基于理性表面工程的纳米结构生物传感器用于细菌检测研究

《Biosensors and Bioelectronics》：Advanced nanostructured biosensors enabled by rational surface engineering for bacterial detection

本文报道了一种通过理性表面工程构建的纳米结构生物传感器，该传感器基于硼酸功能化的氧化铟锡垂直纳米线（ITO-VNWs），利用电化学阻抗谱（EIS）实现细菌检测。通过优化纳米线几何结构和表面化学修饰，增强了细菌粘附并实现了通过顺式二醇-硼酸酯键形成的电信号转导。该传感器具有宽动态检测范围（101–107 CFU mL-1）、快速响应（9分钟内）和高特异性，为实时、无标记鉴别革兰氏阴性菌提供了新策略。

　　

Section snippets

Experimental section

材料和实验细节在补充材料的S1节中描述。

Sensing scheme of nanostructured biosensors

为了设计具有高细菌检测特异性的功能表面，研究人员探索了多种生物识别元件，包括抗体、核酸、伴刀豆球蛋白A和噬菌体。在这项工作中，我们利用小分子硼酸（BA）对ITO-VNWs表面进行功能化，旨在增强对革兰氏阴性大肠杆菌的亲和力。如图1所示，BA与细菌表面糖蛋白上丰富的顺式二醇（cis-diol）基团形成共价硼酸酯键，从而在EIS测量中实现选择性捕获。

Conclusions

我们开发了一种经过理性设计的传感表面，该表面由经过BA表面修饰的ITO-VNWs组成，可增强细菌捕获和检测能力。XDLVO分析确定了一种优化的纳米级粗糙度、亲水性和线间间距的组合，该组合能最大化细菌与表面的相互作用，并指导生物传感器的设计。该生物传感器对革兰氏阴性菌表现出更高的敏感性，能够清晰地区分革兰氏阳性菌。EIS结果证实了该平台在复杂实际样品（如牛奶和果汁）中进行快速、灵敏细菌检测的能力。这项工作展示了纳米级表面工程与基于XDLVO的界面相互作用建模相结合如何指导生物传感器优化，为开发用于实时、无标记细菌检测的先进诊断工具提供了一条途径。