電化學(xué)適配體傳感器在金黃色葡萄球菌檢測中的應(yīng)用研究進(jìn)展

摘 要：金黃色葡萄球菌可引起細(xì)菌性食物中毒，對(duì)人類的健康有重要的危害，如何實(shí)現(xiàn)對(duì)金黃色葡萄球菌的快速檢測對(duì)于保障人類健康意義重大。電化學(xué)適配體傳感器具有成本低、檢測時(shí)間短、操作簡單等優(yōu)點(diǎn)，可用于金黃色葡萄球菌的快速檢測。本文綜述了電化學(xué)適配體傳感器在金黃色葡萄球菌檢測中的應(yīng)用實(shí)例，以期為金黃色葡萄菌的快速檢測提供參考和思路。

關(guān)鍵詞：金黃色葡萄球菌，電化學(xué)適配體傳感器，適配體，食品安全

DOI編碼：10.3969/j.issn.1002-5944.2025.02.030

0 引 言

金黃色葡萄球菌是一種革蘭氏陽性菌，可引起食物中毒，是世界范圍內(nèi)引起食源性致病的主要原因之一。金黃色葡萄球菌作為一種人和動(dòng)物常見的致病菌，其引起的中毒多見于春、夏季節(jié)，主要污染營養(yǎng)豐富且含水分較多的食品，例如乳類、乳制品、肉類、肉制品等。因此，在日常生活中，要將食品進(jìn)行徹底加熱并做好食物的儲(chǔ)存，防止病從口入。

因此，開發(fā)快速檢測金黃色葡萄球菌的方法對(duì)于保障食品安全和人類健康具有重要的意義。電化學(xué)適配體傳感器在金黃色葡萄球菌快速檢測方面的應(yīng)用比較多，本文主要綜述了近幾年電化學(xué)適配體傳感器在金黃色葡萄球菌檢測中的應(yīng)用實(shí)例，以期為食品安全檢測從業(yè)者、科研人員開發(fā)快速檢測金黃色葡萄球菌的方法提供思路。

1 電化學(xué)適配體傳感器

適配體是一種DNA或R NA分子，它能夠通過構(gòu)象互補(bǔ)、氫鍵、范德華力、靜電相互作用等方式與靶標(biāo)分子以高親和力和特異性進(jìn)行結(jié)合，基于這一特性，適配體在食品安全檢測方面的應(yīng)用較為廣泛[1]。適配體通常通過SELEX技術(shù)從一個(gè)含有1013-1015隨機(jī)序列的DNA或RNA庫中篩選得到，目前主要的篩選方法有Cell-SELEX、Mag-SELEX、GOSELEX、Capture-SELEX等，這為適配體的廣泛應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。雖然適配體在食品安全檢測中的應(yīng)用較多，優(yōu)勢也較明顯，但在實(shí)際應(yīng)用中也存在著挑戰(zhàn)，例如適配體容易受到復(fù)雜應(yīng)用環(huán)境的影響而改變其結(jié)構(gòu)及結(jié)合性能的穩(wěn)定性，從而對(duì)適配體與靶標(biāo)分子的結(jié)合產(chǎn)生影響，這在一定程度上制約了適配體的進(jìn)一步應(yīng)用。

適配體傳感器將適配體作為識(shí)別元件，通過適配體與靶標(biāo)分子的結(jié)合實(shí)現(xiàn)對(duì)靶標(biāo)分子的捕獲，再利用信號(hào)轉(zhuǎn)換元件將靶標(biāo)分子的濃度轉(zhuǎn)化為識(shí)別信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行放大，再通過信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)換為靶標(biāo)分子的濃度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)靶標(biāo)分子的定性和定量檢測[2]。適配體傳感器主要包括電化學(xué)適配體傳感器、光電化學(xué)適配體傳感器、光學(xué)適配體傳感器等。電化學(xué)適配體傳感器是將適配體作為識(shí)別和捕獲靶標(biāo)的工具，與電化學(xué)檢測方法結(jié)合并實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物質(zhì)進(jìn)行檢測的一種傳感器。當(dāng)適配體與靶標(biāo)結(jié)合后，電化學(xué)性質(zhì)會(huì)發(fā)生變化，通過檢測電化學(xué)性質(zhì)的變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)靶標(biāo)的定性、定量檢測，具有檢測成本低、時(shí)間短、操作簡單等優(yōu)勢。電化學(xué)適配體傳感器在檢測食源性致病菌、真菌毒素、重金屬離子、藥物殘留、食品非法添加物等方面具有重要的應(yīng)用。

