食源性疾病是指摄入细菌、病毒或寄生虫污染的食物而引起的疾病,在发展中国家,食源性致病菌感染是造成人群患病和死亡最常见的原因之一[1],这是因为其暴露于各种环境压力下,包括极端温度、渗透压、食品添加剂和消毒剂等[2],所以致病菌在生活中十分常见。大多数致病菌通常会引起感染者腹泻、发热,进一步可能导致贫血及一系列神经问题。近几十年来,食品生产分销的快速变化增加了食源性疾病的风险,特别是人畜共患病原体,如沙门氏菌、大肠杆菌、弧菌属和弯曲杆菌[3],其中食源性弧菌病被认为在全球范围内呈增长趋势[4]。而且细菌产生的生物被膜能够逃避体液免疫反应,对抗生素、消毒剂等都表现出更高的抵抗力。由其引起的感染占人类慢性感染的近80%[5]。2022年,我国除西藏外30个省(自治区、直辖市)和新疆生产建设兵团共上报食源性疾病暴发事件数4 902起,累计发病24 282人,死亡90人[6]。据世界卫生组织估计,每年每10人中就有1人因食用受污染的食物而生病。
因此,各国研究人员对致病微生物检测方法都进行了大量研究,传统检测技术始终存在操作复杂,现场检测性能弱,所需时间长等问题。而生物传感器检测技术因其操作简便、专一性强、检测耗时短,已成为靶向食源性致病菌检测的重要工具。基于纳米材料优异的物化性质,越来越多的研究人员将纳米材料与生物传感器相结合,成为正在蓬勃发展的研究方向之一。本文就不同生物传感器与金属纳米材料相结合的检测技术以及如何进一步提高其检测性能展开论述,对未来纳米生物传感器的发展进行展望。
1 用于快速检测的生物传感器
用于检测致病微生物的传统方法通常是通过显微镜观察或进行组织培养后再鉴别,这些方法不仅耗时巨大,对检测环境也有较高的要求,不能满足现在的检测需求。随着社会进步和科技的不断发展,许多研究人员发现了利用生物传感器进行快速检测的显著优势。此外,石墨烯、纳米颗粒等材料的修饰有效提高了生物传感器的性能,电容式生物传感器检测速度快、耗时短、操作简单,而柔性生物传感器制备工艺多样,可区分健康与患病样本,能检测多种物质。这些发现为后续进一步研究奠定基础,研究成果如表1所示。
表1 近两年对于生物传感器的研究
Table 1 Research on microbial sensors in the past two years
注:N/A(not applicable)无可用数据,RIU(refractive index unit)光折射率单位,表示在空气中的传播速度与在介质中传播速度的比值。
传感器类型修饰材料检测对象检测方法线性相关系数检测限应用参考文献光学传感器单层石墨烯,金或银金属涂层新型冠状病毒肺炎(coronavirus disease 2019,COVID-19)、癌细胞电磁模拟,电子振荡R2>0.970.693 RIU-1检测COVID-19、癌症相关分子、尿路感染、血糖水平等[7-8]金纳米颗粒(gold nanopar-ticles, AuNPs)、聚二烯丙基二甲基氯化铵四环素、大肠杆菌侧向流动色谱技术,表面增强拉曼散射R2>0.990.33 nmol/L对牛奶中四环素类抗生素残留,尿路感染中主要病原体进行检测[9-10]发色离子载体重金属汞离子-配体相互作用N/A0.23 ppb痕量检测和去除来自水或香烟等样品中的汞[11]电化学生物传感器普鲁士蓝、氧化石墨烯禽H5 N1、大肠杆菌电化学阻抗谱技术R2>0.95大肠杆菌:5细胞/mL检测空气中的病原体,例如大肠杆菌、H5 N1等[12]海藻酸钠—明胶枯草芽孢杆菌颜色反应N/A1 CFU/mL食品中的枯草芽孢杆菌及其他常见食源性致病菌的检测[13]石墨烯、聚-L-赖氨酸乳腺癌miRNA监测转移曲线中对应最小电导率的电压R2>0.991.92 fmol/L检测乳腺癌患者血清中的miRNA-155,还能检测汗液中的miRNA[14]银纳米颗粒、牛血清蛋白;Cd0.5Zn0.5S、ZnIn2S4大肠杆菌循环伏安法或检测到电流变化R2>0.9934 CFU/mL;12.5 pmol/L来自水、尿液和牛奶中的大肠杆菌;检测海洋生物毒素OA并进行定量分析[15-16]
