研究背景

铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）是革兰氏阴性机会性病原体，位列全球院内感染首位。铜绿假单胞菌会使免疫功能低下的个体严重感染，主要的症状包括脓毒症、获得性肺炎、呼吸机相关性肺炎、尿路感染、烧伤口感染等，其中其引发的肺炎、尿路感染及烧伤创面感染致死率高达18-61%。此外，由于铜绿假单胞菌广泛存在于自然和人工环境中，常见于湖泊、医院、食物和其他环境中，可以通过空气、水和土壤传播，构成公共卫生风险。因此，迫切需要快速、灵敏的铜绿假单胞菌检测方法，用于临床诊断、食品安全检测和环境监测。目前，基于特定形态特征和生化特征的平板计数方法仍然是铜绿假单胞菌检测的金标准。然而，这种方法耗时且缺乏特异性，限制了其实际应用。聚合酶链反应 （PCR） 和质谱等替代技术需要昂贵而复杂的仪器以及训练有素的人员。显然，传统方法已不再满足对铜绿假单胞菌快速、用户友好和灵敏检测日益增长的需求。在本研究中，采用 NPG 作为 LecB 的固定化载体，对玻碳电极 （GCE） 进行改性。LecB 异质性表达并用作靶向 α-D-甘露糖的生物识别元件。制造了一种新型阻抗电化学生物传感器，用于灵敏检测铜绿假单胞菌。阐述了 LecB/NPG/GCE 电化学生物传感器的构建和铜绿假单胞菌检测的原理。此外，还详细评价了构建的 LecB/NPG/GCE 电化学生物传感器的检测性能。

图1 铜绿假单胞菌生物膜结构及Psl多糖靶点

Psl多糖由D-甘露糖（黄色）、D-葡萄糖（绿色）、L-鼠李糖（紫色）构成重复单元，其中α-D-甘露糖（青色）是LecB的特异性结合位点

研究原理

1. 仿生识别元件——重组LecB凝集素

- 源自铜绿假单胞菌自身分泌的蛋白质，特异性靶向细胞表面Psl多糖中的α-D-甘露糖

- 分子对接证实：其结合口袋通过Ser23/Asp99/Asp101形成氢键网络，钙离子介导强亲和（结合能＜0）（图1C-D）

2. 信号放大平台——纳米多孔金（NPG）

通过脱合金法制备三维海绵状结构（孔径50-100nm），比表面积达120 m²/g；具有高导电性（电子迁移率↑300%）、超负载能力（结合位点密度↑10倍）、生物相容性优异（图4A）等优点。

3、传感器构建流程

图2 LecB/NPG/GCE传感器构建及检测原理

细菌结合后形成绝缘复合物，增大电荷转移电阻（Rct），通过电化学阻抗谱（EIS）实现定量

研究结果

1. 灵敏度与检测速度

- 线性范围：10-10⁶ CFU/mL（覆盖临床感染全周期）

- 检测限：10 CFU/mL（比电化学发光法提升15倍）

- 响应时间：30分钟（比PCR缩短96%）

图3 阻抗信号与细菌浓度的线性关系

Rct与对数浓度呈正比（R²=0.994），低浓度区信号清晰无漂移

2. 真实样本验证可靠性

3. 抗干扰能力突出

即使存在10³ CFU/mL的竞争菌（如金黄色葡萄球菌、李斯特菌），信号偏差＜6%（图3E），源于LecB对α-D-甘露糖的绝对特异性。

效果及展望

该设备在临床急诊、食品安全管控、环境监测等领域有极强的应用意义：例如，可以将脓毒症患者血清检测提速至30分钟，助力抗生素精准用药；也可用于生鲜奶制品现场快检，阻断食源性疾病传播；再比如可用于自来水系统实时监控，预警供水污染。

在后续可以开发适配的便携设备，并且将该设备的核心原件替换掉可以用于其他病原体的检测，比如沙门氏菌等。并且结合AI算法可以实现云端病原体大数据分析。这项研究突破了病原体快检技术的瓶颈，将纳米工程与分子仿生完美融合。LecB/NPG传感器不仅是工具创新，更为感染性疾病防控提供了新范式。

图4：LecB/NPG复合物扫描电镜图

NPG多孔结构（左） vs. LecB修饰后孔道覆盖（右），荧光标记证实蛋白均匀分布

 原文链接：https://doi.org/10.1016/j.bios.2025.117788