在食品安全和公共衛(wèi)生領(lǐng)域，大腸桿菌 O157:H7一直是令人擔(dān)憂的存在。它能引發(fā)從腹瀉到出血性結(jié)腸炎、溶血性尿毒癥綜合征等多種疾病，嚴(yán)重時可導(dǎo)致腎衰竭甚至死亡。據(jù)統(tǒng)計，美國每年約有63000例出血性結(jié)腸炎病例由它引起。目前的檢測方法，如基于培養(yǎng)的分析、聚合酶鏈反應(yīng)（PCR）等，存在耗時久、成本高、操作復(fù)雜等問題，難以滿足快速現(xiàn)場檢測的需求。近期，一項(xiàng)突破性的研究成果為解決這一難題帶來了新希望。
創(chuàng)新材料：化學(xué)修飾三聚氰胺泡沫
研究團(tuán)隊開發(fā)的新型比色生物傳感器，關(guān)鍵在于使用了化學(xué)修飾的三聚氰胺泡沫（MF）。與傳統(tǒng)的96孔板、纖維基膜等檢測平臺不同，MF具有大孔網(wǎng)狀三維（3D）框架結(jié)構(gòu)。這種獨(dú)特結(jié)構(gòu)就像一個暢通無阻的“通道”，允許大生物分子和細(xì)菌細(xì)胞自由地在各個方向穿梭，使框架結(jié)構(gòu)的所有活性結(jié)合位點(diǎn)都能與目標(biāo)細(xì)菌充分接觸。在檢測過程中，細(xì)菌可以輕松地在MF的大孔結(jié)構(gòu)中擴(kuò)散，大大提高了檢測的靈敏度和對全細(xì)胞細(xì)菌的體積響應(yīng)性檢測能力。
圖1 泡沫基夾心酶聯(lián)免疫吸附試驗(yàn)（f-ELISA）的制備和使用示意圖。(a)固定抗體和捕獲細(xì)菌。(b)添加酶標(biāo)二抗和酶促底物TMB生成顏色信號，并通過智能手機(jī)獲取圖像。
卓越性能：快速、靈敏且體積響應(yīng)
該生物傳感平臺的檢測速度令人驚嘆，完成定量檢測只需不到1.5小時。其靈敏度也十分出色，肉眼可辨別的檢測限為10 cfu/mL，借助智能手機(jī)，檢測限能進(jìn)一步提高到5 cfu/mL。如果對樣本進(jìn)行1小時的短暫富集，檢測限甚至可低至2 cfu/mL。而且，該傳感器的靈敏度會隨著樣本體積的增加而提高。研究人員通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)樣本體積從100 μL增加到2 mL時，檢測靈敏度顯著提升。這一特性使得它非常適合檢測大量液體樣本，像牛奶、飲用水、農(nóng)業(yè)用水等。
表1 用于檢測大腸桿菌O157:H7的光學(xué)生物傳感器的比較
精準(zhǔn)檢測：高特異性和選擇性
在特異性和選擇性方面，該生物傳感器表現(xiàn)卓越。研究人員進(jìn)行了一系列對照實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，只有大腸桿菌O157:H7能產(chǎn)生明顯的比色信號，其他細(xì)菌，如熒光假單胞菌、無害李斯特菌、單核細(xì)胞增生李斯特菌、腸炎沙門氏菌和大腸桿菌BL21等，均無明顯反應(yīng)。這意味著在實(shí)際檢測中，即使樣本中存在其他細(xì)菌，該傳感器也能精準(zhǔn)地檢測出大腸桿菌O157:H7，有效避免了誤判。
圖2 f-ELISA在檢測大腸桿菌O157:H7時相較于其他菌株（包括熒光假單胞菌、無害李斯特菌、單核細(xì)胞增生李斯特菌、腸炎沙門氏菌和大腸桿菌BL21）的選擇性。本實(shí)驗(yàn)中使用的每種菌株濃度均為105 cfu/mL。數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示，基于3次獨(dú)立實(shí)驗(yàn)。***表示P < 0.001（雙尾t檢驗(yàn)）。
實(shí)際應(yīng)用：可靠檢測復(fù)雜樣本
為了驗(yàn)證傳感器在實(shí)際場景中的有效性，研究人員對人工污染的牛奶樣本和農(nóng)業(yè)用水進(jìn)行了檢測。在農(nóng)業(yè)用水檢測中，MF膜被安裝在注射器針頭袋中，5 mL樣本溶液以10 mL/h的流速通過。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)樣本中大腸桿菌O157:H7濃度為10 cfu/mL時，就能被成功檢測出來。對于未經(jīng)滅菌的農(nóng)業(yè)用水，該傳感器也能準(zhǔn)確檢測，且檢測結(jié)果與后續(xù)的培養(yǎng)板檢測結(jié)果相符，這充分證明了其在復(fù)雜樣本檢測中的可靠性和準(zhǔn)確性。
圖3 (a)該示意圖展示了在農(nóng)業(yè)用水中檢測大腸桿菌O157:H7的過程，照片展示了由注射泵操作的快速流動裝置。(b)加標(biāo)樣品、經(jīng)過滅菌處理的農(nóng)業(yè)用水和未經(jīng)滅菌處理的農(nóng)業(yè)用水中，不同濃度大腸桿菌O157:H7處理后的膜的光學(xué)圖像和ΔRGB值。(c)暴露于滅菌和未滅菌農(nóng)業(yè)用水后的細(xì)菌培養(yǎng)平板全圖。數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示，基于3次獨(dú)立實(shí)驗(yàn)。
前景展望：開啟細(xì)菌檢測新篇章
這種基于MF的泡沫酶聯(lián)免疫吸附測定（f - ELISA）生物傳感器，憑借其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的性能，為現(xiàn)場快速超靈敏檢測大腸桿菌O157:H7提供了創(chuàng)新解決方案。它不僅檢測速度快、靈敏度高、特異性強(qiáng)，還能適應(yīng)不同體積的樣本檢測。未來，以大腸桿菌O157:H7檢測為基礎(chǔ)，該技術(shù)有望進(jìn)一步拓展應(yīng)用范圍，用于檢測其他病原菌和污染物，為保障食品安全和公共衛(wèi)生提供更有力的技術(shù)支持。
參考文獻(xiàn)：Pan B, El-Moghazy A Y, Norwood M, et al. Rapid and Ultrasensitive Colorimetric Biosensors for Onsite Detection of Escherichia coli O157: H7 in Fluids[J]. ACS sensors, 2024, 9(2): 912-922.
來源：微生物安全與健康網(wǎng)，作者~蔡偉程。
