中国工程院食品安全院士团队

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细菌感染对公共健康影响显著，抗菌药物耐药性的日益威胁更凸显了对快速且易用诊断工具的迫切需求。近日一项研究开发出一种新型噬菌体门控传感器，可用于选择性检测大肠杆菌。该传感器利用硫罗丹明 B 作为荧光报告染料，将其封装在介孔二氧化硅颗粒中，并以噬菌体作为 “守门人”。当与大肠杆菌相互作用时，噬菌体从二氧化硅表面脱离，释放染料并产生可测量的荧光信号。实验显示，该传感器对大肠杆菌检测具有高灵敏度，检测限可达10¹ CFU/mL，且能在 5 分钟内完成检测。

研究人员将该传感器集成到即时检测（PoCT）设备中，该系统符合 ASSURED 标准，具备经济实惠、灵敏度高、特异性强和使用方便等特点。即便使用简单的 LED 灯，非专业人员也可通过肉眼检测到荧光反应。通过对真实水样的验证，传感器检测结果与基于标准培养的方法一致，证实了其准确性。

图 1：噬菌体门控二氧化硅颗粒检测大肠杆菌的作用机制示意图。

在实验过程中，研究人员合成了尺寸约 100 nm 的介孔二氧化硅纳米颗粒和 1.7 μm 左右的介孔二氧化硅 microparticles，并对其性能进行评估。所使用的大肠杆菌 K12 噬菌体 K12.4a 从生牛奶中分离获得，经过多项实验对其宿主范围、基因组、复制参数、形态及在不同 pH 和温度条件下的稳定性等关键特性进行了表征。

图 2：集成传感器的即时检测设备组件结构示意图。

传感器材料通过多种手段进行表征，包括氮气吸附 - 脱附、扫描电子显微镜、能量色散 X 射线光谱、透射电子显微镜、傅里叶变换红外光谱、X 射线衍射和热重分析等。pH 优化研究表明，pH 7 时传感器性能最佳，这可能与噬菌体在接近中性的二氧化硅表面有效附着 - 脱离过程以及噬菌体靶向细菌的高活性有关。

图 3：传感材料的结构与性能表征图谱（XRD、FTIR、氮气吸附 - 脱附）。

选择性测试显示，该传感器对肠炎沙门氏菌、粪肠球菌和藤黄微球菌等其他三种细菌无响应，仅在大肠杆菌存在时观察到截留染料的选择性释放。研究开发的 PoCT 设备由 2 mL 无菌注射器和可重复使用的 cartridge 组成，设计用于容纳可更换的过滤器，在 405 nm LED 光下可用肉眼观察荧光信号，其检测限同样为10¹CFU/mL。

图 4：传感器在不同条件下的荧光响应及选择性测试结果图。

对四个水样的实际应用测试中，三个污染水样检测结果呈阳性，一个饮用水样结果低于检测阈值，且与常规细菌检测结果一致。与各种商用大肠杆菌检测试剂盒相比，该噬菌体门控传感器检测限显著更低，处理时间仅需 5 分钟，远快于需约 1 天完成富集步骤的部分商用产品，且每次测试的估计成本也低得多。

图 5：即时检测设备对大肠杆菌的浓度 - 荧光强度检测结果图。

这项研究首次将噬菌体用作门控传感平台中的生物门，与使用适体或抗体的传统门控密封方法不同，该方法具有增强的环境稳定性、生物特异性和成本效益，同时在复杂基质中保持响应能力并实现快速肉眼检测，为细菌检测提供了一种低成本、快速且可靠的工具，在环境监测和临床诊断等领域具有潜在应用价值。

参考文献：Aslan B C, Ekiz E, Tayyarcan E K, et al. Bacteriophage-Gated Optical Sensor for Bacteria Detection[J]. Analytical Chemistry, 2025.

来源：微生物安全与健康网，作者~徐礼龙。