1.1 光学生物传感器
Subburaj等[17]指出光学生物传感器已成为一类变革性的即时诊断设备,能提供灵敏、特异性和快速的疾病检测。其中,Zbedy等[18]使用再生光学传感器实现对锑的选择性检测,对Sb3+的线性检测范围在8.0～144.0 ng/mL,检测限为2.5 ng/mL,体现出优异的灵敏度,并且光学生物传感器与人工智能的集成也为快速检测领域带来新的发展潜力。
比色法是基于样品对光的选择性吸收而产生的可视化颜色或依靠光学仪器检测光学变化的分析方法,适合与高效纸基相结合,实现现场的即时性可视化检测。Dang等[19]开发的折叠纸微流控装置可以高精度测定食品中常用防腐剂——苯甲酸钠的含量,检测限为2.3 μmol/L,为食品安全和即时应用的便携式低成本生物传感器提供了通用策略。
相比于前2种检测方法,简单高效的荧光传感技术在近几年引起了研究者的广泛兴趣。Zhang等[20]利用这一技术构建开放比例镧系元素荧光传感器来快速检测2,6-二吡啉酸,其在水中和奶粉中的检测限均小于1.2 μmol/L,此外,配备颜色识别器应用程序的智能手机平台也可检测2,6-二吡啉酸,为食品安全检测提供更强大的技术基础。
1.2 电化学生物传感器
电化学生物传感器是应用较为广泛的一类生物传感器,可以检测生物样品中的多种生物标志物。Huang等[21]借助电化学生物传感器发现壳聚糖膜的透氧率为(6.609±0.344)× 10-3/(GS·m2),抗氧化能力也较高,成功证实壳聚糖对食品保鲜的重要意义。Xu等[22]设计的夹层型电化学生物传感器检出限为0.013 pg/mL,用于检测阿尔茨海默症的特异靶标物——Aβ-42,可见电化学传感器的不断发展在医学、食品和环境保护等领域都有深远影响。
2 金属纳米材料的生物传感器用于快速检测食源性致病菌
金属纳米材料(如纳米金、银、铜等)因高比表面积、独特光学性质和良好导电性等优势,可通过信号增强、构建复合传感平台和催化作用优化生物传感器性能。光学上,Abdelmonaim等[23]和Xie等[24]利用量子点、纳米金属有机框架的光学特性及荧光调控机制增强信号,实现对目标的灵敏检测;电学上,Afzal等[25]将金属纳米材料(如VO2和ZnO)与碳材料复合,通过协同效应促进电子转移,提升电信号和灵敏度,如NH3响应达177%,响应速度最快7 ms及多功能多模态检测;催化作用上,Li等[26]通过铜-铂纳米颗粒提升目标物质电化学氧化催化活性,而Hossein等[27]利用基于锆的金属有机框架材料与二硫化钼相结合,高效催化H2O2分解,均能增强传感器信号。
2.1 金属纳米材料生物传感器用于快速检测食源性致病菌
食源性致病菌的快速、准确检测是保障食品安全的关键环节。传统检测方法,如PCR,虽检测限(limit of detection, LOD)已低至<10 CFU/mL,但仍很耗时,并且一些环境因素可能影响其准确性。而酶联免疫吸附测定需要较高成本且灵敏度较低,同时也无法区分活细菌细胞和死细菌细胞。在此背景下,开发高效、高灵敏度、安全、廉价和快速的分析方法来测定化学和生物污染物至关重要。生物传感器具有的生物受体仅对特定分析物做出反应,能进一步提高传感器的准确性,其中使用率最高的是脱氧核糖核酸(deoxyribo nucleic acid, DNA)。如图1所示,多种优良纳米材料的出现让构建灵敏准确、快速简单的新型生物传感器成为可能。例如金属纳米颗粒、碳纳米颗粒、过渡金属、有机金属框架等,它们所具有的优异特性,能很大程度上提高系统的性能,用于各种致病菌的快速检测。
