電化學適配體傳感器在金黃色葡萄球菌檢測中的應用研究進展

摘 要：金黃色葡萄球菌可引起細菌性食物中毒，對人類的健康有重要的危害，如何實現對金黃色葡萄球菌的快速檢測對于保障人類健康意義重大。電化學適配體傳感器具有成本低、檢測時間短、操作簡單等優點，可用于金黃色葡萄球菌的快速檢測。本文綜述了電化學適配體傳感器在金黃色葡萄球菌檢測中的應用實例，以期為金黃色葡萄菌的快速檢測提供參考和思路。

關鍵詞：金黃色葡萄球菌，電化學適配體傳感器，適配體，食品安全

DOI編碼：10.3969/j.issn.1002-5944.2025.02.030

0 引 言

金黃色葡萄球菌是一種革蘭氏陽性菌，可引起食物中毒，是世界范圍內引起食源性致病的主要原因之一。金黃色葡萄球菌作為一種人和動物常見的致病菌，其引起的中毒多見于春、夏季節，主要污染營養豐富且含水分較多的食品，例如乳類、乳制品、肉類、肉制品等。因此，在日常生活中，要將食品進行徹底加熱并做好食物的儲存，防止病從口入。

因此，開發快速檢測金黃色葡萄球菌的方法對于保障食品安全和人類健康具有重要的意義。電化學適配體傳感器在金黃色葡萄球菌快速檢測方面的應用比較多，本文主要綜述了近幾年電化學適配體傳感器在金黃色葡萄球菌檢測中的應用實例，以期為食品安全檢測從業者、科研人員開發快速檢測金黃色葡萄球菌的方法提供思路。

1 電化學適配體傳感器

適配體是一種DNA或R NA分子，它能夠通過構象互補、氫鍵、范德華力、靜電相互作用等方式與靶標分子以高親和力和特異性進行結合，基于這一特性，適配體在食品安全檢測方面的應用較為廣泛[1]。適配體通常通過SELEX技術從一個含有1013-1015隨機序列的DNA或RNA庫中篩選得到，目前主要的篩選方法有Cell-SELEX、Mag-SELEX、GOSELEX、Capture-SELEX等，這為適配體的廣泛應用打下了基礎。雖然適配體在食品安全檢測中的應用較多，優勢也較明顯，但在實際應用中也存在著挑戰，例如適配體容易受到復雜應用環境的影響而改變其結構及結合性能的穩定性，從而對適配體與靶標分子的結合產生影響，這在一定程度上制約了適配體的進一步應用。

適配體傳感器將適配體作為識別元件，通過適配體與靶標分子的結合實現對靶標分子的捕獲，再利用信號轉換元件將靶標分子的濃度轉化為識別信號并對其進行放大，再通過信號轉換裝置轉換為靶標分子的濃度，從而實現對靶標分子的定性和定量檢測[2]。適配體傳感器主要包括電化學適配體傳感器、光電化學適配體傳感器、光學適配體傳感器等。電化學適配體傳感器是將適配體作為識別和捕獲靶標的工具，與電化學檢測方法結合并實現對目標物質進行檢測的一種傳感器。當適配體與靶標結合后，電化學性質會發生變化，通過檢測電化學性質的變化，實現對靶標的定性、定量檢測，具有檢測成本低、時間短、操作簡單等優勢。電化學適配體傳感器在檢測食源性致病菌、真菌毒素、重金屬離子、藥物殘留、食品非法添加物等方面具有重要的應用。

2 金黃色葡萄球菌常用的檢測方法

目前，金黃色葡萄球菌常用的檢測方法主要包括國標法、ELISA、測流層分析、比色法、生物傳感器、表面增強拉曼光譜法等方法，但這些檢測方法在檢測時間、成本、靈敏度和特異性等方面存在著一定的差距和不足，無法實現對金黃色葡萄球菌的快速、準確檢測。例如金黃色葡萄球菌的主要的檢測方法是依據GB 4789.10—2016《食品安全國家標準 食品微生物學檢驗 金黃色葡萄球菌檢驗》的國標法，其檢測過程主要有樣品的處理、增菌、分離、初步鑒定、確認鑒定等過程，該方法雖然能夠實現對金黃色葡萄球菌的檢測，但是存在操作復雜、專業性較強、檢測時間長等劣勢；而比色法雖然具有檢測時間短、無需借助復雜設備、適用于現場快速檢測的優勢，但也存在容易受到復雜檢測環境的影響而產生假陽性的現象，例如常用的顯色信號納米金顆粒（AuNPs）就容易受到樣品基質中一些離子（如氯化鈉）的影響而產生聚集變色的現象，從而影響檢測結果的準確性。

