极性翻转光电化学传感：超分子二元策略精准识别金黄色葡萄球菌

一、设计原理：CB[7]封装TEPy，印迹捕获金葡菌触发光电流极性反转

该研究的核心原理在于利用葫芦[7]脲（CB[7]）与1,3,6,8‑四乙炔基芘（TEPy）的主客体相互作用调控光电信号，结合细菌印迹聚合物（BIP）实现金黄色葡萄球菌特异性识别与检测。当CB[7]空腔包裹TEPy的端炔基团后，会屏蔽端炔原有正电荷，改变复合物的电子转移路径，此时体系输出阳极光电流。细菌印迹聚合物以金黄色葡萄球菌为模板电聚合制备，洗脱模板后留下与目标菌尺寸、形貌匹配的特异性识别空腔。当样品中存在金黄色葡萄球菌时，印迹空腔特异性捕获靶细菌，细菌结合至TEPy@4CB[7]超分子复合物界面，再次改变界面电荷传输行为，促使光电流从阳极向阴极发生极性反转。区别于传统仅依靠信号强弱变化的检测方式，本方法以光电流极性翻转作为判据，而非简单信号增减，非特异性吸附无法引发极性切换，因此可有效抑制复杂基质带来的假阳性干扰。在最优实验条件下，该传感平台可实现金黄色葡萄球菌超灵敏定量检测，检出限低至2.76CFU/mL，同时拥有良好的抗干扰能力，可直接应用于饮料、乳制品、饮用水等真实食品样品的检测。

二、核心研究内容与结果

1.主客体调控光电流极性反转，以极性翻转从根源抑制假阳性

我们知道，传统光电化学传感器大多依靠光电流信号强弱变化完成结果判读，样品之间的非特异性吸附极易产生假阳性信号，并因此制约复杂食品基质中致病菌检测的准确度。因此在常规PEC检测中，杂质、杂菌的非特异性吸附会造成光电流升高或降低，易被误判为靶标存在，这是微生物检测长期存在的痛点。针对上述研究背景，本研究的首要核心创新为主客体调控光电流极性反转的二元传感策略，利用葫芦[7]脲（CB[7]）的疏水空腔封装TEPy形成的端炔基团，通过主客体相互作用屏蔽端炔活性位点，从而直接调控分子中的电子转移通路。由于TEPy@4CB[7]超分子复合物本身输出稳定的阳极光电流，当印迹空腔特异性结合金黄色葡萄球菌后，细菌会改变界面能级匹配关系，并重构光生载流子传输路径，最终促使光电流由阳极向阴极发生极性翻转。与传统看信号大小的检测逻辑不同，该体系把电流方向反转作为阳性判定依据，而非目标杂菌、杂质仅会造成光电流幅值波动，因此无法触发极性切换，从原理层面规避假阳性干扰。

2.超分子主客体体系与细菌印迹聚合物原位电聚合耦合，构建spi‑BIP‑PEC传感器

只拥有极性反转分子策略还不够，将TEPy@4CB[7]超分子直接作为聚合单体，并与之和细菌印迹技术结合，在电极上构建识别界面。细菌印迹提供特异性识别空腔，保证只有金葡菌才能结合到界面，才能触发上述极性反转。因此由上研究目的本研究选用TEPy与CB[7]形成的TEPy@4CB[7]超分子复合物直接作为功能单体，以金黄色葡萄球菌为模板分子，在玻碳电极表面通过循环伏安法完成电聚合，得到包埋目标细菌模板的细菌印迹聚合物薄膜。后续采用乙腈‑冰乙酸洗脱液去除电极上的细菌模板，便在聚合物内部生成与金黄色葡萄球菌尺寸、形貌、表面官能团高度匹配的三维印迹空腔。扫描电镜与原子力显微镜表征结果证实，洗脱后电极表面形成分布均匀、深度适宜的特异性识别孔洞，证明细菌印迹薄膜制备成功。

该耦合设计利用下面两种技术优势互补：首先超分子主客体体系提供光电流极性反转的信号输出能力，与此同时细菌印迹聚合物提供特异性识别空腔，由于只有金黄色葡萄球菌可以特异性结合到印迹位点，因此也只有金黄色葡萄球菌可以触发超分子复合物的极性切换响应，非特异性吸附的杂菌无法有效激活信号转变。这样便解决了单纯超分子体系选择性不足的缺陷，让极性反转传感策略可以在复杂基质中发挥作用。综上所述该传感器无需抗体等生物识别元件，稳定性优异，为食源性致病菌高特异性检测提供新的电极构建思路。

三、结论

本研究结合主客体超分子化学、细菌印迹技术来构建信号极性反转光电化学传感器，并用于金黄色葡萄球菌无假阳性检测。其核心技术原理在于借助葫芦[7]脲封装TEPy端炔基团来调控电子转移通路，并在此过程中以光电流极性翻转作为识别判据。在原理上从根本抑制由于样品间复杂基质的非特异性吸附而引发的假阳性结果。最后将TEPy@4CB[7]复合物作为功能单体制备细菌印迹聚合物，依靠印迹空腔实现靶标特异性捕获。该传感器具有极高的灵敏度和精确度，其检出限可达2.76CFU/mL，体系的选择性、重现性与储存稳定性相当良好，并在饮料、乳制品、饮用水等实际样品中具有理想的回收率。同时，本研究中的极性反转策略为微生物检测提供新范式，也非常有望拓展至肿瘤细胞及其他常见病原微生物的检测以及生物标志物等其他靶标的分析检测。

原文链接：https://doi.org/10.1021/acs.analchem.5c07450