新型可降解生物传感器问世，10 分钟锁定食品中致命大肠杆菌
发布时间：2025-07-24 浏览次数：44 分享：
大肠杆菌 O157:H7 是一种高危食源性病原体，低感染剂量就可能引发严重健康问题，如腹泻、出血性结肠炎、溶血性尿毒症综合征等，全球多地曾因乳制品、肉类等受其污染爆发公共卫生事件。传统检测方法如微生物培养、血清学分析等，不仅耗时久，往往需要数天，还操作繁琐，依赖专业设备，难以满足现场快速筛查的需求，因此开发快速、灵敏、便携的检测工具成为食品安全领域的迫切需求。
该新型生物传感器的核心在于将细菌纤维素（BC）的生物相容性与噬菌体的特异性识别能力相结合。细菌纤维素由 Komagataeibacter 属细菌产生，具有多孔结构、高比表面积和良好的液体保持能力，是理想的生物载体。为提升其导电性，研究人员通过原位氧化聚合技术，在 BC 表面修饰了羧基功能化多壁碳纳米管（MWCNT-COOH）和聚吡咯（Ppy），形成 BC/MWCNT-COOH/Ppy 复合膜。这种结构不仅大幅提升了电子传导效率，还通过正电荷特性实现了噬菌体的高效固定。
图1：FE-SEM 显示原始 BC、改性材料及噬菌体的形态，含元素分布。
作为 “识别元件” 的大肠杆菌 O157:H7 特异性噬菌体，通过静电作用和共价键稳定固定在复合膜表面，其尾部保持游离状态，可精准识别并结合目标细菌。这种 “头部固定、尾部游离” 的取向设计，最大化了噬菌体与细菌的相互作用，确保了检测的特异性。
图2：BC 及改性材料的结晶、官能团和元素组成表征。
实验数据显示，该传感器性能卓越。在灵敏度方面，对牛奶和牛肉样品中大肠杆菌 O157:H7 的检测限低至 3 CFU/mL，远超传统方法；检测速度极快，从样品处理到结果输出仅需 30 分钟，较传统培养法效率提升数十倍；特异性强，能精准区分大肠杆菌 O157:H7 与沙门氏菌、金黄色葡萄球菌等其他致病菌，避免假阳性；稳定性出色，在 4℃储存条件下可稳定工作 6 周，且在 pH 4-10 的广泛范围内保持活性，能适应不同食品基质环境。
图3：噬菌体对大肠杆菌的裂解效率及在材料上的分布（共聚焦）。
更重要的是，该传感器具有完全生物可降解性。实验表明，其核心材料 BC/MWCNT-COOH/Ppy 复合膜在纤维素酶作用下，12 小时内即可明显降解，避免了传统检测工具的环境污染问题。
图4：不同 BC 修饰电极的 CV 和 DPV 曲线，评估电化学性能。
在实际应用中，该传感器在牛奶和牛肉样品测试中表现出色。经过简单预处理，如去除脂肪、过滤杂质后，对人工污染样品的回收率达 93.6%-98.1%，检测结果与传统平板计数法高度一致，能有效应对食品中蛋白质、脂肪等成分的干扰，满足实际生产中对生鲜奶、冷鲜肉等的快速筛查需求。
图5：传感器在不同样品中的检测曲线、线性范围及特异性等结果。
相比现有技术，该生物传感器在灵敏度、速度和环保性上实现了突破。其低成本特性，即原材料价格低廉、制备工艺简单，以及便携潜力，可集成至小型电化学设备，使其有望在食品加工厂、农贸市场等场景广泛应用，助力构建从生产到消费的全链条食品安全防线。这项研究为食源性病原体检测提供了新范式，其 “可降解基底 + 特异性生物识别” 的设计思路，也为其他致病菌检测技术的开发提供了重要借鉴，未来有望成为食品安全监测的 “常规武器”，守护公众餐桌安全。
参考文献：Hussain W, Yang X, Wang H, et al. Biodegradable surface-modified bacterial cellulose/phage-based biosensor for ultrasensitive and low-level electrochemical detection of Escherichia coli O157: H7 in food matrices[J]. International Journal of Biological Macromolecules, 2025: 146020.
来源：微生物安全与健康网，作者~徐礼龙。