图1 各种金属纳米材料与生物传感器检测食源性致病菌的集成
Fig.1 Integration of various metallic nanomaterials with biosensors for detection of foodborne pathogens
2.1.1 基于金属纳米颗粒的生物传感器检测
金属纳米颗粒,特别是AuNPs,凭借其独特的光学、电学和结构特性,已成为构建高性能生物传感器的核心材料。它们不仅能作为信号放大器,还能作为生物识别元件的优良载体,极大地推动了食源性致病菌快速检测技术的发展。例如Wang等[28]以半胱胺为交联剂,利用AuNPs良好的导电性和高表面积,再通过电化学阻抗谱(electrochemical impedance spectroscopy, EIS)测量阻抗变化检测细菌,实现对目标菌的灵敏感知。另一策略是将AuNPs与信号放大技术相结合,Ye等[29]采用AuNPs辅助细菌核酸触发杂交链式反应(hybridization chain reaction, HCR)来改变电极的电信号,这样可避免非特异性吸附引起的信号干扰,但仍面临碱基错配引起的假阳性问题,这是基于核酸识别技术普遍存在的问题。比较特别的是,Dai等[30]将D-丙氨酰-D-丙氨酸封端金纳米颗粒(D-alanyl-D-alanine capped gold nanoparticles,DADA-AuNPs)封装在改性纸中,制成纸基比色生物传感器,其变色速度与DADA-AuNPs尺寸成反比,这一检测试纸的创造为现场快速筛查提供了一种极具潜力的检测工具。
此外,银纳米颗粒和双金属纳米材料同样展现出优异性能。Xu等[31]针对金黄色葡萄球菌的特异性nuc基因进行PCR扩增,借纳米间隙效应捕获双金属纳米花放大信号,提高了检测精度;Zhang等[32]构建的基于银@氧化石墨和金@4 N,N′-甲叉双丙烯酰胺@银纳米颗粒的适配体传感器,在102～107 CFU/mL浓度范围内检测呈良好线性关系,重复性和稳定性好。而Zhao等[33]将磁性纳米颗粒与噬菌体结合,可实现对活细菌的高效捕获和分离,并通过磁信号变化来检测其浓度,整个过程可在80 min内完成,但由于无法测量横向弛豫时间,其在高通量检测同时来自多个样本的信号时受限,且受磁场核磁共振仪局限,无法实现现场实时检测。未来可以将微流控芯片技术与自动信号读取设备相结合,以开发现场便携式检测方法。
2.1.2 基于过渡金属的生物传感器检测
过渡金属纳米材料因其独特的电子结构和表面化学特性,为生物传感器的高灵敏度检测提供了新思路。与传统贵金属材料相比,过渡金属及其化合物往往具有更大的比表面积和较高的特异性,与生物传感器结合能固定更多的生物识别元件,以实现高灵敏度检测。Alvandi等[34]借助层状过渡金属的超导性和多功能的表面化学特性,将其作为传感器的表面改性材料,当带负电的细菌接近传感器表面时,会引起明显的电流变化,且这种响应与细菌浓度呈现良好的线性关系,实现了对大肠杆菌的灵敏检测。Shobana等[35]同样也构建了银掺杂二氧化钛/过渡金属纳米复合材料,该传感器的检出限为1～17 CFU/mL。上述研究结果都表明基于过渡金属纳米材料的新型传感器的卓越性能,其稳定性和可重复性凸显了传感器自身的可靠性,为高效检测食源性致病菌、确保食品安全提供实用的解决方案。然而,过渡金属纳米材料也存在一些挑战,部分过渡金属及其化合物可能具有一定的生物毒性,这在一定程度上限制了其在生物体液等复杂样本中的应用。此外,如何精确调控其表面化学性质以提高生物相容性和减少非特异性吸附,仍是未来需要攻克的关键问题。
2.1.3 基于金属有机框架/纳米团簇的生物传感器检测
