陈颖教授课题组: 一种高性能的致病菌电化学传感策略——分子印迹聚合物与MOF辅助氧化还原循环放大联用

    近日，长江大学化学与环境工程学院陈颖教授课题组在食源性致病菌的检测方面取得重要研究进展，相关研究成果以题为“Molecularly imprinted polymer combined with MOF-assisted redox recycling amplification: A powerful electrochemical sensing strategy for pathogenic bacteria”的学术论文发表于分析化学领域国际著名期刊《Sensors and Actuators B: Chemical》（IF=8.4，中科院一区Top期刊）上。硕士研究生刘洋为论文第一作者，陈颖教授为论文通讯作者。该研究受国家自然科学基金（21605007）和湖北省自然科学基金（2023AFB906）项目的资助。

成果简介

     食源性疾病是当前全球突出的公共卫生问题之一，其中食源性致病菌扮演着重要的致病角色。金黄色葡萄球菌（S. aureus）是一种常见的食源性致病菌，寄生于皮肤、鼻腔、咽喉、胃、空气和污水等环境中。据统计，该菌约占食源性微生物引发食物中毒事件的25%。建立一种快速有效的食源性细菌分析方法对于确保食品安全和诊断细菌感染具有重要意义。传统基于培养的细菌检测方法虽然可靠，但局限于操作复杂、耗时和灵敏度有限。免疫学检测和分子生物学检测等无需培养的方法在省时和提高灵敏度方面具有一定优势，然而样品预处理复杂、成本高以及操作技术要求较高等问题仍存在。因此，迫切需要发展一种高灵敏、低成本且快速的食源性致病菌无损分析方法，为食品安全和细菌感染诊断领域提供必要的方法学支撑和技术支持。

生物识别元件是电化学生物传感器的关键组成部分之一。近年来，适体(Aptamer, Apt)因其稳定性好、广泛适用性和易于合成/修饰等优点而成为抗体的替代品。分子印迹聚合物(Molecularly imprinted polymer, MIP)是一种嵌入分子印迹的聚合物基质，可以提供与模板靶的尺寸、形状、官能团等相匹配的定制结合位点，被公认为抗体模拟受体。此外MIP还具有制备简单快速、成本低和良好稳定性等优势。

本研究通过将Apt组装在纳米金修饰的MOF表面制备具有靶标识别功能的纳米信号探针；通过电聚合和模板去除法在电极表面原位形成S. aureus细菌印迹层，作为捕获探针。当目标致病菌存在时，细菌印迹修饰电极捕获细菌，进一步与纳米信号探针结合形成夹心结构，继而固载大量亚甲基蓝(MB)，通过与检测底液中的电活性[Fe(CN)6]3−/4−发生氧化还原循环反应以显著增强电化学响应信号。该方法由于将人工合成受体的双重识别及MOF调控下氧化还原循环放大相结合，展现出优异的分析性能，具有实际样品中细菌分析的巨大潜力。

研究亮点

•    将分子印迹技术与电化学传感器相结合，显著降低成本且操作简便。

•    相较于传统signal-off型MIP致病菌直接检测法，构建signal-on夹心检测模型灵敏度高。

•    首次通过MB和[Fe (CN)₆]^3−/4−之间的电化学氧化还原循环反应增强特征峰电流，实现高效的信号放大。

•    该方法具有出色的分析性能、快速操作及广泛适用性。

图文赏析

图1. 实验方案原理图

图2. Fe-MIL-88的SEM、EDS图像及XRD谱图

图3. 修饰电极表面的SEM图像

图4. (A) 电极修饰过程的CV表征 (B) (C) 可行性研究

图5. 灵敏性研究

图6. 选择性研究。

研究结论

本研究构建了一种信号放大的夹心型电化学生物传感器，实现了S. aureus的快速、灵敏、选择性分析。该传感器将BIF选择性界面和MOF辅助氧化还原循环放大联用，具备低至1 CFU mL⁻¹的检测限和良好的选择性，并可用于复杂样品检测。此外，通过替换不同的印迹模板和适体，本方法在检测其他细菌方面也展示出巨大潜力。总之，该方法具有出色的分析性能、高效快速操作及广泛适用性，在食品安全分析和细菌感染诊断领域具有广阔的应用前景。

原文链接

https://doi.org/10.1016/j.snb.2024.135682