基于细菌印迹聚多巴胺和磁性纳米复合修饰剂的大肠杆菌超灵敏选择性电化学生物传感器

《Scientific Reports》：An ultrasensitive and selective electrochemical biosensor for Escherichia coli based on bacteria-imprinted polydopamine and a magnetic nanocomposite modifier

本研究针对食品和水源中大肠杆菌快速检测的难题，开发了一种新型电化学生物传感器。研究人员通过合成磁性氧化石墨烯-离子液体-钯纳米复合材料（MGO-IL-Pd）修饰电极，并结合电聚合细菌印迹聚多巴胺（BIP）薄膜，实现了对E. coli的高选择性检测。该传感器在5.0-1.0×107 CFU/mL范围内呈现良好线性关系，检测限低至1.5 CFU/mL，在真实样本中回收率达97%-103%，为病原体快速检测提供了新技术方案。

　　

在全球食品安全形势日益严峻的背景下，食源性病原体引起的疾病每年导致超过40万人死亡，其中大肠杆菌（Escherichia coli）作为常见的腹泻致病菌，在食品和水源污染中普遍存在。这种细菌不仅自然栖息于温血动物肠道，更是饮用水和娱乐用水粪便污染的关键指标。然而，传统的E. coli检测方法如定量聚合酶链反应（qPCR）、酶联免疫吸附测定（ELISA）和培养法都存在明显局限：或需要昂贵设备、专业操作人员，或耗时长达数天，难以满足现场快速检测的需求。

面对这一挑战，伊朗亚苏吉大学的研究团队在《Scientific Reports》上发表了一项创新研究成果，他们成功开发了一种基于细菌印迹聚多巴胺（BIP）和磁性纳米复合材料修饰的超灵敏、高选择性电化学生物传感器。该传感器巧妙地将分子印迹技术的特异性识别能力与纳米材料的信号放大功能相结合，为E. coli的快速检测提供了全新解决方案。

研究团队采用了几项关键技术方法：首先通过化学合成制备了磁性氧化石墨烯-离子液体-钯（MGO-IL-Pd）三元纳米复合材料作为电极修饰剂；利用电聚合方法在电极表面沉积聚多巴胺（PDA）薄膜，并在聚合过程中引入E. coli作为模板分子；通过洗脱模板形成特异性识别位点；采用方波伏安法（SWV）和循环伏安法（CV）对传感器性能进行系统评价；使用真实临床样本（来自伊朗亚苏吉Doustimotlagh病理实验室的匿名尿液和血清样本）进行方法验证。

3.1. MGO-IL-Pd的表征

通过多种分析技术对合成的MGO-IL-Pd纳米复合材料进行了全面表征。X射线衍射（XRD）分析显示在18.3°、30.3°、35.6°等位置出现了八个明确衍射峰，与Fe₃O₄的标准谱图（JCPDS card no. 19-0629）完全匹配，表明Fe₃O₄纳米颗粒在修饰过程中保持了晶体结构。傅里叶变换红外光谱（FT-IR）在3420 cm^-1处观察到O-H键的宽峰，2830和2955 cm^-1处的信号对应离子液体丙基基团中的C-H键，而1750、1635和1100 cm^-1处的峰分别与GO中的羧基C=O、芳香族C=C和C-O键相关。场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）显示纳米复合材料粒径在20-100纳米范围，呈现均匀或不规则形状。热重分析（TGA）表明材料在三个温度阶段（10-150°C、152-225°C和230-580°C）出现重量损失，分别对应溶剂蒸发、有机组分释放和GO组分分解。振动样品磁强计（VSM）测得的饱和磁化值为37 emu/g，证实了材料的磁性特性。

3.2. MGO-IL-Pd/MGCE的表征

通过SEM对修饰电极的形貌特征进行了序列观察。结果显示，裸电极表面清洁无物质覆盖；BIP薄膜均匀分布在电极表面；目标细菌与聚合物表面结合后，经冲洗的修饰电极表面出现明显孔隙，表明细菌与修饰电极表面具有较强的粘附能力。

