基于双荧光共振能量转移（Dual-FRET）技术的平台，采用经过修饰的 dsDNA 与 Ti3C2Tx MXene 结合，实现高灵敏度的细菌检测

《Microchemical Journal》：Dual-FRET platform based on dsDNA-functionalized Ti 3C 2T x MXene for highly sensitive detection of bacteria

基于MXene的双荧光共振能量转移传感平台用于快速检测E. coli O157:H7和S. aureus，灵敏度达0.61 CFU/mL，15分钟内完成检测，成功应用于牛奶样本分析，展示了高灵敏度和特异性。

　　这项研究聚焦于开发一种创新的荧光传感平台，用于快速、高灵敏度和高选择性地检测病原性细菌。病原性细菌对公共健康和食品安全构成了重大威胁，因此需要更先进的检测技术。传统的检测方法如平板计数、聚合酶链式反应（PCR）和酶联免疫吸附测定（ELISA）虽然在某些方面表现良好，但往往受限于操作复杂性、设备成本和分离步骤的繁琐，难以满足实际应用中对快速响应和便捷操作的需求。

为了克服这些局限性，研究人员设计了一种基于荧光共振能量转移（FRET）原理的新型传感系统。该系统利用了修饰过的Ti3C2Tx MXene纳米载体，通过双链DNA（dsDNA）的组装实现对荧光标记的适配体进行高效猝灭，并实现对目标细菌的特异性识别。这种设计的核心在于利用MXene材料的独特性质，包括其分子负载能力、良好的生物相容性、FRET能力以及可调节的表面化学特性，使其能够作为高效的“能量受体”，从而实现荧光信号的高效猝灭。

具体而言，研究人员通过将带有羧基的Ti3C2Tx MXene纳米片与氨基修饰的互补DNA（cDNA）进行共价连接，构建了dsDNA功能化的Ti3C2Tx复合物。随后，荧光标记的适配体与cDNA结合，形成稳定的dsDNA结构，进而引发FRET过程，导致荧光信号的猝灭。当目标细菌被引入时，适配体优先与细菌结合，从MXene表面解离，从而恢复荧光信号，实现对细菌的检测。这种机制不仅能够快速响应，还具备高灵敏度和优异的选择性，使其在实际应用中具有广泛的前景。

在实验验证方面，研究人员选择了大肠杆菌O157:H7和金黄色葡萄球菌作为典型的目标细菌。通过实验测定，该传感器对这两种细菌的检测限（LOD）分别达到了0.61 CFU/mL和1.62 CFU/mL，响应时间仅需15分钟。这些数据表明，该传感平台在灵敏度和响应速度方面均优于现有的大多数FRET基生物传感器。此外，该方法还表现出良好的重复性和稳定性，成功应用于人工污染的牛奶样品检测。实验结果显示，金黄色葡萄球菌的回收率在90.2%至114.3%之间，相对标准偏差（RSD）在1.4%至7.4%之间；而大肠杆菌O157:H7的回收率在91.7%至93.6%之间，RSD在5.2%至8.7%之间，进一步验证了该方法在实际样品分析中的可靠性。

这项研究还探索了MXene材料在生物传感领域的应用潜力。通过结合适配体、FRET技术和dsDNA功能化的Ti3C2Tx MXene，研究人员构建了一个具有高特异性、高灵敏度和快速响应能力的传感平台。这种平台不仅为病原性细菌的检测提供了新的思路，还为其他生物目标的检测，如重金属和病毒，开辟了新的途径。通过这一研究，MXene材料的应用得到了进一步拓展，为下一代生物传感器的开发奠定了基础。

在材料选择方面，所有用于检测的细菌适配体及其互补链均按照现有文献进行筛选，并由Tsingke生物科技有限公司进行合成。羧基修饰的Ti3C2Tx MXene纳米片则由Beike 2D材料有限公司提供。此外，N-羟基琥珀酰亚胺（NHS）和1-乙基-3-(3-二甲基氨基丙基)碳二酰胺盐酸盐（EDC）等化学试剂也从Macklin生物化学技术公司获得。这些材料的选择为构建高效的传感系统提供了必要的基础。

在实验设计和实施过程中，研究人员采用了多种方法进行验证和优化。例如，通过将AMCA（一种蓝色荧光染料，激发波长为350 nm，发射波长为450 nm）和Cy5（一种近红外染料，发射波长为670 nm）分别标记的适配体与Ti3C2Tx MXene结合，构建了两种不同的传感系统，分别用于检测大肠杆菌O157:H7和金黄色葡萄球菌。这些染料的选择不仅基于其各自的光学特性，还考虑到它们在不同波长下的吸收和发射特性，以确保FRET过程的有效性。

通过实验数据的分析，研究人员发现该传感平台在多个方面表现出色。首先，其响应时间极短，仅需15分钟即可完成检测，显著优于传统方法。其次，其检测灵敏度极高，能够检测到极低浓度的目标细菌，这对于食品安全和环境监测具有重要意义。此外，该平台还表现出良好的选择性，能够在复杂的样品中准确识别目标细菌，避免了其他物质的干扰。这种高选择性得益于适配体与目标细菌之间的高亲和力和特异性结合，以及MXene材料对荧光信号的高效猝灭能力。

在实际应用方面，该传感平台已经成功应用于牛奶样品的检测，证明了其在复杂样品中的适用性。实验结果显示，该方法能够有效地回收目标细菌，并且在检测过程中表现出较低的变异系数（RSD），表明其具有良好的重复性和稳定性。这些特性使得该平台不仅适用于实验室研究，还能够广泛应用于实际的食品安全检测中，为快速、准确的细菌检测提供了新的工具。

此外，该研究还强调了MXene材料在生物传感领域的广泛应用前景。Ti3C2Tx MXene作为一种二维过渡金属碳化物，具有较大的比表面积和丰富的表面官能团，使其成为理想的荧光猝灭材料。通过调整表面化学特性，MXene可以与不同类型的荧光染料结合，从而实现对多种生物目标的检测。这种灵活性使得MXene在生物传感领域具有广阔的应用空间，不仅可以用于检测细菌，还可以扩展到其他生物分子的检测，如病毒、重金属离子等。

在方法学方面，该研究采用了双FRET机制，通过适配体与目标细菌之间的特异性结合，实现对荧光信号的调控。这种机制的关键在于适配体与MXene表面之间的相互作用，以及染料与MXene之间的FRET过程。当适配体与目标细菌结合后，其从MXene表面解离，从而恢复荧光信号，这一过程可以被用来定量检测目标细菌的浓度。通过这种设计，研究人员不仅实现了对细菌的高灵敏度检测，还为其他生物目标的检测提供了新的思路。

综上所述，这项研究提出了一种基于双FRET机制的新型荧光传感平台，能够快速、高灵敏度和高选择性地检测病原性细菌。该平台利用了Ti3C2Tx MXene材料的独特性质，结合适配体和荧光染料，实现了对目标细菌的高效猝灭和特异性识别。实验结果显示，该方法在实际应用中表现出良好的性能，能够有效应用于复杂样品的检测，如牛奶样品。这一研究成果不仅为食品安全和环境监测提供了新的工具，还为下一代生物传感器的开发奠定了基础，具有重要的科学价值和实际应用意义。