利用磁性纳米限制技术进行代谢生物传感，可快速、高灵敏度地检测水环境中的活大肠杆菌O157:H7

《Sensors and Actuators B: Chemical》：Magnetic nanoconfined metabolic biosensing for rapid and high-sensitivity detecting viable E. coli O157:H7 in aquatic matrices

磁捕获微流控生物传感器用于高效检测水环境中大肠杆菌O157:H7，通过磁纳米颗粒富集目标菌体，结合微流控技术实现纳升级液滴封装，利用细菌代谢β-半乳糖苷酶催化荧光底物产生信号，3小时内检测范围达5个数量级，可区分活死细胞消除假阳性，在饮用水、河流及污水处理厂中验证了复杂基质中的高灵敏度和特异性。

　　在当前的公共卫生安全领域，水环境中病原体的快速、准确检测具有极其重要的意义。其中，E. coli O157:H7作为一种极具致病性的大肠杆菌，其污染不仅可能导致严重的食物中毒事件，还可能引发水传播疾病，威胁人类健康。为了应对这一挑战，科研人员一直在探索更高效、更灵敏的检测技术。本文提出了一种创新性的生物传感器——磁捕获细胞代谢液滴（Magnetic-capture Cellular Metabolism Droplet, MCCMD）生物传感器，该技术结合了磁捕获、细菌代谢和液滴微流控技术，为E. coli O157:H7的快速、高灵敏度检测提供了一种新的解决方案。

MCCMD生物传感器的核心原理在于利用磁捕获技术从复杂的水样中高效富集E. coli O157:H7，随后通过细菌代谢反应产生可检测的信号。具体而言，该生物传感器在检测过程中使用了一种特定的荧光底物——荧光素二-β-葡萄糖苷（FDG），当E. coli O157:H7被IPTG（异丙基β-D-1-硫代半乳糖苷）诱导表达β-半乳糖苷酶后，该酶能够降解FDG，从而释放出荧光信号。通过将细菌富集到纳米升级别的液滴中，MCCMD技术显著提高了局部酶的浓度，使得检测过程能够在短时间内完成。此外，该技术还具备区分活细胞与死细胞的能力，从而避免了因死细胞残留的DNA引发的假阳性结果，提升了检测的准确性。

传统的E. coli O157:H7检测方法主要包括培养法、分子诊断技术以及各种生物传感器。培养法虽然被认为是金标准，但其检测周期较长，通常需要24到72小时，且无法有效检测处于休眠状态的“可培养但不可检测”（VBNC）细胞。VBNC细胞虽然在培养基上无法生长，但仍然保留其致病性，一旦环境条件改变，它们可能重新激活并释放毒素，对公共健康构成潜在威胁。分子诊断技术如聚合酶链式反应（PCR）、环介导等温扩增（LAMP）和重组酶介导扩增（RAA）虽然大幅缩短了检测时间，但这些方法依赖于复杂的引物设计，且存在非特异性扩增的风险，导致结果的不确定性。此外，这些方法无法区分活细胞与死细胞，因此可能产生假阳性结果。

为了克服上述问题，近年来研究者们开发了多种新型生物传感器，包括比色型、荧光型、电化学型和拉曼型等。这些传感器通常具备快速、简便和高灵敏度等优势，但在复杂环境中的应用仍面临挑战。例如，在食品和水样等复杂样本中，非目标细菌、自由酶以及杂质的存在可能干扰检测结果，导致假阳性或假阴性。同时，这些技术往往需要额外的信号放大设备，增加了检测的复杂性和成本。因此，迫切需要一种能够实现快速、高灵敏度和准确检测的新型方法，以更好地保障公共健康安全。

MCCMD生物传感器的出现正是为了解决这些问题。该技术通过磁捕获实现对E. coli O157:H7的高效富集，避免了传统方法中因样本复杂性导致的检测困难。随后，通过将富集的细菌封装在纳米升级别的液滴中，MCCMD技术能够显著提高局部酶的浓度，从而增强代谢反应的信号强度。这种微流控技术的应用使得单细胞层面的检测成为可能，提高了检测的分辨率和准确性。此外，由于该技术能够有效区分活细胞与死细胞，因此避免了因非活性细胞残留DNA而导致的假阳性问题，使得检测结果更加可靠。