金属有机框架因多孔结构而应用广泛,和金属纳米团簇同属于新兴的纳米材料。Zhang等[36]利用二维高导电性锆/铪基金属有机框架纳米薄膜构建了传感器,当目标细菌(如金黄色葡萄球菌)存在时,纳米膜附着在电极表面后形成传感界面,通过电子传输的变化实现检测。Masoumeh等[37]将纳米级的镍-钴金属有机框架与良好的生物传感器结合,构建出一种无边际阻抗适配体传感器,通过电化学阻抗谱技术可检测出幽门螺旋杆菌,线性范围较宽,并且具有低检出限和可接受血清回收率,拥有良好的检测性能。相比之下,金属纳米团簇则以其荧光稳定性高、易功能化修饰等特点受到关注,Yan等[38]以金纳米团簇为发光团,将其与酶介导的DNA walker和杂交链式反应相结合,通过双信号放大实现对金黄色葡萄球菌的高选择性、稳定性和低检出限。Pebdeni等[39]则通过寡核苷酸碱基合成Au/Pt双金属纳米团簇,对金黄色葡萄球菌进行快速检测,利用3,3′,5,5′-四甲基联苯胺(3,3′,5,5′-tetramethylbenzidine, TMB)和H2O2的催化反应生成可肉眼观察的蓝色产物,进而设计出基于纸张的便携设备,成功实现快速检测。
2.2 现有各技术的局限与改进
以上这些技术具备便携性、特异性和快速检测的潜力,但在实际检测过程中,样本基质中存在干扰,如食品中蛋白质、多糖、色素等杂质易引发材料团聚、识别位点阻塞或信号干扰,降低检测准确性与稳定性。同时,基于核酸杂交的技术容易出现碱基错配,导致非特异性结合产生假阳性信号,分子识别存在局限性;基于TMB的检测方法因为TMB在水中的溶解度较低,需要额外修饰,增加了操作复杂性。此外,从样本预处理到信号放大,需多步人工操作,且贵金属原料成本高,批量制备中性能一致性难控制,量产良品率低。其中金属有机框架(metal-organic framework, MOF)等部分过渡金属与纳米团簇的合成及修饰工艺复杂,在复杂基质中结构易坍塌,且存在生物毒性,生物安全性与兼容性不足。上述各类原因限制了金属纳米材料构建的生物传感器的大规模应用。
在检测性能方面,Tao等[40]在无需任何其他外部还原剂的条件下,在甲醇中制备了粒径为(2.88±0.60) nm的超细优先取向(1 1 1)钯纳米团簇,此研究成果为可控制备高性能金属纳米材料提供了新思路,有助于研究载体化学成分对催化性能的调控。除了改进传感器的构建机制,也可以利用化学物质来降低致病菌的检测限。Green等[41]利用肽基凝聚层来提高基于染料的DNA生物传感器的性能。他们发现将DNA生物传感器和目标链隔离在凝聚层内,可以提高它们的局部浓度,从而降低检测限。具体来说,他们使用了聚精氨酸(R9)和三磷酸腺苷形成的凝聚层,将DNA分子信标和目标DNA隔离在其中。通过这种方法,检测限降低了20倍以上,同时荧光强度和动力学也得到了改善。随着越来越多新型技术的出现,为食源性致病菌检测技术的改进提供了许多发展方向,表2列举了基于金属纳米材料的生物传感器的性能优势。
表2 生物传感器灵敏度提高的定量对比
Table 2 Quantitative comparison of the sensitivity enhancement of biosensors
注:靶标-寡核苷酸探针,也称为分子信标(molecular beacon,MB);发夹探针(hairpin probe,HP)-DNA分子信标的初始构象;靶标/发夹探针-每一个发夹探针能检测到的靶标核酸分子数量,数值越小,检测灵敏度越高。
