中国工程院食品安全院士团队

科研成果转化平台

在食品安全和公共卫生领域，大肠杆菌 O157:H7一直是令人担忧的存在。它能引发从腹泻到出血性结肠炎、溶血性尿毒症综合征等多种疾病，严重时可导致肾衰竭甚至死亡。据统计，美国每年约有63000例出血性结肠炎病例由它引起。目前的检测方法，如基于培养的分析、聚合酶链反应（PCR）等，存在耗时久、成本高、操作复杂等问题，难以满足快速现场检测的需求。近期，一项突破性的研究成果为解决这一难题带来了新希望。

创新材料：化学修饰三聚氰胺泡沫

研究团队开发的新型比色生物传感器，关键在于使用了化学修饰的三聚氰胺泡沫（MF）。与传统的96孔板、纤维基膜等检测平台不同，MF具有大孔网状三维（3D）框架结构。这种独特结构就像一个畅通无阻的“通道”，允许大生物分子和细菌细胞自由地在各个方向穿梭，使框架结构的所有活性结合位点都能与目标细菌充分接触。在检测过程中，细菌可以轻松地在MF的大孔结构中扩散，大大提高了检测的灵敏度和对全细胞细菌的体积响应性检测能力。

图1 泡沫基夹心酶联免疫吸附试验（f-ELISA）的制备和使用示意图。(a)固定抗体和捕获细菌。(b)添加酶标二抗和酶促底物TMB生成颜色信号，并通过智能手机获取图像。

卓越性能：快速、灵敏且体积响应

该生物传感平台的检测速度令人惊叹，完成定量检测只需不到1.5小时。其灵敏度也十分出色，肉眼可辨别的检测限为10 cfu/mL，借助智能手机，检测限能进一步提高到5 cfu/mL。如果对样本进行1小时的短暂富集，检测限甚至可低至2 cfu/mL。而且，该传感器的灵敏度会随着样本体积的增加而提高。研究人员通过实验发现，当样本体积从100 μL增加到2 mL时，检测灵敏度显著提升。这一特性使得它非常适合检测大量液体样本，像牛奶、饮用水、农业用水等。

表1 用于检测大肠杆菌O157:H7的光学生物传感器的比较

精准检测：高特异性和选择性

在特异性和选择性方面，该生物传感器表现卓越。研究人员进行了一系列对照实验，结果表明，只有大肠杆菌O157:H7能产生明显的比色信号，其他细菌，如荧光假单胞菌、无害李斯特菌、单核细胞增生李斯特菌、肠炎沙门氏菌和大肠杆菌BL21等，均无明显反应。这意味着在实际检测中，即使样本中存在其他细菌，该传感器也能精准地检测出大肠杆菌O157:H7，有效避免了误判。

图2 f-ELISA在检测大肠杆菌O157:H7时相较于其他菌株（包括荧光假单胞菌、无害李斯特菌、单核细胞增生李斯特菌、肠炎沙门氏菌和大肠杆菌BL21）的选择性。本实验中使用的每种菌株浓度均为10⁵ cfu/mL。数据以平均值±标准差表示，基于3次独立实验。***表示P < 0.001（双尾t检验）。

实际应用：可靠检测复杂样本

为了验证传感器在实际场景中的有效性，研究人员对人工污染的牛奶样本和农业用水进行了检测。在农业用水检测中，MF膜被安装在注射器针头袋中，5 mL样本溶液以10 mL/h的流速通过。实验结果显示，当样本中大肠杆菌O157:H7浓度为10 cfu/mL时，就能被成功检测出来。对于未经灭菌的农业用水，该传感器也能准确检测，且检测结果与后续的培养板检测结果相符，这充分证明了其在复杂样本检测中的可靠性和准确性。

图3 (a)该示意图展示了在农业用水中检测大肠杆菌O157:H7的过程，照片展示了由注射泵操作的快速流动装置。(b)加标样品、经过灭菌处理的农业用水和未经灭菌处理的农业用水中，不同浓度大肠杆菌O157:H7处理后的膜的光学图像和ΔRGB值。(c)暴露于灭菌和未灭菌农业用水后的细菌培养平板全图。数据以平均值±标准差表示，基于3次独立实验。

前景展望：开启细菌检测新篇章

这种基于MF的泡沫酶联免疫吸附测定（f - ELISA）生物传感器，凭借其独特的结构和优异的性能，为现场快速超灵敏检测大肠杆菌O157:H7提供了创新解决方案。它不仅检测速度快、灵敏度高、特异性强，还能适应不同体积的样本检测。未来，以大肠杆菌O157:H7检测为基础，该技术有望进一步拓展应用范围，用于检测其他病原菌和污染物，为保障食品安全和公共卫生提供更有力的技术支持。

参考文献：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.

来源：微生物安全与健康网，作者~蔡伟程。