2 金黃色葡萄球菌常用的檢測方法

目前，金黃色葡萄球菌常用的檢測方法主要包括國標(biāo)法、ELISA、測流層分析、比色法、生物傳感器、表面增強(qiáng)拉曼光譜法等方法，但這些檢測方法在檢測時(shí)間、成本、靈敏度和特異性等方面存在著一定的差距和不足，無法實(shí)現(xiàn)對(duì)金黃色葡萄球菌的快速、準(zhǔn)確檢測。例如金黃色葡萄球菌的主要的檢測方法是依據(jù)GB 4789.10—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品微生物學(xué)檢驗(yàn) 金黃色葡萄球菌檢驗(yàn)》的國標(biāo)法，其檢測過程主要有樣品的處理、增菌、分離、初步鑒定、確認(rèn)鑒定等過程，該方法雖然能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)金黃色葡萄球菌的檢測，但是存在操作復(fù)雜、專業(yè)性較強(qiáng)、檢測時(shí)間長等劣勢；而比色法雖然具有檢測時(shí)間短、無需借助復(fù)雜設(shè)備、適用于現(xiàn)場快速檢測的優(yōu)勢，但也存在容易受到復(fù)雜檢測環(huán)境的影響而產(chǎn)生假陽性的現(xiàn)象，例如常用的顯色信號(hào)納米金顆粒（AuNPs）就容易受到樣品基質(zhì)中一些離子（如氯化鈉）的影響而產(chǎn)生聚集變色的現(xiàn)象，從而影響檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3 電化學(xué)適配體傳感器在金黃色葡萄球菌檢測中的應(yīng)用

近年來，由于在檢測時(shí)間、檢測范圍及靈敏度等方面的優(yōu)勢，電化學(xué)適配體傳感器在金黃色葡萄菌檢測中的應(yīng)用較多，這為開發(fā)快速、準(zhǔn)確檢測金黃色葡萄球菌的方法提供了思路。目前，在金黃色葡萄球菌檢測中應(yīng)用的電化學(xué)適配體傳感器主要有單模式和雙模式兩種。

電化學(xué)適配體傳感器與信號(hào)放大技術(shù)結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)檢測信號(hào)的放大，能夠得到更寬的檢測范圍和更低的檢測限。酪胺信號(hào)放大技術(shù)是一種基于辣根過氧化物酶（HRP）催化的生物信號(hào)放大技術(shù)，其原理是在H2O2的作用下，一種酪胺的底物可以被一些酶（如HRP、堿性磷酸酶等）催化而成為一種非常活躍的短壽命的中間體；在短時(shí)間內(nèi)，這種中間體可以與周圍蛋白的富電子表面通過共價(jià)鍵的方式結(jié)合而形成一種酪胺化復(fù)合物，通過這種富集作用，形成以酶為中心，類似于“島”或“樹”狀的聚集團(tuán)；基于這一原理，可以在酪胺上標(biāo)記熒光或者其他標(biāo)記物（如生物素）用于檢測，實(shí)現(xiàn)了對(duì)檢測信號(hào)的幾何級(jí)放大。Nguyen等[3]開發(fā)了一種基于酪胺信號(hào)放大技術(shù)的新型電化學(xué)適配體傳感器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)金黃色葡萄球菌的高靈敏檢測；將初級(jí)適配體SA37作為捕獲探針，實(shí)現(xiàn)對(duì)金黃色葡萄球菌的特異性識(shí)別和捕獲；將次級(jí)適配體SA81@HR P作為催化探針，通過酪胺信號(hào)放大，由生物素-酪胺和鏈霉親和素-HRP作為電催化信號(hào)構(gòu)建傳感器，以提高傳感器的靈敏度；在檢測過程中，SA37-金黃色葡萄球菌-SA81@HRP將結(jié)合在金電極的表面，大量的HRP分子通過HRP與H2O2的催化反應(yīng)結(jié)合到菌體表面的生物素-酪胺上，從而實(shí)現(xiàn)檢測信號(hào)的放大；該傳感器可實(shí)現(xiàn)在超低濃度下對(duì)金黃色葡萄球菌的檢測，在緩沖液中的檢測限（LOD）為3 CFU/mL，在自來水和牛肉湯中的LOD為8 CF U/m L，具有較高的靈敏度和較強(qiáng)的特異性。Zhou等[4]基于逐步信號(hào)放大技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種檢測金黃色葡萄球菌的電化學(xué)適配體傳感器，該傳感器的線性范圍為1～108 CFU/mL，LOD為0.3 CFU/mL，且具有良好的重現(xiàn)性、穩(wěn)定性和較高的靈敏度，可用于實(shí)際的樣品檢測。Chen等[5]基于兒茶酚-殼聚糖氧化還原電容對(duì)信號(hào)的放大效應(yīng)，設(shè)計(jì)了一種檢測金黃色葡萄球菌的電化學(xué)適配體傳感器，該方法的檢測時(shí)間為25 min，線性范圍為10～108CFU/mL，LOD為2 CFU/mL。