检测技术优化前检测性能优化后检测性能参考肽辅酶内的螯合提高基于染料的DNA生物传感器性能0.10～0.25靶标/发夹探针0.005靶标/发夹探针[41]基于荧光技术的金纳米团簇检测细菌生物膜1×106 CFU/mL1.7×105 CFU/mL[42]使用还原氧化石墨烯-ZIF-8纳米复合材料的电化学生物传感器检测猴痘病毒蛋白M1R和A29A29:0.051 ng/mLA29:0.045 ng/mL[43]基于鲁米诺-重氮离子功能化Au/新型二维纳米复合材料构建的超灵敏电化学发光生物传感器,用于人体疾病早期检测传统方法检测限多为nmol/L至pmol/L级13.2 amol/L[44]
3 金属纳米材料的生物传感器用于快速检测食源性致病菌生物被膜
细菌生物被膜是包裹在保护性细胞外基质中的复杂微生物群落,它的检测相比浮游细菌更具挑战性,主要因其结构复杂且表型特殊,这层“盔甲”不仅增强了细菌的耐药性,也阻碍了传统检测方法的穿透与识别。同时,生物被膜中的细菌与浮游细菌在生理状态上存在显著差异,常规检测方法难以准确区分,可能导致误判。因此,迫切需要一种快速有效的检测技术。本文继续探讨了现有对于细菌生物被膜的检测技术,以及金属纳米生物传感器在这一方面的应用,为开发创新解决方案以应对生物被膜相关疾病和改善全球健康铺垫道路。
3.1 金属纳米材料生物传感器检测食源性致病菌生物被膜
细菌生物被膜的检测方法正朝着多样化和精细化的方向发展,不同技术路线各有优势。通常可分为直接检测和间接检测2种,直接检测大部分是以生物被膜的3D结构成像来作为依据,例如光学相干断层扫描,还包括检测生物被膜的组成成分等。但他们大部分有检测条件限制——仅细菌在传感器上生长时才起作用;间接检测是通过检测周围环境中O2浓度或pH值的变化,来确定生物被膜的存在,但现有的检测技术都存在一定的局限性。
金属纳米材料凭借其独特的理化性质,为突破传统技术这一挑战提供了新的思路。首先,Ye等[45]利用贵金属纳米颗粒(noble metal nanoparticles, NMNP)可以通过破坏细胞膜电位和稳定性、与生物大分子(DNA或酶)结合,来杀死细菌并根除生物被膜。还有一些NMNP可以在局部产生热疗或活性氧,其基本机制是这些NMNP可以在不同波长的光下被激发,表现出光热和光催化效应,由活化电子的表面等离子体共振引起,这说明金属纳米颗粒的抗菌活性逐渐进入大众视野。与绝大多数研究角度不同的是,Jing等[46]将聚乙烯多壁碳纳米管(multi-walled carbon nano-tube, MWCNT)掺入聚合物基质中,以此来控制细菌对表面的黏附,从而达到抑制生物被膜生长的效果。与聚乙烯相比,MWCNT复合材料表面的生物被膜生长分别减少了89.3%和29.0%,有效证明了纳米材料在对抗生物被膜中的应用潜力。
3.1.1 基于成像与物理信号的方法
生物被膜的检测可以基于成像的方法,例如光学成像、超生成像等。Pozo等[47]发现基于荧光酶传感器的成像技术,通过检测生物被膜中的酶活性(如丙氨酸氨基肽酶),能实现对生物被膜的特异性识别。不仅如此,通过核磁共振成像系统,Zhou等[48]成功呈现了生物被膜的3D视角,该系统在管内液体流动时也可以继续检测细菌生长。而Gallagher等[49]在此基础上借助DIVER显微镜和荧光寿命成像技术,检测铜绿假单胞菌生物被膜的其他相关信号,例如生物被膜深度。
3.1.2 基于凝集素、聚合物及其他分子探针的方法
各类致病菌中,铜绿假单胞菌形成的生物被膜使其耐药性增加10～1 000倍,能让细菌逃脱宿主的免疫系统[50]。因此Zahorska等[51]利用高亲和力凝集素配体,生物被膜中的LecA和LecB凝集素,分别特异性结合D-半乳糖苷和D-甘露糖苷、L-岩藻糖苷形成靶向探针。将荧光基团连接到靶向探针上后,探针与生物被膜中凝集素结合发出荧光,通过荧光信号来检测到生物被膜,实现可视化检测。Dai等[52]也报道了一种可视化检测细菌生物被膜的方法,该方法借助一种pH响应性支链聚合物[聚(MBA-AEPZ)-AEPZ-NA],在生理条件(pH=7.4)下表现出减弱的荧光强度,而在局部生物被膜微环境(pH=5.5)中可以发射强烈的绿光,以此来判断细菌生物被膜是否存在。另外,带正电的聚合物还能有效渗透进生物被膜,中和阴离子,破坏其结构的完整性,也为使用抗生素的治疗方案提供了新思路。
