食物、水中的細菌污染及其引起的相應感染已成為一個日趨嚴重的問題，由此的導致健康問題和經濟負擔日益加重。據預測，到2050年，細菌相關疾病導致的死亡人數將比癌癥多出1000萬人，并造成超過100萬億美元的全球經濟損失。如何實現快速、靈敏的檢測是一個亟待解決的重要問題。

近日南京農業大學許媛媛教授研究團隊在Biosensorsand Bioelectronics (IF: 10.618)雜志上發表了《A universal biosensor utilizing bacteria-initiated in situ growth ofelectroactive polymers for bacteria-related hazards detection》一文。該研究通過將細菌引發的咔嗒化學與電活性聚合物的原位生長相結合，設計了一種超靈敏和高度選擇性的電化學生物傳感器，該系統為細菌相關危害檢測的各個方面提供了新的見解，這些方面不僅可以減少細菌污染造成的危害，還可以指導抗生素的合理使用，并幫助控制耐多藥細菌的出現。

研究者利用細菌獨特的銅結合氧化還原途徑將Cu^II還原為Cu^I，啟動Cu^I催化的點擊化學，隨后通過電化學介導原子轉移自由基聚合生成高密度電活性鐵烯基聚合物，并有效地嫁接在生物感應界面上，從而極大地提高了電分析性能的靈敏度。電化學信號與金黃色葡萄球菌和大腸桿菌濃度的對數在10²至10⁷ CFU/mL之間具有良好的線性，檢測限分別降至4CFU/mL和6 CFU/mL。為了進一步擴大傳感器的適用性和通用性，將細菌磁分離部分補充到系統中。在基于全聚體的磁預分離切片的幫助下，在復雜的真實樣品中實現了具有極大抗干擾的目標細菌的選擇性檢測。此外，該生物傳感器只需用不同的抗菌藥物取代識別元素或預孵化細菌，即可用于方便的抗生素殘留檢測和快速耐藥性分析。因此，在進一步擴展細菌磁分離部分或簡單更換原始識別元素后，構建了具有優異分析性能的通用生物傳感器，包括細菌分析系統和抗生素檢測系統。

用于檢測細菌相關危害的電化學生物傳感器，包括細菌分析系統和抗生素檢測系統的示意圖

(a) 細菌銅還原系統；(b) eATRP 原理； (c) 抗生素檢測系統；

劃重點

為了區分實際樣品中特定菌株與其他常見菌株，我們在細菌分析系統中添加了細菌磁選部分，不僅可以實現細菌檢測的選擇性，還可以通過富集進一步提高靈敏度。

方法

基于磁分離技術的細菌捕獲與分離

1、MBs-apt結合物準備

將100 μL的5 μM apt加入到收集的MBs (1 mg/mL)中，在37℃溫和混合下孵育2 h。將混合物磁分離，用PBS洗滌兩次。MBs-apt結合物被重新懸浮在1毫升1×PBS中以備進一步使用。

2、捕獲與分離

簡而言之，將1 mL的捕獲樣品(含大腸桿菌、金黃色葡萄球菌或兩者均含)與100 μL的MBs-apt混合。混合物在室溫下溫和旋轉孵育2小時。磁力架吸附10 s。然后再用ddH2O重新懸浮和洗滌，以去除非特異性結合的細菌和碎片。然后，將菌珠復合物重新懸浮于1 mL ddH2O中。最后，利用所構建的電化學生物傳感器進行進一步的檢測。

備注：

Streptavidin-modifiedmagnetic beads (MBs, 10 mg/mL) were purchased from Biolinkedin(Shanghai, China).

文章

圖1.驗證電化學生物傳感器的可行性

圖2.(A) 優化（a）CuII和（b）FMMA的濃度，（B）優化（a）CuAAC和（b）eATRP反應的反應時間。錯誤欄表示標準偏差（n = 3）

圖3.生物傳感器對細菌分析系統中不同濃度

（A）金黃色葡萄球菌和（B）大腸桿菌的SWV反應，以及氧化電流和細菌濃度對數之間的相應校準圖曲線。(C) SWV對抗生素檢測系統中不同濃度的卡納的反應和相應的校準圖曲線。通過三個重復實驗獲得了誤差條。

圖4.(A) 細菌磁分離系統的示意圖。(B) 熱圖分析，用于細菌分析系統的特異性評估，結合針對大腸桿菌的細菌分離部分。(C) 抗生素檢測系統選擇性評估的熱圖分析。

圖5.細菌分析系統中預先孵化的（A）金黃色葡萄球菌或（B）大腸桿菌的耐藥性分析，（a）對照，（b）鏈霉素，（c）氧四環素，（d）四環素，（e）氨芐西林。用不同抗生素處理的含有（C）金黃色葡萄球菌和（D）大腸桿菌的LB溶液中的耐藥性分析瓊脂板照片。

總結

本文提出了一種基于eATRP電活性聚合物原位生長的新型通用電化學生物傳感器，可用于細菌相關危害檢測，包括細菌病原體、細菌治療藥物-抗生素和細菌耐藥性。首先，整合電活性聚合物的原位生長和全聚體功能磁預分離系統，該系統能夠檢測分別低至4和6 CFU/mL的金黃色葡萄球菌和大腸桿菌，并專門捕獲和分離受污染樣本中的目標細菌。其次，只需替換識別元素即可實現快速準確的抗生素殘留檢測，該識別元素能夠在eATRP放大的基礎上檢測至少7.59 fg/mL的目標抗生素，而無需酶或納米顆粒標簽。第三，在細菌與各種抗菌藥物預孵化后，也可以通過擬議的生物傳感器進行耐藥性分析，這對早期診斷抗菌藥物的有效活性和減少細菌耐藥性的發生有很大幫助。此外，通過電位控制從傳感界面就地生長一些電活性聚合物的能力，加上eATRP的簡單性、高效和成本效益，是高通量檢測、公共安全監測和臨床診斷中實際應用的理想解決。