食品安全一直是全球關(guān)注的焦點(diǎn)，飲料中的細(xì)菌污染因其快速繁殖能力而對(duì)公眾健康構(gòu)成重大威脅。傳統(tǒng)的細(xì)菌檢測(cè)方法，如平板培養(yǎng)法需要數(shù)天的培養(yǎng)時(shí)間，而分子和光學(xué)技術(shù)則需要復(fù)雜的預(yù)處理和專業(yè)設(shè)備，這極大地限制了它們?cè)谌粘Ｊ称窓z測(cè)中的實(shí)際應(yīng)用。
為應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，來(lái)自京都大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種快速、無(wú)標(biāo)記的細(xì)菌檢測(cè)方法，該方法利用介電泳（DEP）集成的 65-GHz 電感電容（LC）振蕩器陣列傳感器芯片，為飲料中細(xì)菌的高效檢測(cè)提供了新的可能。相關(guān)研究成果發(fā)表在《Food Bioscience》期刊上。
傳感器芯片的設(shè)計(jì)與工作原理
這種新型傳感器芯片采用 65nm CMOS 技術(shù)制造，包含 1488 個(gè)以之字形排列的傳感器元件，每個(gè)元件都集成了 5μm 的介電泳電極和 50μm 的 LC 振蕩器。其核心設(shè)計(jì)理念是通過(guò)介電泳電極實(shí)現(xiàn)細(xì)菌的收集，同時(shí)利用 LC 振蕩器感知共振頻率的變化，從而對(duì)應(yīng)收集到的微生物體積。
介電泳是一種通過(guò)可控非均勻電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)細(xì)胞分離和富集的電動(dòng)方法。當(dāng)對(duì)成對(duì)電極施加差分信號(hào)時(shí)，由于非均勻電場(chǎng)的作用，粒子會(huì)受到不對(duì)稱的介電泳力。這種力要么將粒子吸引到強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)域，要么將其排斥出去。具體而言，介電泳力的大小由粒子半徑、介質(zhì)介電常數(shù)、電場(chǎng)強(qiáng)度有效值、外加電場(chǎng)的交變頻率以及克勞修斯 - 莫索蒂（CM）因子等因素決定。
LC 振蕩器的共振頻率則由施加到傳感器元件表面的樣品決定。當(dāng)微生物細(xì)胞取代了 bulk 水的體積時(shí)，會(huì)導(dǎo)致 65GHz 下的介電常數(shù)降低，進(jìn)而使 LC 振蕩器的共振頻率相應(yīng)增加，這一變化可以通過(guò)輸出信號(hào)得到確認(rèn)。
圖 1.（a） 帶有陣列傳感器元件的傳感器芯片的微觀示意圖，集成了電感電容 （LC） 壓控振蕩器 （VCO） 與前端電感器、介電泳 （DEP） 電極和分析電路。（b） 模擬的 DEP 電場(chǎng)分布在 10 MHz，2.5 Vpp 在純水中。正 DEP （p-DEP） 將微生物吸引到 DEP 電極處的高電場(chǎng)密度區(qū)域。（c） 通過(guò)絕緣層與樣品集成的 LC 振蕩器的等效電路，說(shuō)明了傳感機(jī)制。（d） 集成微流控的傳感器芯片和實(shí)驗(yàn)裝置的示意圖。
圖 2.（a） 所有傳感器元件輸出的矩陣，顯示了在 10 V 峰峰值 （Vpp） 介電泳 （DEP） 電壓和 20 μ收集（10 Vpp DEP 電壓和 20 μ L/min 流速）下捕獲的大腸桿菌隨時(shí)間（流向從左到右）的分布。（b） 在 DEP L/min 流速 10 分鐘后向上游捕獲的酵母和大腸桿菌細(xì)胞的顯微鏡圖像）。（c） 傳感器元件隨時(shí)間的平均頻移，表示大腸桿菌和酵母 DEP 收集過(guò)程（10 Vpp DEP 電壓和 20 μ L/min 流速）。