3.1.3 基于特定信号分子的方法
荧光技术在生物被膜检测中也有多元应用。Yang等[53]探讨了肽,特别是抗菌肽(antimicrobial peptide, AMP)作为对抗生物被膜引起的感染的创新工具的潜力,通过基于荧光和纳米技术破坏生物被膜结构,以此来抑制细菌生长并增强对细菌生物被膜的检测。而Evstigneeva等[42]利用谷胱甘肽稳定的金纳米团簇检测细菌生物被膜,并通过其荧光特性实现定量检测,在一定范围内,此法检出限为1.7×105 CFU/mL,灵敏度较结晶紫测定法高10倍。
基于分子生物学,可通过聚合酶链式反应、基质辅助激光解吸飞行时间质谱来检测细菌生物被膜。Capatina等[54]通过追踪一种参与生物被膜形成的所有阶段的分子——环状鸟苷-单磷酸盐,来检测细菌生物被膜。其中,他们开发的一种纳米材料用于修饰丝网印刷电极,可帮助原位检测细菌生物被膜,这种方法能对环状鸟苷-单磷酸进行高灵敏度、高选择性和简单迅速的电化学检测,但最大问题是检测对象单一。
3.1.4 纳米材料集成与微流控平台
金属纳米颗粒通过促进高灵敏度表面增强、拉曼散射和基于比色法的微生物群落传感来增强细菌生物被膜的检测。其有效性与生物被膜基质中群体感应分子、细菌遗传成分和胞外多糖的检测有关[55]。Richter-Dahlfors等[56]通过荧光光追踪技术检测生物被膜,光追踪剂可与生物被膜中肽和碳水化合物等生物聚合物通过非共价作用结合,改变光电子性质,导致荧光激发红移、发射强度增加,产生目标特异性光谱特征。含D-A-D基序的光追踪剂结合目标时荧光开启,借此可实时监测生物过程,实现对革兰氏阳性菌、阴性菌生物被膜及真菌生物被膜的检测。
Stephane等[57]通过电化学阻抗谱技术和共聚焦显微镜技术相结合,前者分析不同频率下阻抗数据,如Nyquist图、Bode|Z|图和Bode相角图,以量化生物被膜生长的电化学性能及相关参数,而后者借助Live/Dead BacLight分子探针,对金电极进行检测,并评估细菌菌落,以此验证传感器性能,确认生物被膜覆盖和形态。二者相互结合,在发挥电化学检测优势的同时弥补了彼此局限,但2种技术的结合加大了操作难度,对设备和人员要求较高。
目前,纳米材料的集成已被证明可以有效提高用于食品污染物检测的制备生物传感器的分析性能,表现出更高的灵敏度、更快的响应以及便携性,减少了笨重设备的需求[58]。而微流控系统可将样品、转移、浓缩和检测结合在一个芯片平台中,将其与集成纳米材料相结合能大大提升检测效率和操作简便性。Su等[59]构建的包含聚(N-异丙基丙烯酰胺)凝胶微柱阵列的微流控平台作用于金黄色葡萄球菌检测,其检出限为5.15×103 CFU/cm2;He等[60]提出了一种新型的六通道微流控表面增强拉曼散射(surface-enhanced raman scattering, SERS)芯片,该芯片与Ag/Au纳米复合材料集成,用于血清中甲胎蛋白的快速鉴定,60例盲样检测准确率为95%;Hu等[61]的研究在微流控芯片中集成的成簇的规律间隔的短回文重复序列/CRISPR 相关蛋白12a(clustered regularly interspaced short palindromic repeats/CRISPR-associated protein 12a,CRISPR/Cas12a)活化脂质体表面增强SERS扩增系统,用于超灵敏氨苄青霉素检测,检出限为740 amol/L。由此可见,微流控芯片集成纳米材料具有广阔的发展前景,并且在医学领域中已经有了部分成果,但在食品领域中的现有研究较少,未来可作为新的创新方向,助力细菌生物被膜或食源性致病菌等的检测。