一些納米材料和納米復(fù)合材料可提高電子轉(zhuǎn)移速率，增強(qiáng)電信號(hào)，從而提高電化學(xué)適配體傳感器的檢測范圍和靈敏度。Hui等[6]設(shè)計(jì)了一種用于檢測金黃色葡萄球菌的新型夾心式電化學(xué)適配體傳感器；將AgNPs@Ti3C2納米復(fù)合材料修飾到玻璃碳電極（GCE）的表面，而金黃色葡萄球菌的適配體通過氫鍵和磷酸基團(tuán)與Ti離子之間的螯合作用自組裝到GCE的表面；此外，將金黃色葡萄球菌適配體通過π-π堆積作用固定在CuO/石墨烯（GR）納米復(fù)合材料上，作為信號(hào)探針，再通過與靶標(biāo)的結(jié)合從而形成夾心式的電化學(xué)適配體傳感器；當(dāng)檢測體系中存在金黃色葡萄球菌時(shí)，在GCE表面的CuO/GR納米復(fù)合材料將催化過氧化氫與對(duì)苯二酚發(fā)生反應(yīng)而產(chǎn)生強(qiáng)電流響應(yīng)；在最佳檢測條件下，該傳感器的線性范圍為5.2×101～5.2×107 CFU/mL，LOD為1 CFU/mL，在牛奶、綿羊和山羊奶樣品中的加標(biāo)回收率為92.64 %～109.58 %。Sohouli等[7]設(shè)計(jì)了一種基于金/氮摻雜碳納米洋蔥的新型電化學(xué)適配體傳感器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)金黃色葡萄球菌的檢測；該傳感器由氮摻雜的碳納米洋蔥材料、納米金粒子和硫醇封端、適配體修飾的絲網(wǎng)印刷碳電極（SPCE）構(gòu)成；該傳感器可實(shí)現(xiàn)對(duì)金黃色葡萄球菌的快速檢測，LOD為3 CFU/mL，線性范圍為10～108 CFU/mL，且具有良好的重復(fù)性、再現(xiàn)性和穩(wěn)定性。Ranjbar等[8]基于GCE表面的AuNPs/碳納米顆粒/纖維素納米纖維（AuNPs/CNPs/CNFs）納米復(fù)合材料和適配體實(shí)現(xiàn)了對(duì)金黃色葡萄球菌的選擇性檢測；將具有較高表面積、優(yōu)異導(dǎo)電性和良好生物相容性的AuNPs/CNPs/CNFs納米復(fù)合材料與硫醇化的適配體進(jìn)行自組裝，作為金黃色葡萄球菌的識(shí)別元件；該適配體傳感器具有寬的線性范圍（1.2×101～1.2×108 CFU/mL），LOD為1 CFU/mL。Soleimani等[9]設(shè)計(jì)了一種檢測金黃色葡萄球菌的電化學(xué)適配體傳感器，首先將AuNPs修飾到（SPCE）上，組成工作電極，適配體通過Au-S鍵與AuNPs結(jié)合，從而固定到SPCE上，實(shí)現(xiàn)對(duì)金黃色葡萄球菌的檢測；該方法的線性范圍為101～106 CFU/mL，LOD為0.2 CFU/mL。

