基于熒光和電致化學(xué)發(fā)光雙模式的生物傳感器，用于金黃色葡萄球菌的檢測與滅活

食源性致病菌通過食物傳播引起疾病感染，對人類健康和全球經(jīng)濟(jì)造成了嚴(yán)重的影響。金黃色葡萄球菌（S. aureus）作為一種常見的食源性致病菌，經(jīng)常在受污染的食品中產(chǎn)生毒素和酶，導(dǎo)致膿胸、軟組織感染、肺炎和腹瀉等疾病。如何有效預(yù)防、監(jiān)控和控制S. aureus的污染是研究人員關(guān)注的熱點(diǎn)和重要課題。由于S. aureus在正常環(huán)境條件下能夠迅速復(fù)制，即使在低濃度下也會對人類健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅。因此，對極低含量的S. aureus進(jìn)行早期檢測，不僅能有效預(yù)防受污染食品對消費(fèi)者健康的危害，還能抑制食源性疾病的爆發(fā)。

近期，江蘇師范大學(xué)馮秋梅副教授、王頗教授課題組基于兩步共振能量轉(zhuǎn)移和比率型傳感策略，構(gòu)建了一種靈敏、可靠檢測和滅活S. aureus的新方法。相關(guān)成果以“Two-stepresonance-energy-transfer-based ratiometric biosensor for sensing andannihilation of Staphylococcus aureus”為題發(fā)表在國際化學(xué)權(quán)威雜志Chemical Communications上（DOI:10.1039/d3cc05300h）。

本研究設(shè)計(jì)了一個新型的兩步共振能量轉(zhuǎn)移（RET），結(jié)合雙元素識別觸發(fā)的目標(biāo)轉(zhuǎn)導(dǎo)和催化發(fā)夾組裝技術(shù)（CHA），利用熒光（FL）和電致化學(xué)發(fā)光（ECL）雙模式傳感策略，提高生物傳感器的靈敏性和準(zhǔn)確性，并應(yīng)用于S. aureus的檢測分析。其中，萬古霉素（Van）和適配體作為雙識別單元涂覆在磁珠上，同時與S. aureus的肽聚糖和表面蛋白發(fā)生作用。當(dāng)H1和H2存在時，CHA被激活，帶來電極表面H2發(fā)夾結(jié)構(gòu)打開形成桿狀。金納米球（Au NPs）和熒光染料（FAM）在S-Au NPs:P-FAM雙鏈中靠近，滿足熒光共振能量轉(zhuǎn)移（FRET）機(jī)制，導(dǎo)致來自FAM的FL信號猝滅（FL off，第一步RET）。當(dāng)傳感界面與上述的S-Au NPs:P-FAM雙鏈孵育后，S-Au NPs將通過S-Au NP納米復(fù)合物和H2單鏈部分之間的雜交而引入電極界面。由于硫化鎘量子點(diǎn)（CdS QDs）與Au NPs之間ECL-RET效應(yīng)，導(dǎo)致CdS QDs ECL信號猝滅（ECL off，第二步RET）。此時，在剩下的單鏈P-FAM中，F(xiàn)L響應(yīng)恢復(fù)（FL on）。依據(jù)FL和ECL信號的反向變化趨勢，該生物傳感器實(shí)現(xiàn)了S. aureus檢測。

圖1兩步RET和比率型傳感策略用于檢測和滅活S. aureus的原理圖

經(jīng)過探針濃度和CHA反應(yīng)時間的優(yōu)化后，通過記錄傳感界面對不同濃度S. aureus ECL和FL響應(yīng)，研究人員對傳感器的定量分析性能進(jìn)行了測試。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在5 ~ 10? CFU/mL的線性范圍下，得到檢測限為1 CFU/mL。此外，當(dāng)不同的菌株（E. coli、L. monocytogenes、B. subtilis、S.typhimurium和S. aureus）存在時，該傳感器僅對目標(biāo)S. aureus產(chǎn)生信號響應(yīng)，表明其具有高特異性。

圖2生物傳感器定量檢測S. aureus響應(yīng)圖和選擇性驗(yàn)證圖

在準(zhǔn)確鑒定病原菌后，高效殺滅它們是預(yù)防進(jìn)一步傳播和食品污染的關(guān)鍵。因此，該體系進(jìn)一步對S. aureus的抗菌活性進(jìn)行了驗(yàn)證。萬古霉素（Van），作為一種糖肽類抗生素，具有與革蘭氏陽性菌高特異結(jié)合能力，有效地破壞其細(xì)胞外膜，從而引發(fā)代謝過程的破壞，然后導(dǎo)致細(xì)菌死亡。因此，將Van標(biāo)記在W鏈的末端（W-Van），同時實(shí)現(xiàn)S. aureus的識別和滅活。結(jié)果顯示，W-Van表現(xiàn)出與時間相關(guān)的抗菌行為，在15分鐘內(nèi)沒有S. aureus存活，且其球形結(jié)構(gòu)被明顯破壞成凹陷形狀，表明該傳感器具有良好的滅菌特性。

圖3S. aureus的滅活表征圖

綜上所述，該研究構(gòu)建了一種準(zhǔn)確、靈敏和可靠檢測S. aureus的傳感方法。在該體系中，利用目標(biāo)激活的多重信號放大策略，包括從FAM到Au NPs的FRET，從CdS QDs到Au NPs的高效ECL-RET，以及CHA，傳感器的靈敏度得到了提高，S. aureus的檢測限值遠(yuǎn)低于其他一些方法。此外，Van和適配體的雙識別元素不僅提高了S. aureus識別的準(zhǔn)確性和可靠性，而且也起到高效的滅活作用。結(jié)合雙模響應(yīng)內(nèi)置自校準(zhǔn)特性，比率型傳感策略有效排除了來自目標(biāo)無關(guān)因素的潛在干擾，從而賦予了目標(biāo)檢測的高準(zhǔn)確性。鑒于上述可行性、可靠性和杰出的信號放大能力，所構(gòu)建的生物傳感器將成為食源性致病菌感染早期診斷和治療的有力工具。

審核編輯：劉清