电化学适配体传感器在金黄色葡萄球菌检测中的应用研究进展

摘 要：金黄色葡萄球菌可引起细菌性食物中毒，对人类的健康有重要的危害，如何实现对金黄色葡萄球菌的快速检测对于保障人类健康意义重大。电化学适配体传感器具有成本低、检测时间短、操作简单等优点，可用于金黄色葡萄球菌的快速检测。本文综述了电化学适配体传感器在金黄色葡萄球菌检测中的应用实例，以期为金黄色葡萄菌的快速检测提供参考和思路。

关键词：金黄色葡萄球菌，电化学适配体传感器，适配体，食品安全

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

0 引 言

金黄色葡萄球菌是一种革兰氏阳性菌，可引起食物中毒，是世界范围内引起食源性致病的主要原因之一。金黄色葡萄球菌作为一种人和动物常见的致病菌，其引起的中毒多见于春、夏季节，主要污染营养丰富且含水分较多的食品，例如乳类、乳制品、肉类、肉制品等。因此，在日常生活中，要将食品进行彻底加热并做好食物的储存，防止病从口入。

因此，开发快速检测金黄色葡萄球菌的方法对于保障食品安全和人类健康具有重要的意义。电化学适配体传感器在金黄色葡萄球菌快速检测方面的应用比较多，本文主要综述了近几年电化学适配体传感器在金黄色葡萄球菌检测中的应用实例，以期为食品安全检测从业者、科研人员开发快速检测金黄色葡萄球菌的方法提供思路。

1 电化学适配体传感器

适配体是一种DNA或R NA分子，它能够通过构象互补、氢键、范德华力、静电相互作用等方式与靶标分子以高亲和力和特异性进行结合，基于这一特性，适配体在食品安全检测方面的应用较为广泛[1]。适配体通常通过SELEX技术从一个含有1013-1015随机序列的DNA或RNA库中筛选得到，目前主要的筛选方法有Cell-SELEX、Mag-SELEX、GOSELEX、Capture-SELEX等，这为适配体的广泛应用打下了基础。虽然适配体在食品安全检测中的应用较多，优势也较明显，但在实际应用中也存在着挑战，例如适配体容易受到复杂应用环境的影响而改变其结构及结合性能的稳定性，从而对适配体与靶标分子的结合产生影响，这在一定程度上制约了适配体的进一步应用。

适配体传感器将适配体作为识别元件，通过适配体与靶标分子的结合实现对靶标分子的捕获，再利用信号转换元件将靶标分子的浓度转化为识别信号并对其进行放大，再通过信号转换装置转换为靶标分子的浓度，从而实现对靶标分子的定性和定量检测[2]。适配体传感器主要包括电化学适配体传感器、光电化学适配体传感器、光学适配体传感器等。电化学适配体传感器是将适配体作为识别和捕获靶标的工具，与电化学检测方法结合并实现对目标物质进行检测的一种传感器。当适配体与靶标结合后，电化学性质会发生变化，通过检测电化学性质的变化，实现对靶标的定性、定量检测，具有检测成本低、时间短、操作简单等优势。电化学适配体传感器在检测食源性致病菌、真菌毒素、重金属离子、药物残留、食品非法添加物等方面具有重要的应用。

2 金黄色葡萄球菌常用的检测方法

目前，金黄色葡萄球菌常用的检测方法主要包括国标法、ELISA、测流层分析、比色法、生物传感器、表面增强拉曼光谱法等方法，但这些检测方法在检测时间、成本、灵敏度和特异性等方面存在着一定的差距和不足，无法实现对金黄色葡萄球菌的快速、准确检测。例如金黄色葡萄球菌的主要的检测方法是依据GB 4789.10—2016《食品安全国家标准 食品微生物学检验 金黄色葡萄球菌检验》的国标法，其检测过程主要有样品的处理、增菌、分离、初步鉴定、确认鉴定等过程，该方法虽然能够实现对金黄色葡萄球菌的检测，但是存在操作复杂、专业性较强、检测时间长等劣势；而比色法虽然具有检测时间短、无需借助复杂设备、适用于现场快速检测的优势，但也存在容易受到复杂检测环境的影响而产生假阳性的现象，例如常用的显色信号纳米金颗粒（AuNPs）就容易受到样品基质中一些离子（如氯化钠）的影响而产生聚集变色的现象，从而影响检测结果的准确性。

3 电化学适配体传感器在金黄色葡萄球菌检测中的应用

近年来，由于在检测时间、检测范围及灵敏度等方面的优势，电化学适配体传感器在金黄色葡萄菌检测中的应用较多，这为开发快速、准确检测金黄色葡萄球菌的方法提供了思路。目前，在金黄色葡萄球菌检测中应用的电化学适配体传感器主要有单模式和双模式两种。