金屬-有機(jī)骨架（MOFs）是一種由金屬離子或金屬團(tuán)簇與有機(jī)配體通過自組裝形成周期性的、多孔性的晶體材料，不僅具有較大的比表面積，而且還可調(diào)控其孔徑和化學(xué)功能。因此，在電化學(xué)適配體傳感器構(gòu)建方面應(yīng)用較為廣泛。Chen等[10]基于MOFs和磁分離技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種檢測金黃色葡萄球菌的電化學(xué)/比色雙模式適配體傳感器。首先，合成了一種具有生物識(shí)別、電化學(xué)和催化活性的Au/Cu MOF，再將ssDNA（金黃色葡萄球菌適配體的互補(bǔ)鏈）與其結(jié)合，形成ssDNA-Au/Cu MOF；將磁珠（MB）修飾的金黃色葡萄球菌適配體（Apt）作為特異性識(shí)別和捕獲金黃色葡萄球菌的探針（MB-Apt），ssDNA-Au/Cu與MB-Apt通過ssDNA與Apt的雜交形成復(fù)合物（ssDNA-Au/Cu-MB-Apt）；當(dāng)ssDNA-Au/Cu-MB-Apt與不同濃度的金黃色葡萄球菌孵育時(shí)，由于Apt優(yōu)先與目標(biāo)菌結(jié)合，使得ssDNA-Au/Cu從ssDNA-Au/Cu-MB-Apt上脫落，從而導(dǎo)致ssDNA-Au /Cu在MB上的捕獲量和上清液中量的存在差異；經(jīng)過磁分離后，通過電化學(xué)檢測和對(duì)上清液進(jìn)行底物催化顯色可實(shí)現(xiàn)對(duì)金黃色葡萄球菌的電化學(xué)和比色兩種模式的檢測；該方法具有較寬的線性范圍（10～108 CFU/mL）、較低的LOD和較強(qiáng)的特異性，比色法LOD為48 CFU/mL，電化學(xué)檢測方法LOD為5 CFU/mL。Dai等[11]將鋯基金屬有機(jī)骨架/亞甲藍(lán)/適配體復(fù)合物設(shè)計(jì)為信號(hào)放大和識(shí)別探針，通過亞甲藍(lán)的電流變化實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)菌的定量檢測；該方法通過不同致病菌的適配體分別實(shí)現(xiàn)了對(duì)大腸桿菌、金黃色葡萄球菌和鼠傷寒沙門氏菌的檢測，其LOD分別為5、4、3 CFU/mL，該方法可用于不同真實(shí)樣品中致病菌的檢測，具有在復(fù)雜環(huán)境中快速檢測食源性致病菌的巨大應(yīng)用潛力。沸石咪唑骨架材料（ZIFs）是一種MOFs，而沸石咪唑骨架-8（ZIF-8）是最經(jīng)典的ZIFs材料，在傳感器領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。Morsalpour等[12]基于ZIF-8和AuNPs修飾的GCE，設(shè)計(jì)了一種檢測金黃色葡萄球菌的電化學(xué)適配體傳感器；首先將AuNPs-ZIF-8 修飾到GCE上，再將金黃色葡萄球菌的適配體與AuNPs-ZIF-8結(jié)合，使適配體固定在GCE的表面，當(dāng)檢測環(huán)境中出現(xiàn)金黃色葡萄球菌時(shí)，適配體與靶標(biāo)結(jié)合，使電阻值發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)金黃色葡萄球菌的檢測；該方法的檢測范圍為1.5×101～1.5×107 CFU/mL，LOD為3.4 CFU/mL，并可用于檢測水和牛奶樣品中的金黃色葡萄球菌。

4 結(jié) 語

電化學(xué)適配體傳感器在金黃色葡萄球菌的快速檢測方面，相對(duì)于傳統(tǒng)的檢測方法，雖然具有快速、操作簡單、成本低廉等優(yōu)勢，未來應(yīng)用前景較好，但由于其容易受到檢測環(huán)境及樣品基質(zhì)的影響，比如溫度、pH及蛋白質(zhì)、脂類化合物等，會(huì)使適配體的結(jié)構(gòu)及性能產(chǎn)生一定的變化，甚至?xí)屑訇栃缘某霈F(xiàn)，從而影響電化學(xué)適配體傳感器的靈敏度和準(zhǔn)確性；此外，有些納米材料具有毒性，其安全性也制約了電化學(xué)適配體傳感器廣泛的應(yīng)用。目前，電化學(xué)適配體傳感器在檢測金黃色葡萄球菌方面還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，其檢測的穩(wěn)定性和重復(fù)性還有待進(jìn)一步提高，距離商業(yè)推廣應(yīng)用還有一定的差距。

因此，在未來的研究中，可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)和提升。一是提升適配體的穩(wěn)定性，減少檢測基質(zhì)和外界環(huán)境對(duì)檢測結(jié)果的影響；隨著SELEX技術(shù)的發(fā)展，篩選出結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定、特異性更強(qiáng)、性能更優(yōu)異的適配體，這將解決檢測環(huán)境、樣品基質(zhì)對(duì)電化學(xué)適配體傳感器靈敏度和準(zhǔn)確性影響，從而提高檢測的靈敏度和準(zhǔn)確性。二是開發(fā)安全、穩(wěn)定及成本低廉的新型納米材料，提升電化學(xué)適配體傳感器的檢測范圍和靈敏度。三是推動(dòng)電化學(xué)適配體傳感器與人工智能、移動(dòng)電子設(shè)備、無線通信技術(shù)等新技術(shù)的融合，開發(fā)更適合商業(yè)推廣應(yīng)用的便攜式、高通量、數(shù)字化的檢測設(shè)備，推動(dòng)電化學(xué)適配體傳感器的推廣應(yīng)用。

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作者簡介

袁京磊，碩士研究生，正高級(jí)工程師，研究方向?yàn)槭称钒踩珯z測。

（責(zé)任編輯：袁文靜）