周楠迪教授团队在Analytical Chemistry发表基于微电极阵列的适配体传感器用于食源性致病菌的多靶标检测的研究成果

近期，我校生物工程学院周楠迪教授团队在食品安全检测方面获得重要进展。研究成果“Site-Selective Electrodeposition on a Microelectrode Array Chip for Parallel Detection of Staphylococcus aureus and Escherichia coli”正式发表于期刊Analytical Chemistry（IF=6.7）(https://doi.org/10.1021/acs.analchem.5c07589)。

金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus，S. aureus）与大肠杆菌（Escherichia coli，E. coli）是自然环境中广泛分布的食源性致病菌，可通过污染食品、水源等途径传播，引发食物中毒、肠道感染等疾病，严重威胁公共卫生安全。因此，实现两种致病菌的快速准确同步检测，在食品安全监管及环境监测中具有至关重要的意义。传统致病菌检测方法主要有菌落分离培养法、聚合酶链反应及酶联免疫吸附试验等，这些方法虽检测结果可靠，但通常检测通量低，仅能实现单一菌种的检测，且存在操作繁琐耗时、设备复杂、检测成本高等缺点，难以满足实际场景中多种致病菌快速同步检测的需求。

该研究聚焦于上述方法的局限性，将位点选择性电沉积技术与定向分子分配策略相结合，构建了一种基于微电极阵列（Microelectrode Array，MEA）的多重适配体（Aptamer）传感器，可实现S. aureus与E. coli的同步、高灵敏的全细胞致病菌检测，为多靶标致病菌现场快速检测提供了新途径。

为实现多靶标病原菌的同步无串扰检测，本研究将8×8 MEA芯片划分为两个独立功能区域，分别用于构建石墨烯-聚吡咯/双链DNA（GO-PPy/dsDNA_SA）复合传感界面与金纳米颗粒/壳聚糖-金/双链DNA（AuNPs/CHI-Au/dsDNA_EC）复合传感界面，两个区域的电极通过差异化修饰策略，完成位点选择性电沉积功能化改性。亚甲基蓝（Methylene blue，MB）可通过疏水相互作用与π-π堆积作用，稳定嵌入DNA双螺旋结构的大沟槽中。当检测体系中存在目标病原菌S. aureus与E. coli时，靶标菌会与对应传感界面上的特异性Apt发生竞争性结合，导致dsDNA中的互补链被置换，同时使嵌入dsDNA中的MB从电极表面释放。该过程引发电化学信号强度降低，可通过SWV进行定量检测，信号变化幅度与体系中靶标菌的浓度具有定量相关性，从而实现对S. aureus与E. coli的定量检测。（图1）。

图1 基于MEA的适配体传感器用于多靶标病原菌检测的制备与检测机制示意图：（A、B）采用玻璃环作为电化学储液池，芯片中央部分包含金馈线及64个微电极的MEA电极；（C）8×8 MEA布局；（D、E）德克萨斯红标记的Apt_EC与6-FAM标记的Apt_SA在AuNPs/CHI-Au电极上的荧光显微图像；（F、G）GO-PPy电沉积电极上孵育Apt_SA和Apt_EC后的拉曼光谱；（H）AuNPs/CHI-Au/dsDNA_EC复合传感界面捕获E. coli的SEM图像；（I）GO-PPy/dsDNA_SA复合传感界面捕获S. aureus的SEM图像；（J）三电极系统的示意图；（K）GO-PPy/dsDNA_SA复合传感界面及AuNPs/CHI-Au/dsDNA_EC复合传感界面的构建

实验表明，为了评估基于MEA的适配体传感器的检测性能，测量了不同浓度S. aureus和E. coli的样品。检测系统的电化学衰减信号强度（∆I）随着目标浓度的增加而增加，在最佳条件下，传感器的线性响应范围为10¹~10⁷ CFU·mL⁻¹，检测限低至8.8 CFU·mL⁻¹及25.4 CFU·mL⁻¹。（图2AB）当传感器用于S. aureus和E. coli及混合菌的检测时获得信号显著高于其他干扰菌，表明该传感器具有较好的特异性和抗干扰性。（图2CD）在湖水和蜂蜜水的实际样本测试中，S. aureus和E. coli的加标回收率分别达到93.53%~106.70%和96.10%~107.23%，相对标准偏差（RSD）均低于10.63%，展现了出色的准确性与抗干扰能力。此外，传感器在4℃储存12天后仍能保持96%以上的信号稳定性，为长期使用提供了保障（图2EF）。

图2 （A）SWV峰值电流变化与S. aureus浓度的关系（插图： SWV下降强度与细菌对数浓度呈线性关系）；（B）SWV峰值电流变化与E. coli浓度的关系（插图： SWV下降强度与细菌对数浓度呈线性关系）；（C）GO-PPy/dsDNASA复合电极对S. aureus的选择性及抗干扰能力；（D）AuNPs/CHI−Au/dsDNAEC复合电极对E. coli的选择性及抗干扰能力；基于MEA的适配体传感器对（E） 104 CFU·mL⁻¹ S. aureus及（F）104 CFU·mL⁻¹ E. coli的稳定性。

上述研究工作中，江南大学23级硕士汪小艺为论文第一作者，副研究员张雨婷老师为论文的通讯作者。研究工作得到了国家自然科学基金项目（62301234，32371430，42177212）和无锡市科技发展基金项目（K20221015）等资助。

近年来周楠迪教授团队在核酸适配体的筛选优化和应用、分子诊断技术、新型纳米生物传感器的研制、智能纳米器件的构建和应用、POCT产品研制、食品风味分析和安全检测、发酵过程中代谢物监测等方面取得丰硕成果，相关成果发表在Analytical Chemistry、Biosensors and Bioelectronics、ACS Applied Materials & Interfaces、Sensors and Actuators B: Chemical、Food Chemistry、Journal Agricultural and Food Chemistry等本领域权威期刊。