3 電化學適配體傳感器在金黃色葡萄球菌檢測中的應用

近年來，由于在檢測時間、檢測范圍及靈敏度等方面的優勢，電化學適配體傳感器在金黃色葡萄菌檢測中的應用較多，這為開發快速、準確檢測金黃色葡萄球菌的方法提供了思路。目前，在金黃色葡萄球菌檢測中應用的電化學適配體傳感器主要有單模式和雙模式兩種。

電化學適配體傳感器與信號放大技術結合，可以實現檢測信號的放大，能夠得到更寬的檢測范圍和更低的檢測限。酪胺信號放大技術是一種基于辣根過氧化物酶（HRP）催化的生物信號放大技術，其原理是在H2O2的作用下，一種酪胺的底物可以被一些酶（如HRP、堿性磷酸酶等）催化而成為一種非常活躍的短壽命的中間體；在短時間內，這種中間體可以與周圍蛋白的富電子表面通過共價鍵的方式結合而形成一種酪胺化復合物，通過這種富集作用，形成以酶為中心，類似于“島”或“樹”狀的聚集團；基于這一原理，可以在酪胺上標記熒光或者其他標記物（如生物素）用于檢測，實現了對檢測信號的幾何級放大。Nguyen等[3]開發了一種基于酪胺信號放大技術的新型電化學適配體傳感器，實現了對金黃色葡萄球菌的高靈敏檢測；將初級適配體SA37作為捕獲探針，實現對金黃色葡萄球菌的特異性識別和捕獲；將次級適配體SA81@HR P作為催化探針，通過酪胺信號放大，由生物素-酪胺和鏈霉親和素-HRP作為電催化信號構建傳感器，以提高傳感器的靈敏度；在檢測過程中，SA37-金黃色葡萄球菌-SA81@HRP將結合在金電極的表面，大量的HRP分子通過HRP與H2O2的催化反應結合到菌體表面的生物素-酪胺上，從而實現檢測信號的放大；該傳感器可實現在超低濃度下對金黃色葡萄球菌的檢測，在緩沖液中的檢測限（LOD）為3 CFU/mL，在自來水和牛肉湯中的LOD為8 CF U/m L，具有較高的靈敏度和較強的特異性。Zhou等[4]基于逐步信號放大技術，設計了一種檢測金黃色葡萄球菌的電化學適配體傳感器，該傳感器的線性范圍為1～108 CFU/mL，LOD為0.3 CFU/mL，且具有良好的重現性、穩定性和較高的靈敏度，可用于實際的樣品檢測。Chen等[5]基于兒茶酚-殼聚糖氧化還原電容對信號的放大效應，設計了一種檢測金黃色葡萄球菌的電化學適配體傳感器，該方法的檢測時間為25 min，線性范圍為10～108CFU/mL，LOD為2 CFU/mL。

一些納米材料和納米復合材料可提高電子轉移速率，增強電信號，從而提高電化學適配體傳感器的檢測范圍和靈敏度。Hui等[6]設計了一種用于檢測金黃色葡萄球菌的新型夾心式電化學適配體傳感器；將AgNPs@Ti3C2納米復合材料修飾到玻璃碳電極（GCE）的表面，而金黃色葡萄球菌的適配體通過氫鍵和磷酸基團與Ti離子之間的螯合作用自組裝到GCE的表面；此外，將金黃色葡萄球菌適配體通過π-π堆積作用固定在CuO/石墨烯（GR）納米復合材料上，作為信號探針，再通過與靶標的結合從而形成夾心式的電化學適配體傳感器；當檢測體系中存在金黃色葡萄球菌時，在GCE表面的CuO/GR納米復合材料將催化過氧化氫與對苯二酚發生反應而產生強電流響應；在最佳檢測條件下，該傳感器的線性范圍為5.2×101～5.2×107 CFU/mL，LOD為1 CFU/mL，在牛奶、綿羊和山羊奶樣品中的加標回收率為92.64 %～109.58 %。Sohouli等[7]設計了一種基于金/氮摻雜碳納米洋蔥的新型電化學適配體傳感器，實現了對金黃色葡萄球菌的檢測；該傳感器由氮摻雜的碳納米洋蔥材料、納米金粒子和硫醇封端、適配體修飾的絲網印刷碳電極（SPCE）構成；該傳感器可實現對金黃色葡萄球菌的快速檢測，LOD為3 CFU/mL，線性范圍為10～108 CFU/mL，且具有良好的重復性、再現性和穩定性。Ranjbar等[8]基于GCE表面的AuNPs/碳納米顆粒/纖維素納米纖維（AuNPs/CNPs/CNFs）納米復合材料和適配體實現了對金黃色葡萄球菌的選擇性檢測；將具有較高表面積、優異導電性和良好生物相容性的AuNPs/CNPs/CNFs納米復合材料與硫醇化的適配體進行自組裝，作為金黃色葡萄球菌的識別元件；該適配體傳感器具有寬的線性范圍（1.2×101～1.2×108 CFU/mL），LOD為1 CFU/mL。Soleimani等[9]設計了一種檢測金黃色葡萄球菌的電化學適配體傳感器，首先將AuNPs修飾到（SPCE）上，組成工作電極，適配體通過Au-S鍵與AuNPs結合，從而固定到SPCE上，實現對金黃色葡萄球菌的檢測；該方法的線性范圍為101～106 CFU/mL，LOD為0.2 CFU/mL。

