中国农业大学开发新型微流控比色生物传感器:精准捕捉细菌气溶胶,守护公共卫生安全
生物气溶胶由空气中的生物颗粒组成，如细菌、病毒、真菌孢子和细胞碎片，它们通过疾病传播带来重大的公共卫生风险。快速检测生物气溶胶对预防空气传播疾病至关重要。然而，由于生物气溶胶的微生物浓度低且基质成分复杂，其检测仍面临挑战。因此，迫切需要开发快速、特异且灵敏的生物气溶胶检测方法。当前的生物气溶胶收集技术主要包括沉降法、离心法、撞击法、冲击法和过滤法。其中，过滤法因操作简便和现场便携性而受到越来越多的关注，它可以通过相互作用、筛分、扩散和惯性撞击等多种机制收集不同粒径的生物气溶胶。传统的空气过滤膜主要采用合成聚合物和无机纳米纤维，在不可生物降解、准确性、可靠性、高生产成本以及制造工艺复杂等方面存在实际局限性。当前的生物气溶胶检测方法主要包括培养平板法、聚合酶链式反应和酶联法免疫吸附测定。然而，这些方法要么耗时，要么操作复杂，要么灵敏度低，限制了它们在现场检测中的实用性。商业化大规模生产的水溶性无纺布（WS-NWFs）具有优异的水溶性和高生物相容性，能够通过溶解直接释放捕获的微生物，避免了洗脱不完全和转移损失的问题。因此，WS-NWFs的商业化为生物气溶胶收集提供了一种极具吸引力的解决方案，有效解决了传统过滤膜的关键局限性。微流控比色生物传感器凭借操作简单、特异性好、响应迅速和集成度高，已成为生物气溶胶检测的一种很有前景的替代方法。为了提高生物传感器的灵敏度，具有类过氧化物酶活性的纳米酶被用于放大比色信号，例如金属基纳米酶、碳基纳米酶、金属有机框架等。在这些纳米酶中，双金属Pd/Pt纳米酶由于协同效应，表现出优异的催化活性、增强的环境稳定性和抗干扰能力。因此，搭载双金属Pd/Pt纳米酶的微流控比色生物传感器为生物气溶胶的快速灵敏检测提供了一种变革性平台。据麦姆斯咨询报道，中国农业大学研究团队近期在Analytical Chemistry期刊上发表了题为“A Microfluidic Colorimetric Biosensor Integrated with Water-Soluble Nonwoven Fabrics for Collection and Detection of Bacterial Aerosols”的研究成果。研究团队开发了一种集成WS-NWFs的微流控比色生物传感器，用于收集和检测含有鼠伤寒沙门氏菌的生物气溶胶。图1 集成WS-NWFs的微流控比色生物传感器工作流示意图如图1所示，该传感器首先利用WS-NWFs收集细菌气溶胶，随后将其溶解在磷酸盐缓冲液（PB）中，以直接释放收集到的细菌并最大限度提高回收率。然后，将溶解后的细菌溶液以及含有免疫磁性纳米球（MNBs）和Pd/Pt纳米酶的溶液泵入微流控芯片。经过多涡旋微混合器和蛇形孵育通道后，目标细菌被特异性分离并标记，形成磁性纳米球-沙门氏菌-纳米酶三明治复合物。随后，这些复合物在多功能腔室中进行磁分离，并用去离子水洗涤以去除过量的游离纳米酶。最后，将无色的H₂O₂-3,3',5,5"-四甲基联苯胺（H₂O₂-TMB）底物泵入以重悬复合物，复合物上的纳米酶催化该底物产生蓝色的催化产物TMBox，然后用智能手机对其进行拍摄。最后，使用ImageJ软件分析催化产物的饱和度，以确定沙门氏菌的浓度。微流控芯片的设计与制造。该芯片主要由四个部分组成：（1）一个入口用于连接夹持WS-NWFs的塑料支架，一个入口用于泵入MNBs与Pd/Pt纳米酶的混合液，一个入口用于泵入洗涤缓冲液，一个入口用于泵入H₂O₂-TMB底物，以及，一个出口用于排出废液；（2）一个多涡流微混合器，用于高效混合捕获的细菌、MNBs与Pd/Pt纳米酶；（3）一个蛇形孵育通道，用于充分形成MNBs-沙门氏菌-纳米酶三明治复合物；（4）一个多功能腔室，用于进行磁分离、催化反应和光学检测。该微流控芯片的模具通过Solidworks软件设计，并使用3D打印机打印而成。将聚二甲基硅氧烷（PDMS）与固化剂按10：1的比例充分混合后倒入模具中，在65℃下固化12小时后，将顶层和底层剥离，并进行表面氧等离子体处理，从而制成微流控芯片。图3 集成WS-NWFs的微流控比色生物传感器进行细菌气溶胶检测的优化总结而言，本研究创新性地开发了一种集成WS-NWFs的微流控比色生物传感器，用于收集和检测细菌气溶胶。WS-NWFs的不规则纤维结构使其可用于细菌气溶胶的收集。此外，WS-NWFs在室温下能迅速溶于水，可直接释放收集到的细菌，并实现最大回收率。然而，这些商业化WS-NWFs收集细菌气溶胶的效率仍需进一步提高。合成具有更小孔径的新型纳米材料（如金属有机框架）被认为是提高收集效率的一种有前景的方法。此外，这种微流控比色生物传感器将细菌的分离、检测集成在一块芯片上，实现了对目标细菌的定量测定。该生物传感器的线性检测范围为10²-10⁵ CFU/mL，检测限为36 CFU/mL，整个检测时间为1.5小时。所提出的方法为检测含有不同致病菌的生物气溶胶提供了一种潜在的解决方案。https://doi.org/10.1021/acs.analchem.5c04857
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