电化学适配体传感器与信号放大技术结合，可以实现检测信号的放大，能够得到更宽的检测范围和更低的检测限。酪胺信号放大技术是一种基于辣根过氧化物酶（HRP）催化的生物信号放大技术，其原理是在H2O2的作用下，一种酪胺的底物可以被一些酶（如HRP、碱性磷酸酶等）催化而成为一种非常活跃的短寿命的中间体；在短时间内，这种中间体可以与周围蛋白的富电子表面通过共价键的方式结合而形成一种酪胺化复合物，通过这种富集作用，形成以酶为中心，类似于“岛”或“树”状的聚集团；基于这一原理，可以在酪胺上标记荧光或者其他标记物（如生物素）用于检测，实现了对检测信号的几何级放大。Nguyen等[3]开发了一种基于酪胺信号放大技术的新型电化学适配体传感器，实现了对金黄色葡萄球菌的高灵敏检测；将初级适配体SA37作为捕获探针，实现对金黄色葡萄球菌的特异性识别和捕获；将次级适配体SA81@HR P作为催化探针，通过酪胺信号放大，由生物素-酪胺和链霉亲和素-HRP作为电催化信号构建传感器，以提高传感器的灵敏度；在检测过程中，SA37-金黄色葡萄球菌-SA81@HRP将结合在金电极的表面，大量的HRP分子通过HRP与H2O2的催化反应结合到菌体表面的生物素-酪胺上，从而实现检测信号的放大；该传感器可实现在超低浓度下对金黄色葡萄球菌的检测，在缓冲液中的检测限（LOD）为3 CFU/mL，在自来水和牛肉汤中的LOD为8 CF U/m L，具有较高的灵敏度和较强的特异性。Zhou等[4]基于逐步信号放大技术，设计了一种检测金黄色葡萄球菌的电化学适配体传感器，该传感器的线性范围为1～108 CFU/mL，LOD为0.3 CFU/mL，且具有良好的重现性、稳定性和较高的灵敏度，可用于实际的样品检测。Chen等[5]基于儿茶酚-壳聚糖氧化还原电容对信号的放大效应，设计了一种检测金黄色葡萄球菌的电化学适配体传感器，该方法的检测时间为25 min，线性范围为10～108CFU/mL，LOD为2 CFU/mL。

一些纳米材料和纳米复合材料可提高电子转移速率，增强电信号，从而提高电化学适配体传感器的检测范围和灵敏度。Hui等[6]设计了一种用于检测金黄色葡萄球菌的新型夹心式电化学适配体传感器；将AgNPs@Ti3C2纳米复合材料修饰到玻璃碳电极（GCE）的表面，而金黄色葡萄球菌的适配体通过氢键和磷酸基团与Ti离子之间的螯合作用自组装到GCE的表面；此外，将金黄色葡萄球菌适配体通过π-π堆积作用固定在CuO/石墨烯（GR）纳米复合材料上，作为信号探针，再通过与靶标的结合从而形成夹心式的电化学适配体传感器；当检测体系中存在金黄色葡萄球菌时，在GCE表面的CuO/GR纳米复合材料将催化过氧化氢与对苯二酚发生反应而产生强电流响应；在最佳检测条件下，该传感器的线性范围为5.2×101～5.2×107 CFU/mL，LOD为1 CFU/mL，在牛奶、绵羊和山羊奶样品中的加标回收率为92.64 %～109.58 %。Sohouli等[7]设计了一种基于金/氮掺杂碳纳米洋葱的新型电化学适配体传感器，实现了对金黄色葡萄球菌的检测；该传感器由氮掺杂的碳纳米洋葱材料、纳米金粒子和硫醇封端、适配体修饰的丝网印刷碳电极（SPCE）构成；该传感器可实现对金黄色葡萄球菌的快速检测，LOD为3 CFU/mL，线性范围为10～108 CFU/mL，且具有良好的重复性、再现性和稳定性。Ranjbar等[8]基于GCE表面的AuNPs/碳纳米颗粒/纤维素纳米纤维（AuNPs/CNPs/CNFs）纳米复合材料和适配体实现了对金黄色葡萄球菌的选择性检测；将具有较高表面积、优异导电性和良好生物相容性的AuNPs/CNPs/CNFs纳米复合材料与硫醇化的适配体进行自组装，作为金黄色葡萄球菌的识别元件；该适配体传感器具有宽的线性范围（1.2×101～1.2×108 CFU/mL），LOD为1 CFU/mL。Soleimani等[9]设计了一种检测金黄色葡萄球菌的电化学适配体传感器，首先将AuNPs修饰到（SPCE）上，组成工作电极，适配体通过Au-S键与AuNPs结合，从而固定到SPCE上，实现对金黄色葡萄球菌的检测；该方法的线性范围为101～106 CFU/mL，LOD为0.2 CFU/mL。