3.3. 设计传感器的电化学研究

采用CV技术分析了BIP/GCE、NBIP/GCE和BIP/MGCE在含5 mM [Fe(CN)₆]^3-/4-和0.1 M KCl溶液中的电化学特性。电聚合后峰值电流显著降低，表明聚合成功；经浸出溶液（0.01 M SDS）处理15分钟后，由于模板去除形成空腔，[Fe(CN)₆]^3-/4-的峰值增强；当BIP/GCE暴露于10⁴ CFU/mL E. coli溶液时，细菌分子重新结合到共聚物基质，导致峰值电流降低。非印迹聚合物（NBIP/GCE）在模板去除后没有显著变化。BIP/MGCE的氧化还原电流较裸电极显著增加，表明MGO-IL-Pd纳米复合材料增强了电极表面的电子转移。

电化学阻抗谱（EIS）分析显示，电聚合后出现明显的高频半圆，表明电极表面形成非导电层；E. coli去除后半圆尺寸减小，证实了细菌尺寸孔隙的形成；细菌重新结合后半圆尺寸再次增大，成功验证了BIP薄膜的形成。BIP/MGCE经洗脱溶液处理后半圆尺寸急剧减小，证实纳米复合材料促进了电极界面的电子传输。

3.4. 实验条件优化

对积累时间、聚合循环次数和洗脱时间等参数进行了优化。积累时间在15分钟时达到饱和；聚合循环次数在10循环时获得最佳性能；洗脱时间在15分钟时形成最大空腔数量。扫描速率影响研究表明，在10-100 mV/s范围内，峰电流与扫描速率呈线性关系（R²>0.99），表明电化学过程主要为吸附控制。

3.6. 设计传感器的选择性

BIP/MGCE传感器对E. coli表现出高度选择性。在存在表皮葡萄球菌（S. epidermidis）、金黄色葡萄球菌（S. aureus）和白色念珠菌（C. albicans）等微生物的情况下，传感器对E. coli的电流变化（ΔI）显著高于其他测试微生物。干扰研究表明，即使干扰物种浓度达到1000倍，传感器对E. coli的检测仍保持高度选择性，相对误差百分比（RE%）在可接受范围内。

3.7. 设计传感器的性能指标

BIP/MGCE电化学生物传感器在5.0至1.0×10⁷ CFU/mL的E. coli浓度范围内表现出优异的检测性能。SWV响应随E. coli浓度增加而降低，归因于BIP对E. coli的选择性识别阻碍了电子传递。电流变化与E. coli浓度对数在5.0至1.0×10⁷ CFU/mL范围内呈强线性关系，线性回归方程为I=122.58-24.96logC（R²=0.992）。检测限（LOD）和定量限（LOQ）分别低至1.50 CFU/mL和4.95 CFU/mL。日内和日间重复性测试的相对标准偏差（RSD%）分别为1.50%和2.69%，五个相似传感器的RSD为2.83%，表明传感器具有优异的稳定性和重现性。传感器在多次结合/洗脱循环后仍保持良好性能，在10³和10⁵ CFU/mL浓度水平的RSD分别为2.20%和1.03%。

3.8. 比较研究

与已报道的E. coli检测方法相比，BIP/MGCE电化学生物传感器表现出更宽的线性范围（5.0至1.0×10⁷ CFU/mL）和更低的检测限（1.5 CFU/mL），优于石墨化介孔碳修饰电极（LOD：50.4 CFU/mL）和C₆₀免疫传感器（LOD：15.0 CFU/mL）等方法。

3.9. 实际样品分析

传感器在真实样品（人尿液和血清）中表现出高准确度和精密度。尿液样品中回收率为98%-103%，RSD为0.52%-1.06%；血清样品中回收率为97%-102%，RSD低于2%，证明传感器在复杂生物基质中的可靠性。

该研究成功开发了一种基于聚多巴胺和MGO-IL-Pd纳米复合材料的新型电化学生物传感器，实现了对E. coli的超灵敏、高选择性检测。传感器结合了细菌印迹聚合物的特异性识别能力和纳米复合材料的信号放大功能，克服了传统BIP传感器灵敏度限制的重大突破。其卓越性能（检测限1.5 CFU/mL，检测时间短）以及在真实生物样本中的高精度检测能力，为食品安全监测和临床诊断提供了强有力的技术工具。这项研究的创新之处在于巧妙地将分子印迹技术与纳米材料科学相结合，为各种细菌物种的简单检测策略开发奠定了基础，在公共卫生和安全领域具有重要的应用前景。