中国工程院食品安全院士团队

科研成果转化平台

微生物检测现状与需求

传统微生物检测长期被“精度与效率不可兼得”的瓶颈束缚：摇瓶和微孔板操作繁琐，难以并行摸索成千上万种条件；液滴微流控虽能生成皮升级液滴，却常受限于“单一实验条件”。更棘手的是“观察与通量”两难——显微镜成像细节丰富，却只能逐帧捕捉数千个液滴；激光荧光检测速度飞快，却丢失了微生物在液滴内的空间分布信息。

2025年6月11日，德国Hans-Knöll研究所与耶拿大学团队在《Analyst》发表封面文章，报道了一套全新的“液滴-光流控”一体化平台。该平台首次将多重液滴制备、实时荧光编码识别与在线显微拍照结合在一起，让传统需要数天、分批进行的微生物实验缩短到数小时，并可在一次实验中轻松完成上万种条件的并行测试。

实验方法：多维度设计构建完整检测体系

图 1 集成平台的三阶段工作流程

如图1清晰呈现了技术的核心框架，分为多通道液滴库生成、培养和光流控检测三个阶段。

l  样本与试剂制备

碳源与染料：测试11种碳源（如葡萄糖、麦芽糖、氨基酸等），终浓度均为20 mg/mL；使用Alexa-flour 488、Alexa-flour 647、DY557三种染料，每种设2个浓度梯度，通过红、远红染料组合生成荧光条形码以标记不同碳源条件。

l  液滴生成与培养

多通道液滴库构建：借助自动化液体处理系统（MitosDropix）混合细菌、碳源与染料，生成皮升级液滴，每条件产4.5-6万个；通过荧光条形码区分11种碳源（各设2个重复）及2个对照，共24个实验条件。液滴在37℃动态培养24小时，模拟微生物生长环境。

l  光流控检测与分析

液滴注入定制芯片后，经405、561、639 nm激光激发，光纤收集荧光信号以识别条形码，下游相机触发流式成像，通过背景减除、边缘检测等算法量化细菌生物量（占液滴面积比例）。作为对比，部分液滴采用Zeiss Axio Observer Z1显微镜在10×放大倍数下成像，每视野约300个液滴，同样用于生物量量化。数据分析时，通过HDBSCAN聚类识别荧光条形码，并借助正态分布拟合过滤异常液滴（仅保留峰值宽度在十分之一最大值内的液滴）。

实验结果：方法可靠且效率显著提升

l  荧光条形码识别效果

图 2 荧光条形码聚类分析

经过滤算法处理后，光流控检测的荧光条形码聚类更集中（图2），与显微镜相比，因荧光信号为平均值且仅取峰值，聚类稳定性更高。

红、远红染料组合理论可生成90种条形码，实验中24种均被准确识别，24小时培养后仍稳定可辨（仅因液滴收缩略有强度偏移），误分类率仅2%。

l  生长量化与方法一致性

图 3 碳源利用实验对比

碳源利用实验显示：大肠杆菌在麦芽糖上生长最佳（生物量归一化值1.0），木糖最差（≈0.0），氨基酸作为唯一碳源时生长微弱（如丙氨酸≈0.05），与微生物代谢特性一致。

并且光流控与显微镜结果高度相关，皮尔逊相关系数0.94，斯皮尔曼相关系数0.95（图3），证明方法可靠性。

l  效率优势显著

光流控系统5分钟可分析超1万个液滴（速率≈60 Hz），显微镜8分钟仅能分析约6000个，且光流控液滴可完整回收用于后续实验，显微镜检测后液滴易受损。

研究亮点

该研究将“周级”实验压缩到“小时级”，过去需逐一测试的数十种碳源等条件，如今一次5分钟的芯片运行即可完成，时间成本降低1–2个数量级。

皮升级液滴使试剂与样本用量较传统减少百倍，降至纳升以下，缓解珍贵样本消耗压力。

90重荧光条形码确保每个液滴身份可追溯，解决多条件并行时的识别难题，可应用于抗生素敏感性测试等场景。

检测后液滴完整可回收，阳性样本能继续培养或进行组学分析，避免传统显微镜检测导致的信息丢失。

该平台可同时测试数千种条件，有助于捕获“不可培养”或低丰度微生物及活性产物，为环境微生物组与天然产物挖掘奠定基础。

原文链接：https://doi.org/ 10.1039/d5an00130g

来源：微生物安全与健康网，作者~肖锦琦。