纳米科技赋能：大肠杆菌检测迎来“极速时代”

大肠杆菌（Escherichia coli，简称E. coli）是一种广泛存在于人类和动物肠道中的革兰氏阴性杆菌。虽然许多菌株是无害的，但某些致病菌株可能导致严重的肠道感染、泌尿系统感染，甚至引发败血症等疾病。每年，全球有数百万人因感染致病性大肠杆菌而遭受胃肠道炎症的困扰。随着抗生素耐药菌株的增加，快速、准确地检测大肠杆菌变得愈发重要。

近日，伊朗德黑兰大学的科研团队在生物传感器领域取得重要突破，他们成功开发出一种基于低共熔溶剂、氧化石墨烯和金纳米粒子的场效应晶体管（DES/GO/AuNPs-FET）纳米生物传感器，能够快速、灵敏且精准地检测大肠杆菌，相关研究成果发表于知名期刊《Talanta》。

研究结果

当前，传统的大肠杆菌检测方法，如样本培养、生化测试、免疫测试和基因分析等，普遍存在检测流程繁琐、耗时长的问题，通常需要24-72小时才能得出结果。而且，这些方法往往依赖专业的设备和经过严格培训的技术人员，检测成本居高不下，在资源相对匮乏的地区难以推广应用。此外，随着大肠杆菌耐药菌株的日益增多，以及感染症状的相似性，准确且快速地诊断大肠杆菌感染变得愈发困难。

图 1 DES/GO复合材料合成示意图

 针对这些难题，德黑兰大学的研究团队研发出了DES/GO/AuNPs-FET纳米生物传感器（图1，2）。这种传感器的工作原理基于其独特的结构设计：低共熔溶剂（DES）由乙二醇和氯化胆碱混合而成，它不仅能够优化氧化石墨烯（GO）的电学性能，还能通过自组装的方式形成金纳米粒子（AuNPs），这一系列过程极大地提升了传感器的整体性能。同时，传感器表面固定有大肠杆菌脂多糖适配体，当传感器接触到大肠杆菌时，适配体能够特异性地识别并捕获大肠杆菌，进而引起适配体的构象发生变化。这种变化会进一步影响场效应晶体管中的载流子流动，最终通过检测电流变化实现对大肠杆菌的精准检测。

图 2 DES/GO/AuNPs场效应晶体管的制备及应用示意图

 如图2展示了DES/GO/AuNPs场效应晶体管的制备、单链DNA适配体在DES/GO/AuNPs上的固定，以及DES/GO/AuNPs场效应晶体管的传感性能。

从实验数据来看，该纳米生物传感器展现出了卓越的检测性能。它的检测限低至3 CFU/ml，在3-3×10⁶ CFU/ml的浓度范围内呈现出良好的线性关系。通过计算得出的亲和力常数（Kd）为6 CFU/ml，这表明适配体与大肠杆菌之间具有很强的亲和力。

图 3 DES/GO/AuNPs场效应晶体管（FET）对不同浓度大肠杆菌的实时检测

在检测速度方面，传统的金标准检测方法——在血琼脂培养基中培养样本，至少需要10小时才能完成检测；而PCR检测方法也需要至少4小时，且其检测限为10³ CFU/ml。与之相比，DES/GO/AuNPs-FET纳米生物传感器实现了快速检测，能够在短时间内得出结果。

在实际样本检测中，研究人员使用人血清作为样本进行测试，该传感器能够在复杂的样本环境中准确地检测出大肠杆菌，并且不受其他细菌的干扰，展现出了极高的选择性。

在稳定性和重复性方面，该传感器在4°C的环境下保存4周后，依然能够保持良好的性能，对大肠杆菌做出有效响应。通过特定的处理方式，该传感器还具备一定的可重复性，最多可重复使用5次。

图 4 DES/GO/AuNPs FET的表征

科研团队还对传感器进行了全面的表征分析。利用ATR-FTIR分析，研究人员确定了传感器表面的功能基团，证实了其成功修饰；通过FESEM（场发射扫描电子显微镜）和EDX（能量色散X射线光谱）分析，直观地观察到了DES/GO/AuNPs的微观结构以及适配体的固定情况。这些表征结果为传感器的性能提供了有力的理论支撑。

该研究开发的DES/GO/AuNPs-FET生物传感器为大肠杆菌的快速、灵敏检测提供了一种新的方法。其低检测限、高选择性和快速响应的特点使其在临床诊断、食品安全和环境监测等领域具有广阔的应用前景。此外，该传感器的制备过程简单、成本低廉，有望在未来实现大规模生产和应用。

这一成果也为即时检测（POC）设备的发展提供了有力支持，有望在临床诊断、食品安全检测等领域广泛应用，极大地降低现有诊断方法面临的挑战，助力快速、准确地检测大肠杆菌，保障公众健康。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.talanta.2024.127184