金屬-有機骨架（MOFs）是一種由金屬離子或金屬團簇與有機配體通過自組裝形成周期性的、多孔性的晶體材料，不僅具有較大的比表面積，而且還可調控其孔徑和化學功能。因此，在電化學適配體傳感器構建方面應用較為廣泛。Chen等[10]基于MOFs和磁分離技術，設計了一種檢測金黃色葡萄球菌的電化學/比色雙模式適配體傳感器。首先，合成了一種具有生物識別、電化學和催化活性的Au/Cu MOF，再將ssDNA（金黃色葡萄球菌適配體的互補鏈）與其結合，形成ssDNA-Au/Cu MOF；將磁珠（MB）修飾的金黃色葡萄球菌適配體（Apt）作為特異性識別和捕獲金黃色葡萄球菌的探針（MB-Apt），ssDNA-Au/Cu與MB-Apt通過ssDNA與Apt的雜交形成復合物（ssDNA-Au/Cu-MB-Apt）；當ssDNA-Au/Cu-MB-Apt與不同濃度的金黃色葡萄球菌孵育時，由于Apt優先與目標菌結合，使得ssDNA-Au/Cu從ssDNA-Au/Cu-MB-Apt上脫落，從而導致ssDNA-Au /Cu在MB上的捕獲量和上清液中量的存在差異；經過磁分離后，通過電化學檢測和對上清液進行底物催化顯色可實現對金黃色葡萄球菌的電化學和比色兩種模式的檢測；該方法具有較寬的線性范圍（10～108 CFU/mL）、較低的LOD和較強的特異性，比色法LOD為48 CFU/mL，電化學檢測方法LOD為5 CFU/mL。Dai等[11]將鋯基金屬有機骨架/亞甲藍/適配體復合物設計為信號放大和識別探針，通過亞甲藍的電流變化實現對目標菌的定量檢測；該方法通過不同致病菌的適配體分別實現了對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌和鼠傷寒沙門氏菌的檢測，其LOD分別為5、4、3 CFU/mL，該方法可用于不同真實樣品中致病菌的檢測，具有在復雜環境中快速檢測食源性致病菌的巨大應用潛力。沸石咪唑骨架材料（ZIFs）是一種MOFs，而沸石咪唑骨架-8（ZIF-8）是最經典的ZIFs材料，在傳感器領域有著廣泛的應用。Morsalpour等[12]基于ZIF-8和AuNPs修飾的GCE，設計了一種檢測金黃色葡萄球菌的電化學適配體傳感器；首先將AuNPs-ZIF-8 修飾到GCE上，再將金黃色葡萄球菌的適配體與AuNPs-ZIF-8結合，使適配體固定在GCE的表面，當檢測環境中出現金黃色葡萄球菌時，適配體與靶標結合，使電阻值發生變化，從而實現對金黃色葡萄球菌的檢測；該方法的檢測范圍為1.5×101～1.5×107 CFU/mL，LOD為3.4 CFU/mL，并可用于檢測水和牛奶樣品中的金黃色葡萄球菌。

