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为检测尿路感染主要致病菌肺炎克雷伯菌（K. pneumoniae），研究人员开发电化学 DNA 芯片，灵敏度高、性能优，意义重大。
尿路感染（Urinary tract infection，UTI）是一种广泛影响泌尿系统的感染性疾病，涉及输尿管、尿道、膀胱和肾脏等器官。它就像一个隐藏在身体里的 “捣乱分子”，感染通常从尿道开始，如果得不到及时治疗，就会像 “侵略者” 一样逐步向膀胱、输尿管甚至肾脏蔓延。UTI 在全球范围内都是一个棘手的问题，影响着各个年龄段的人群。
引发 UTI 的 “幕后黑手” 众多，其中肺炎克雷伯菌作为革兰氏阴性菌的一员，是导致 UTI 的重要病原体之一。它不仅能在水、土壤以及健康人的胃肠道中 “安营扎寨”，还擅长在接触泌尿系统器官时形成生物膜，从而引发感染。更麻烦的是，肺炎克雷伯菌还会产生超广谱 β- 内酰胺酶（ESBL），这使得针对它的感染治疗变得困难重重。
目前，临床检测肺炎克雷伯菌的常用方法，如微生物培养和显微镜检查，存在诸多局限性。微生物培养法耗时较长，还可能遗漏一些难以培养的微生物；显微镜检查则受分辨率限制，无法准确区分活细胞和死细胞。其他检测方法，如血清学检查和分子生物学方法，虽然有一定优势，但往往价格昂贵、操作复杂，需要专业人员和特定的实验室环境才能进行，难以在家庭或基层医疗单位推广使用。
为了解决这些难题，来自马哈里希?马尔坎德什瓦尔大学（被视为大学）马哈里希?马尔坎德什瓦尔工程学院生物科学与技术系等机构的研究人员开展了一项重要研究，致力于开发一种专门用于检测肺炎克雷伯菌的一次性电化学 DNA 芯片。研究成果发表在《Discover Life》上。
研究人员在实验过程中运用了多种关键技术方法。首先，采用水热法合成石墨烯量子点（Graphene Quantum Dots，GQDs），并利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）、粒度分析和荧光光谱等手段对其进行表征。接着，将 GQDs 修饰在丝网印刷的一次性电极上，通过一系列化学反应，将针对肺炎克雷伯菌 fimH 基因的 5’NH?标记的单链 DNA（ssDNA）探针固定在电极表面，构建出 DNA 传感器。然后，运用循环伏安法（Cyclic Voltammetry，CV）、差分脉冲伏安法（Differential Pulse Voltammetry，DPV）和电化学阻抗谱（Electrochemical Impedance Spectroscopy，EIS）等电化学技术对传感器进行分析检测。实验样本来源于 MM 超级专科医院的细菌培养物以及患者尿液样本。
在研究结果方面：
- GQDs 的表征：通过多种光谱分析技术对合成的 GQDs 进行表征，结果显示其存在特定的功能基团，粒径约为 52.48nm，在 317nm 处有最大吸收峰，在 385nm 处有荧光最大值，这些都证实了 GQDs 合成的成功。
- DNA 传感器的电化学表征：利用 CV、DPV 和 EIS 对 DNA 传感器进行电化学分析。当以亚甲基蓝作为氧化还原指示剂进行 CV 检测时，随着肺炎克雷伯菌 DNA 浓度的变化，电流会发生改变，这是因为亚甲基蓝能够与 DNA 的鸟嘌呤碱基结合，其氧化还原行为可通过电化学方法监测，从而实现对 DNA 浓度的精确测量。DPV 检测也表明，加入亚甲基蓝后电流增加，且氧化峰随 DNA 浓度呈现下降变化。EIS 检测则发现，随着 DNA 浓度增加，电荷转移电阻（Rct）增大。
- 电化学 DNA 传感器的性能：通过测试不同浓度的分析物来评估传感器的性能，计算得出其检测限（Limit of Detection，LOD）。使用 CV 分析时，传感器的灵敏度为 70.5mA/mm2/ng，LOD 为 0.002pg/μl；使用 DPV 时，灵敏度为 0.0129mA/mm2/ng，LOD 为 0.1ng/μl。EIS 检测还验证了 DNA 传感器制造的每一步，不同阶段的 RCT 值有所不同。
- DNA 传感器 SPPE 表面的表征：运用 FTIR 和场发射扫描电子显微镜（FESEM）对丝网印刷纸电极表面进行表征，结果证实了电极表面存在不同的功能基团，并且在电极修饰的各个步骤中，其形态发生了明显变化。
- DNA 传感器的特异性、稳定性和验证：通过使用其他细菌的 DNA 来检测传感器的特异性，结果显示肺炎克雷伯菌的峰值电流超过其他细菌。该传感器在 4°C 储存条件下，6 个月内峰值电流仅下降 8%，稳定性良好。此外，用健康尿液样本加标实验进行验证，结果表明该传感器不受尿液中其他成分的干扰，峰值电流的增加证实了固定探针与患者 DNA 样本之间的相互作用。
研究结论表明，该研究成功开发的电化学 DNA 传感器在检测肺炎克雷伯菌方面展现出卓越的性能。GQDs 的独特性质，如较大的表面积与体积比、增强的导电性、良好的溶解性和生物相容性等，显著提升了生物传感器的电化学响应。与其他已开发的传感器相比，该传感器能够检测低至 3.9μg/μl 的浓度，在稳定性、灵敏度和重现性方面表现更优，检测时间仅需 10 分钟，大大优于其他同类传感器。这一研究成果有力地证明了生物传感器技术在准确高效识别病原体方面的巨大潜力，为感染性疾病管理领域的诊断方法改进开辟了新道路。未来，通过内部合成丝网印刷纸基一次性电极，有望进一步降低传感器成本，使其更广泛地应用于临床诊断和基层医疗检测中，为全球对抗尿路感染等疾病提供强有力的技术支持。