在实际应用中，MCCMD生物传感器被用于检测饮用水、河流水以及污水处理厂中的E. coli O157:H7。实验结果显示，该技术在复杂环境样本中表现出优异的性能，能够在3小时内完成检测，并且检测范围覆盖约5个数量级。这一成果不仅提高了检测效率，还扩大了检测的适用范围，为环境监测和公共卫生预警提供了强有力的技术支持。相比于传统的qPCR和培养计数法，MCCMD技术能够在不依赖昂贵设备和复杂操作的情况下，实现对E. coli O157:H7的快速、准确检测，为实际应用提供了更高的可行性。

MCCMD生物传感器的开发建立在液滴微流控技术的基础上，而液滴微流控技术近年来取得了显著进展。该技术能够实现对单个细胞的高通量、高灵敏度分析，为环境微生物检测提供了新的思路。在本文中，研究团队基于一种名为“弯曲毛细管离心驱动”（Bent-Capillary-Centrifugal-Drive, BCCD）的系统，实现了均匀、单分散液滴的生成。BCCD系统操作简便，无需外部泵或复杂的微加工工艺，能够在多孔板上在线生成液滴，避免了样本损失和交叉污染的问题。此外，该系统还被用于核酸的数字绝对定量检测，并成功应用于藻酸盐微球的制备，显示出其在单细胞封装和三维培养中的广泛应用前景。

MCCMD生物传感器的另一个重要特点是其能够结合磁捕获与代谢分析，实现对E. coli O157:H7的高效富集和代谢活性检测。磁捕获技术通过特定的磁性纳米颗粒与目标细菌结合，使得细菌能够在复杂的水样中被高效提取。这种提取方式不仅提高了检测的特异性，还减少了样本处理的时间和复杂性。随后，将富集的细菌封装在液滴中，利用其代谢反应产生可检测的信号，这一过程不仅增强了信号的强度，还使得检测能够在单细胞层面进行，从而提高了检测的精确度。

在实验验证过程中，MCCMD生物传感器被应用于多种水样，包括饮用水、河流水以及污水处理厂的水样。结果显示，该技术在不同类型的水样中均表现出良好的性能，能够有效识别E. coli O157:H7的存在，并且在短时间内获得准确的定量结果。这表明MCCMD技术具有广泛的应用前景，不仅适用于实验室环境，还能够满足现场快速检测的需求。对于公共卫生安全而言，这种快速、准确的检测方法能够在病原体污染事件发生时提供及时的预警，帮助相关部门迅速采取应对措施，防止疫情的扩散。

此外，MCCMD生物传感器的开发也为未来的环境监测和病原体检测提供了新的技术路径。传统的检测方法往往需要复杂的实验室设备和专业人员的操作，而MCCMD技术则通过集成磁捕获、代谢分析和液滴微流控技术，实现了一种更为简便、高效的检测方案。这种技术不仅降低了检测成本，还提高了检测的可及性，使得更多资源有限的地区能够负担得起高效的病原体检测手段。同时，该技术的模块化设计也为其进一步优化和应用提供了可能性，例如可以结合人工智能和大数据分析，实现对病原体污染的实时监控和预测。

从长远来看，MCCMD生物传感器的推广和应用将对公共卫生安全产生深远影响。它不仅能够提高病原体检测的效率，还能够增强对水传播疾病的防控能力。在面对突发性污染事件时，该技术能够提供快速、准确的检测结果，帮助公共卫生机构及时采取干预措施，减少疾病传播的风险。此外，该技术还可以用于研究病原体的生态行为，例如其在不同环境中的存活能力、传播路径以及对环境因素的响应机制，从而为病原体的防控策略提供科学依据。

总之，MCCMD生物传感器的出现标志着病原体检测技术的一个重要进步。它通过整合磁捕获、代谢分析和液滴微流控技术，克服了传统方法在检测速度、灵敏度和准确性方面的不足，为快速、高效的E. coli O157:H7检测提供了一种全新的解决方案。随着技术的不断优化和应用的拓展，MCCMD生物传感器有望成为公共卫生安全监测和病原体快速检测的重要工具，为保障饮用水安全、预防水传播疾病以及提升环境监测能力做出重要贡献。