4 結 語

電化學適配體傳感器在金黃色葡萄球菌的快速檢測方面，相對于傳統的檢測方法，雖然具有快速、操作簡單、成本低廉等優勢，未來應用前景較好，但由于其容易受到檢測環境及樣品基質的影響，比如溫度、pH及蛋白質、脂類化合物等，會使適配體的結構及性能產生一定的變化，甚至會有假陽性的出現，從而影響電化學適配體傳感器的靈敏度和準確性；此外，有些納米材料具有毒性，其安全性也制約了電化學適配體傳感器廣泛的應用。目前，電化學適配體傳感器在檢測金黃色葡萄球菌方面還處于實驗室研究階段，其檢測的穩定性和重復性還有待進一步提高，距離商業推廣應用還有一定的差距。

因此，在未來的研究中，可以從以下幾個方面進行改進和提升。一是提升適配體的穩定性，減少檢測基質和外界環境對檢測結果的影響；隨著SELEX技術的發展，篩選出結構更穩定、特異性更強、性能更優異的適配體，這將解決檢測環境、樣品基質對電化學適配體傳感器靈敏度和準確性影響，從而提高檢測的靈敏度和準確性。二是開發安全、穩定及成本低廉的新型納米材料，提升電化學適配體傳感器的檢測范圍和靈敏度。三是推動電化學適配體傳感器與人工智能、移動電子設備、無線通信技術等新技術的融合，開發更適合商業推廣應用的便攜式、高通量、數字化的檢測設備，推動電化學適配體傳感器的推廣應用。

參考文獻

[1]李娜，王明，袁京磊.適配體在食品安全檢測中的應用研究進展[J].中國食品衛生雜志，2022，34（3）：632-635.

[2]袁京磊，李娜.適配體傳感器在真菌毒素檢測中的應用研究進展[J].中國食品衛生雜志，2023，35（11）：1688-1694.

[3]NGUYEN T T， GU M B. An ultrasensitive electrochemicalaptasensor using Tyramide-assisted enzyme multiplicationfor the detection of Staphylococcus aureus[J]. Biosensorsand Bioelectronics， 2023，228： 115199.

[4]ZHOU H Q， GUO W B， WANG S A， et al. Electrochemicalaptasensor for Staphylococcus aureus by stepwise signalamplification[J]. Microchimica Acta， 2022， 189（9）： 353.

[5]CHEN W， CHEN Z R， LAI Q T， et al. Specific andultrasensitive detection of Staphylococcus aureus with acatechol-chitosan redox capacitor based electrochemicalaptasensor[J]. Journal of Electroanalytical Chemistry， 2022，916： 116357.

[6]HUI Y Y， PENG H S， ZHANG F X， et al. An ultrasensitivesandwich-type electrochemical aptasensor using silvernanoparticle/titanium carbide nanocomposites for thedetermination of Staphylococcus aureus in milk[J ].Microchimica Acta， 2022， 189（8）： 276.

[7]SOHOULI E， GHALKHANI M， ZARGAR T， et al. A newelectrochemical aptasensor based on gold/nitrogen-dopedcarbon nano-onions for the detection of Staphylococcusaureus[J]. Electrochimica Acta， 2022， 403： 139633.

[8]RANJBAR S， SHAHROKHIAN S. Design and fabricationof an electrochemical aptasensor using Au nanoparticles/carbon nanoparticles/cellulose nanofibers nanocompositefor rapid and sensitive detection of Staphylococcusaureus[J]. Bioelectrochemistry， 2018， 123： 70-76.

[9]S OL E IM A N I S ， BRUC E-TAG OE T A ， U L L A H N，et al. Development and characterization of a portableelect r o chem ica l apt a sensor for I sd A pr otein a ndStaphylococcus aureus detection[J]. Analytical andBioanalytical Chemistry， 2024， 416（20）： 4619-4634.

[10]CHEN Y， CHEN Y， YI H C， et al. An electrochemical andcolorimetric dual-mode aptasensor for Staphylococcusaureus based on a multifunctional MOF and magneticseparation technique[J]. Microchemical Journal， 2023，190： 108681.

[11]DAI G， YAO H D， YANG L H， et al. Rapid detection offoodborne pathogens in diverse foodstuffs by universalelectrochemical aptasensor based on UiO- 6 6 andmethylene blue composites[J]. Food Chemistry， 2023， 424：136244.

[12]MORSALPOUR H， ZARE H R， SHEKARI Z， et al.Development of an electrochemical sensitive aptasensorbased on a zeolite imidazolate framework-8 and goldnanoparticles for the determination of Staphylococcusaureus bacteria[J]. Analytical and Bioanalytical Chemistry，2024， 416（5）： 1229-1238.

作者簡介

袁京磊，碩士研究生，正高級工程師，研究方向為食品安全檢測。

（責任編輯：袁文靜）