3.2 现有各技术的局限与改进
总体而言,生物被膜检测技术虽呈多样化发展,但尚无一种方法能完全满足操作便捷、成本低廉、灵敏度高且通用性强的要求。当前检测技术的主要问题在于灵敏度、通用性、便捷性及成本之间的不适应和不协调。高灵敏度的分子与成像技术(如PCR、共聚焦显微镜)往往依赖精密设备与专业人员,且多针对特定目标或需破坏样品;而操作简便的间接检测或电化学方法则在灵敏度、通用性或信息全面性上有所妥协。未来发展方向必然走向多模态融合与智能化集成,即通过微流控芯片等平台,将高特异性的核酸、凝集素探针或酶传感,与纳米材料增强的光学/电化学信号放大技术相结合,并辅以人工智能进行多参数数据解析,开发出更适合现场应用的新一代检测平台。
4 结论与展望
食源性病原体是可以通过食用受污染的食物或水导致人类疾病的微生物,从轻微不适到危及生命,它们对人类健康产生巨大的威胁,这强调了在人类健康和疾病的背景下研究这些致病菌检测技术的必要性。金属纳米材料凭借高比表面积、独特光学/电学特性及催化活性等核心优势,与生物传感器结合后大幅提升检测性能,一方面可以通过表面等离子体共振、荧光调控及电子传输优化,大幅降低检测限,灵敏度较传统方法提升数十倍;另一方面可利用金属-有机框架与贵金属纳米颗粒构建的复合体系,该体系兼具高选择性与抗干扰能力,还有金属纳米材料实现磁分离与信号输出双重功能。而在细菌生物被膜检测中,金属纳米材料通过破坏膜结构、产生活性氧或荧光标记,突破传统光谱技术对设备和人员的高要求,检测限提高10倍,实现实时监测。由此可见,集成这些纳米材料使生物传感器具有更大的潜力,让更加高性能的传感器检测技术成为可能。
未来该领域可从多维度推进创新发展。食品样本中蛋白质、多糖等杂质易引发传感器界面非特异性吸附,因此在技术融合层面,除持续优化集成微流控芯片的掌上型纳米生物传感器、完善纸基比色设备“样本滴加-肉眼判读”的极简现场检测方案外,重点拓展成簇的规律间隔的短回文重复序列的关联蛋白(clustered regularly interspaced short palindromic repeats-crispr-associated,CRISPR-Cas)耦合纳米传感器技术,借助CRISPR的高特异性识别能力与纳米材料的信号放大优势,进一步提升检测精准度与响应速度,但两者耦合效率仍有待优化,酶切反应与信号放大的时序协同性差;引入人工智能驱动的多信号分析系统,通过机器学习算法深度挖掘荧光量子点等传感器阵列数据,破解复杂基质中多菌型同时检测的技术难题。但在材料与工程化层面,微流控芯片依赖光刻、注塑等工艺,成本高,聚合物材料量产一致性差;掌上型设备需集成多个模块,微型化集成后的信号采集精度与设备耐用性难以平衡,导致实验室原型向规模化生产转化难度大。同时,纳米结构表面易形成纳米气泡,导致生物分子吸附过程异常,这也是纳米生物传感器的共性痛点。
综上所述,各种研究成果都表明纳米技术是一个快速发展的科学领域,其信号放大的效果已成为提高细菌检测方法灵敏度的研究热点,特别是具有酶模拟活性的先进纳米材料已被用于细菌测试[62],但各类技术仍存在跨学科技术融合的壁垒。本文综述的基于纳米材料的生物传器的检测技术,整理了幽门螺旋杆菌、沙门氏菌等食源性致病菌及生物被膜的检测方法。未来通过强化CRISPR-Cas、人工智能等新兴技术融合,清晰界定产业化应用路径并突破转化瓶颈,该领域有望从实验室走向食品安全监管、临床诊断等实际应用场景,为全球公共卫生提供关键技术保障。
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