基于微针贴片的分子印迹光子晶体水凝胶传感器用于食品中金黄色葡萄球菌的快速无标记检测

《Sensors and Actuators B: Chemical》：Microneedle patch-based molecularly imprinted photonic crystal hydrogel sensor for the rapid and label-free detection of Staphylococcus aureus in food

　　

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  以葡萄球菌蛋白A为识别模板开发的MIPCH传感器。
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  制备基于HMNP的装置用于湿润食品基质采样。
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  HMNP-MIPCH集成可在30分钟内实现金黄色葡萄球菌的快速采样与检测。

引言

食源性病原菌仍然是全球公共卫生的主要威胁。金黄色葡萄球菌是一种普遍存在的病原体，常与食物中毒相关[1]、[2]、[3]，而其在复杂食品基质中的快速检测仍极具挑战性。传统的培养法耗时较长，而其他方法，如PCR[4]、[5]、[6]和免疫分析法[7]、[8]，则存在样品前处理复杂、成本高昂或依赖专用设备等问题。因此，开发快速、简便、灵敏且可靠的金黄色葡萄球菌检测方法至关重要。

分子印迹聚合物（MIPs）因其成本低、稳定性高且制备简便，已成为极具前景的合成识别材料。MIPs最初用于小分子，现已逐渐拓展到蛋白质和完整细菌细胞[9]、[10]。在各种印迹策略中，表面生物标志物印迹提供了更为明确的识别机制。对于金黄色葡萄球菌，葡萄球菌蛋白A（SPA）是一种广泛分布的细胞壁相关蛋白，已被用作有效的印迹模板[11]。然而，虽然基于MIP的平台具有优异的分子识别能力，但在目标结合后通常无法直接产生可读信号，需要额外的信号转导策略（如荧光标记[12]或电化学转换[13]、[14]）。此外，大多数现有的细菌印迹平台仍依赖复杂的样品前处理步骤，使其不太适用于复杂食品基质的直接检测。

为了克服传统MIP的信号转导局限性，光子晶体（PCs）提供了一种基于结构色变化的无标记光学传感策略[15]。根据布拉格衍射关系（公式1），由目标结合引起的晶格间距和有效折射率的变化可以直接通过衍射波长的偏移来反映。$$m\lambda =2n_{eff}d\cos \theta$$其中m为布拉格衍射级数，λ为衍射波长（nm），d为两个晶面之间的距离（即晶格参数），n_eff为有效折射率，θ为入射光角度。

特别地，反蛋白石光子晶体由于其有序的一维（1D）多孔结构而表现出增强的光学响应性[16]。然而，尽管具有光学优势，基于PC的传感器在直接应用于复杂食品基质时仍面临挑战，缺乏有效的采样和分离手段。此外，传统PCs缺乏特异性识别位点，进一步限制了其在复杂体系中的选择性[17]、[18]。

为了克服这些识别局限性，分子印迹技术可以利用模板分子诱导形成具有特定结合位点的聚合物网络[19]、[20]。将MIPs与PC结构结合，构建兼具高灵敏光学响应和特异性识别功能的智能传感材料，已成为研究热点。这种组合不仅保留了PCs的高灵敏光学响应特性，还赋予传感器选择性捕获目标分子的能力。这种策略称为分子印迹光子晶体（MIPCs），能够在分子识别事件发生的同时实现原位、无标记的信号转导，从而避免额外的标记或转导步骤。MIPCs已成功应用于小分子和霉菌毒素的检测[21]、[22]、[23]。然而，其在细菌靶标（尤其是完整细菌）领域的应用仍然较少。

为了简化样品前处理并提高采样效率，微针贴片（MNPs）作为一种微创、便携且高度集成的采样平台，引起了越来越多的关注[24]、[25]。传统的均质化、过滤和离心操作耗时且容易产生基质干扰[26]。相比之下，MNPs能够从高水分动物肌肉食品基质（如鲜肉、鱼类和植物组织）中快速、低破坏性地直接提取液体成分[27]、[28]、[29]。因此，将基于MNP的采样与印迹光子晶体水凝胶（MIPCH）传感相结合，可能为复杂食品基质中金黄色葡萄球菌的快速检测提供简单高效的策略[30]。

基于上述分析，本研究将蛋白A-MIPCH与基于微针的采样平台集成，构建了用于采样和检测的MNP-MIPCH传感分析平台。MIPCH凭借其"识别即信号"的无标记光学转导机制，解决了信号读取的挑战，而MNPs则解决了样品前处理和快速采样的瓶颈。两种组件协同工作，实现金黄色葡萄球菌的现场快速检测。具体而言，利用新兴的3D打印技术制备了中空微针贴片（HMNP），并与注射器结合以增强采样速率和体积。以SPA为模板、丙烯酰胺为功能单体、N,N'-亚甲基双丙烯酰胺为交联剂，制备了反蛋白石MIPCH膜并构建了MIPCH传感器。研究了模板分子、功能单体和交联剂的用量比对分子印迹水凝胶膜的影响。此外，还测定了MIPCH对金黄色葡萄球菌检测的传感性能、选择性、吸附动力学、特异性和重复性。最后，通过将HMNP的非破坏性快速采样能力与PC分子印迹的无标记特异性识别能力相结合，建立了集成的HMNP-MIPCH采样-检测平台，实现了对高水分动物肌肉食品基质中金黄色葡萄球菌的快速现场采样与检测。

章节摘要

试剂

UHR(001)树脂购自宁波迈杰特数字科技有限公司。苯乙烯、丙烯酰胺（AM）（货号A8887；水溶性：2.5 g/10 mL）和甲基丙烯酸甲酯（MMA）购自Merck，过硫酸铵（APS）由Ron's Reagent提供。N,N'-亚甲基双丙烯酰胺（MBAA）（货号M104026；水溶性：35 g/L）和十二烷基硫酸钠（SDS）由阿拉丁化工公司供应。牛血清白蛋白（BSA）购自碧云天生物。

原理

MNP基MIPCH传感器用于金黄色葡萄球菌检测的制备原理如图1所示。为了从食品样品的间隙液中高效提取细菌，采用3D打印技术制备的HMNP穿透食品样品表面，并结合注射器产生的压差进行采样。SPA MIP是一种具有三维网络孔结构的水凝胶薄膜，以由PS微球制备的反蛋白石PCs为模板形成

结论

本研究建立了一个集成HMNP提取模块与MIPCH传感器的分析平台，用于高水分动物肌肉食品基质中金黄色葡萄球菌的快速无标记检测。在该平台中，HMNP能够简便高效地从复杂食品基质中提取含有金黄色葡萄球菌的间隙液（ISF），而MIPCH以SPA为模板、AM为功能单体、MBAA为交联剂制备，实现对金黄色葡萄球菌的特异性识别。而非

CRediT作者贡献声明

唐青：方法学、数据整理。赵依寻：方法学。刘新梅：项目管理。冯硕嫄：调查。杨杰：方法学。鞠岩敏：监督。邸斌：监督。江辉：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，项目管理，方法学。杨俊：撰写——审阅与编辑，监督。江董磊：方法学，调查。夏俊宏：撰写——初稿，方法学。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所述工作的已知竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到国家重点研发计划（2022YFF1101002，2022YFF1101000）、国家自然科学基金（32202176）、国家市场监督管理总局科技创新人才计划（QNBJ202328）和江苏省市场监督管理局科技项目（KJ2026026）的支持。

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