水傳播疾病是全球性問題，每年導(dǎo)致超過220萬人死亡，并引發(fā)腹瀉、胃腸疾病和皮膚感染等多種健康問題。大腸桿菌和金黃色葡萄球菌是常見的水傳播病原菌，且具有較高的耐藥性，因此快速、靈敏地檢測這些細菌對于保障飲用水安全和公共衛(wèi)生至關(guān)重要。傳統(tǒng)的細菌檢測方法如聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)和酶聯(lián)免疫吸附試驗(ELISA)通常需要復(fù)雜的樣品前處理、專業(yè)人員操作以及長達2-4天的檢測時間，難以滿足快速檢測的需求。
近日，英國巴斯大學(xué)的研究團隊在Biosensors and Bioelectronics期刊上發(fā)表了題為 ：Aptamer-molecularly imprinted polymer sensors for the detection of bacteria in water論文。
研究團隊開發(fā)的電化學(xué)生物傳感器創(chuàng)新性地結(jié)合了分子印跡聚合物和適配體的優(yōu)勢。分子印跡聚合物成本低、選擇性高，但存在交叉選擇性等問題;適配體特異性強、化學(xué)穩(wěn)定性好，卻易在生物介質(zhì)中降解。二者結(jié)合形成的雙重識別系統(tǒng)，顯著提升了檢測性能。
圖 1：通過 QCM-D 技術(shù)展示了適配體在 QCM 芯片上固定及大腸桿菌、金黃色葡萄球菌分別與其特異性適配體結(jié)合過程中，石英晶體頻率和耗散的變化，以此證明適配體與細菌的結(jié)合情況及結(jié)合親和力。
在制備過程中，研究人員先使適配體與目標(biāo)細菌結(jié)合，再通過電化學(xué)聚合多巴胺在金電極表面形成聚合物膜，洗脫細菌后留下特異性識別空腔。檢測時，非 Faradaic 電化學(xué)阻抗譜(EIS)通過測量電極-電解質(zhì)界面電容變化來確定細菌濃度。
圖 2：以 Cole-Cole 圖呈現(xiàn) S. aureus 的 Apta-MIP 和 NIP 傳感器在制備過程各關(guān)鍵步驟(如適配體 - 細菌固定、多巴胺聚合、模板去除、細菌重結(jié)合)下電極電容的變化，輔助理解傳感器工作原理。
圖 3：利用 SEM 圖像依次展示 S. aureus Apta-MIP 傳感器在多巴胺聚合后、細菌去除后、細菌重結(jié)合后的微觀表面形態(tài)，直觀呈現(xiàn)傳感器結(jié)構(gòu)變化。
實驗結(jié)果顯示，Apta-MIP傳感器檢測大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的下限分別低至 2CFU/mL 和 4CFU/mL，動態(tài)范圍為 1CFU/mL 至108CFU/mL。與單獨使用適配體或分子印跡聚合物的傳感器相比，其靈敏度更高，如檢測108CFU/mL 的大腸桿菌時，Apta - MIP 傳感器電容變化比單一 MIP 傳感器高約 2 倍。該傳感器特異性良好，交叉檢測時電容變化小于3%。
圖 4：對比不同類型傳感器(Apta-MIP、MIP、aptasensor、NIP)檢測不同濃度大腸桿菌和金黃色葡萄球菌時的電容變化，評估 Apta-MIP 傳感器的靈敏度和特異性。
在實際水樣檢測中，傳感器在去離子水和加標(biāo)自來水中均表現(xiàn)出色。檢測大腸桿菌時，自來水中物質(zhì)雖有影響，但未阻礙檢測;檢測金黃色葡萄球菌時，在兩種水樣中的電容變化幾乎相同。該傳感器不僅能夠特異性檢測單一目標(biāo)細菌，還能在含有兩種細菌的混合樣品中實現(xiàn)多重檢測。實驗表明，即使在復(fù)雜的水樣中，傳感器仍能準(zhǔn)確識別并檢測目標(biāo)細菌，顯示出良好的抗干擾能力。這種雙重識別機制顯著提高了檢測的準(zhǔn)確性和可靠性。
圖 5：呈現(xiàn) Apta-MIP 傳感器檢測不同濃度大腸桿菌和金黃色葡萄球菌時，在去離子水和自來水中的電容變化情況，反映其在實際水樣中的檢測性能。
總結(jié)：這種新型傳感器檢測限低、動態(tài)范圍寬、可重復(fù)使用，有望成為即時檢測工具，應(yīng)用于飲用水安全監(jiān)測和細菌相關(guān)疾病診斷，助力保障全球公共衛(wèi)生安全。
參考文獻：[1] Agar M, Laabei M, Leese H S, et al. Aptamer-molecularly imprinted polymer sensors for the detection of bacteria in water[J]. Biosensors and Bioelectronics, 2025.272:117136.
來源：微生物安全與健康網(wǎng)，作者~徐禮龍。