金属-有机骨架（MOFs）是一种由金属离子或金属团簇与有机配体通过自组装形成周期性的、多孔性的晶体材料，不仅具有较大的比表面积，而且还可调控其孔径和化学功能。因此，在电化学适配体传感器构建方面应用较为广泛。Chen等[10]基于MOFs和磁分离技术，设计了一种检测金黄色葡萄球菌的电化学/比色双模式适配体传感器。首先，合成了一种具有生物识别、电化学和催化活性的Au/Cu MOF，再将ssDNA（金黄色葡萄球菌适配体的互补链）与其结合，形成ssDNA-Au/Cu MOF；将磁珠（MB）修饰的金黄色葡萄球菌适配体（Apt）作为特异性识别和捕获金黄色葡萄球菌的探针（MB-Apt），ssDNA-Au/Cu与MB-Apt通过ssDNA与Apt的杂交形成复合物（ssDNA-Au/Cu-MB-Apt）；当ssDNA-Au/Cu-MB-Apt与不同浓度的金黄色葡萄球菌孵育时，由于Apt优先与目标菌结合，使得ssDNA-Au/Cu从ssDNA-Au/Cu-MB-Apt上脱落，从而导致ssDNA-Au /Cu在MB上的捕获量和上清液中量的存在差异；经过磁分离后，通过电化学检测和对上清液进行底物催化显色可实现对金黄色葡萄球菌的电化学和比色两种模式的检测；该方法具有较宽的线性范围（10～108 CFU/mL）、较低的LOD和较强的特异性，比色法LOD为48 CFU/mL，电化学检测方法LOD为5 CFU/mL。Dai等[11]将锆基金属有机骨架/亚甲蓝/适配体复合物设计为信号放大和识别探针，通过亚甲蓝的电流变化实现对目标菌的定量检测；该方法通过不同致病菌的适配体分别实现了对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和鼠伤寒沙门氏菌的检测，其LOD分别为5、4、3 CFU/mL，该方法可用于不同真实样品中致病菌的检测，具有在复杂环境中快速检测食源性致病菌的巨大应用潜力。沸石咪唑骨架材料（ZIFs）是一种MOFs，而沸石咪唑骨架-8（ZIF-8）是最经典的ZIFs材料，在传感器领域有着广泛的应用。Morsalpour等[12]基于ZIF-8和AuNPs修饰的GCE，设计了一种检测金黄色葡萄球菌的电化学适配体传感器；首先将AuNPs-ZIF-8 修饰到GCE上，再将金黄色葡萄球菌的适配体与AuNPs-ZIF-8结合，使适配体固定在GCE的表面，当检测环境中出现金黄色葡萄球菌时，适配体与靶标结合，使电阻值发生变化，从而实现对金黄色葡萄球菌的检测；该方法的检测范围为1.5×101～1.5×107 CFU/mL，LOD为3.4 CFU/mL，并可用于检测水和牛奶样品中的金黄色葡萄球菌。

4 结 语

电化学适配体传感器在金黄色葡萄球菌的快速检测方面，相对于传统的检测方法，虽然具有快速、操作简单、成本低廉等优势，未来应用前景较好，但由于其容易受到检测环境及样品基质的影响，比如温度、pH及蛋白质、脂类化合物等，会使适配体的结构及性能产生一定的变化，甚至会有假阳性的出现，从而影响电化学适配体传感器的灵敏度和准确性；此外，有些纳米材料具有毒性，其安全性也制约了电化学适配体传感器广泛的应用。目前，电化学适配体传感器在检测金黄色葡萄球菌方面还处于实验室研究阶段，其检测的稳定性和重复性还有待进一步提高，距离商业推广应用还有一定的差距。

因此，在未来的研究中，可以从以下几个方面进行改进和提升。一是提升适配体的稳定性，减少检测基质和外界环境对检测结果的影响；随着SELEX技术的发展，筛选出结构更稳定、特异性更强、性能更优异的适配体，这将解决检测环境、样品基质对电化学适配体传感器灵敏度和准确性影响，从而提高检测的灵敏度和准确性。二是开发安全、稳定及成本低廉的新型纳米材料，提升电化学适配体传感器的检测范围和灵敏度。三是推动电化学适配体传感器与人工智能、移动电子设备、无线通信技术等新技术的融合，开发更适合商业推广应用的便携式、高通量、数字化的检测设备，推动电化学适配体传感器的推广应用。

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作者简介

袁京磊，硕士研究生，正高级工程师，研究方向为食品安全检测。

（责任编辑：袁文静）