量子点、上转换、金属有机框架及纳米酶等材料；中间层有荧光、SERS、电化学、光热、比色、核酸和传感阵列等方式完成信号转换；外层则包含一些复杂的食物基质，比如肉蛋奶、海产品、果蔬、加工食品及水环境等。

图 1 纳米颗粒生物传感用于食源性细菌病原体检测的总体框架。圆形结构由内向外依次展示纳米颗粒平台、主要生物传感模式及食品安全监测场景，体现检测体系由单一目标向多重、多模态和现场应用发展的整体关系。

磁性富集结合SERS编码的双病原体检测：磁性-等离子体复合颗粒可在同一流程中完成病原菌捕获、基质分离和拉曼编码。代表性Mag@Au-SERS侧向层析体系分别构建针对鼠伤寒沙门氏菌和金黄色葡萄球菌的标签，经磁性富集后在试纸条上形成独立检测线，并利用特征拉曼峰完成定量分析。该体系在牛奶、肉提取物和蛋提取物中保持稳定信号，说明磁分离能够减少蛋白质和脂质等基质成分对多重检测的干扰。

图 2 基于Mag@Au的SERS免疫层析检测流程。(a) Mag@Au及Mag@Au-DTNB磁性纳米颗粒的制备；(b) 构建鼠伤寒沙门氏菌和金黄色葡萄球菌特异性标签；(c) 制备抗体偶联物；(d) 对两种病原菌进行磁性捕获和富集；(e) 在双检测线试纸条上产生SERS信号；(f-g) 比较PBS、牛奶、肉提取物和蛋提取物中的磁分离与拉曼响应；(h-i) 展示肉和蛋基质中的双病原体检测结果。

纳米颗粒在多重检测中的四类核心功能：不同多重传感平台虽然材料和读出方式各异，但其作用可归纳为四类：放大微弱识别信号；利用光谱、时间或化学特征区分不同靶标；通过磁性或多孔结构捕获并富集病原菌；通过抗污染涂层、定向固定和多功能界面提高选择性并降低非特异性作用。四类功能可在同一纳米结构中组合，从而支持荧光、SERS、电化学、比色和光热等多种读出方式。

图 3 纳米颗粒在多重生物传感中的核心功能，包括信号放大、编码式靶标区分、靶标捕获与富集以及界面工程和系统集成。图中同时列出了金纳米颗粒、多孔二氧化硅、纳米酶、上转换颗粒、SERS标签、量子点和磁性颗粒等代表性材料。

荧光-比色双模式侧向层析检测：在同一试纸条中，将可视比色信号与高灵敏度荧光信号整合，可以同时快速肉眼筛查和低浓度定量。PQD/MSN@Os探针以介孔二氧化硅负载钙钛矿量子点，并在表面固定锇纳米酶和抗体；目标菌被捕获后，一条检测线同时产生荧光和纳米酶催化比色信号。该平台用于橙汁和牛奶中的鼠伤寒沙门氏菌检测时，两类信号均随菌浓度变化，食品样品中的检测限达到10³-10⁴ CFU/mL，并可通过双信号互相验证降低误判概率。

图 4 基于PQD/MSN@Os探针的荧光-比色双模式侧向层析免疫分析。(a) PQD/MSN@Os-pAb探针的逐步制备；(b) 荧光模式和纳米酶催化比色模式的工作原理；(c-d) 在橙汁和牛奶样品中检测鼠伤寒沙门氏菌时，荧光强度和检测线比色信号随细菌浓度变化。

电化学-光学双模式传感与细菌活性判别：图中Ru-MOF信号单元在电极表面组装后同步产生差分脉冲伏安和电化学发光信号；ZIF-8(Fc)-噬菌体标签先通过阻抗信号测定总大肠杆菌，再利用二茂铁释放产生的伏安信号区分活菌与死菌。电化学信号的优点是灵敏和快速。光学或电化学信号十分直观，两者来自同一识别事件时可实现独立交叉验证，提高了可靠性。

图 5 电化学-光学双模式生物传感实例。(a) 基于导电Ru-MOF信号单元的法拉第笼型适配体传感器，通过目标诱导组装同步产生DPV和ECL信号；(b) ZIF-8(Fc)-噬菌体信号标签的制备及检测流程，先用电化学阻抗分析总大肠杆菌，再通过DPV信号对活菌和死菌进行区分。

比色-光热双模式侧向层析与现场器件化：聚多巴胺包覆碳微球具有深色可视信号和近红外光热转换能力，可以用肉眼判断阳性。阳性样品在形成颜色后，经近红外光照射产生可测温升，提高较低信号的识别性。

图 6 基于CMS@PDA的比色与光热双模式侧向层析检测。上部为传统比色模式，阳性样品在检测线产生可见颜色；下部为光热模式，检测线在808 nm近红外照射下产生温度信号，并由便携式热成像设备完成定量读取。

3.总结

目前，纳米颗粒多重生物传感已经解决了同时测两种菌的问题，正在朝多信号识别、多模态读出和便携器件进步。荧光和SERS可以做高密度编码。磁性颗粒可以在复杂基质里分离目标。电化学、比色和光热的优点是检测速率快、检测成本低、适合现场操作。双模式设计可以用两路独立的信号交叉确认，把误判概率降低。

这个领域未来还有几个困难点。第一是在统一的食品基质和评价指标下做多实验室的交叉验证。第二是引入机器学习来解码复杂的多重信号。第三是把样品处理自动化，减少人工操作带来的误差，让非专业人员也能上手。第四是建立可重复的纳米材料制备和器件制造流程。早日解决如上问题，多重病原体检测才能使用在日常中。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.trac.2026.118921