圖 3.（a） 大腸桿菌和 （b） 酵母在不同 DEP 電壓和流速設(shè)置下的介電泳 （DEP） 收集。（c） 傳感器芯片頻移的代表性矩陣，顯示了在不同電壓和流速（流向從左到右）下捕獲的微生物的分布。（d） 按柱號(hào)劃分的捕獲微生物體積分布。Y 軸表示每根色譜柱的平均頻移，表示捕獲的微生物的體積。流向?yàn)閺妮^低的列號(hào)（左）到較高的列號(hào)（右）。（e） 前三列與所有列之間的平均頻移比較，顯示統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著性 （0.001< **p < 0.01） 差異。
多飲料場(chǎng)景下的檢測(cè)性能
研究團(tuán)隊(duì)對(duì)該傳感器在不同飲料基質(zhì)中的性能進(jìn)行了評(píng)估，包括礦泉水、綠茶和牛乳等。在礦泉水中的檢測(cè)限為 1.3×10?個(gè)細(xì)菌細(xì)胞 / 毫升，在綠茶中同樣為 1.3×10?個(gè)細(xì)胞 / 毫升，而在牛乳中的檢測(cè)限為 5.4×10?個(gè)細(xì)胞 / 毫升，富集率高達(dá) 20 倍。
值得一提的是，整個(gè)檢測(cè)過(guò)程在 30 分鐘內(nèi)即可完成，且無(wú)需預(yù)處理、外部分析儀或溫度控制。這一優(yōu)勢(shì)使得該技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中具有極高的便利性和效率。例如，在牛乳檢測(cè)中，由于牛乳的中等電導(dǎo)率較高，研究團(tuán)隊(duì)采用了蒸餾水稀釋的方法來(lái)降低電導(dǎo)率，優(yōu)化后的 10% 牛乳比例在 5MHz 的介電泳頻率和 10Vpp 的電壓下，實(shí)現(xiàn)了有效的細(xì)菌收集。
圖 4.（a） 所有和 （b） 部分傳感器元件（上游前三列）對(duì)飲料樣品中細(xì)菌濃度的平均輸出。與樣品中原始大腸桿菌濃度相比，大腸桿菌的 （c） 總富集率和 （d） 部分富集率（上游前三列）富集率。
圖 5.（a） 礦泉水和 （b） 脫脂牛奶和全脂牛奶之間的細(xì)菌檢測(cè)中上游和下游區(qū)域之間頻移值的隨時(shí)間梯度差異。
表 1 已報(bào)道的用于飲料樣品中細(xì)菌檢測(cè)的電生物傳感器的比較。
優(yōu)勢(shì)與應(yīng)用前景
與其他快速細(xì)菌檢測(cè)方法相比，該方法的突出特點(diǎn)在于無(wú)需預(yù)處理步驟和復(fù)雜的光譜分析。例如，與分子診斷技術(shù)如 DNAFoil 和環(huán)介導(dǎo)等溫?cái)U(kuò)增，或基于光學(xué)的診斷技術(shù)如熒光生物傳感器和表面增強(qiáng)拉曼光譜相比，這種方法更加簡(jiǎn)單直接。
傳感器的緊湊設(shè)計(jì)、可重復(fù)使用性和快速檢測(cè)能力使其非常適合現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)食品安全檢測(cè)。從成本角度來(lái)看，隨著大規(guī)模生產(chǎn)，每個(gè)傳感器芯片的成本可降至 2 美元左右，每次檢測(cè)的成本幾乎可以忽略不計(jì)。這使得該技術(shù)在食品工業(yè)的質(zhì)量控制中具有廣泛的應(yīng)用前景。
此外，該傳感器還展現(xiàn)出對(duì)不同大小微生物的區(qū)分潛力。以大腸桿菌和酵母菌為例，由于它們的細(xì)胞大小不同，在介電泳和流體動(dòng)力學(xué)方面表現(xiàn)出不同的行為，這為基于細(xì)胞大小的微生物區(qū)分提供了思路。
挑戰(zhàn)與未來(lái)方向
盡管該技術(shù)目前的檢測(cè)限超過(guò)了日本的一些食品安全標(biāo)準(zhǔn)，如巴氏殺菌乳的 50,000 CFU / 毫升、綠茶的 20 CFU / 毫升和礦泉水的 5 CFU / 毫升，但作為一種快速、簡(jiǎn)單的篩選工具，其在檢測(cè)嚴(yán)重細(xì)菌污染方面具有重要的實(shí)用價(jià)值。
未來(lái)的研究方向?qū)⒅铝τ谔岣邫z測(cè)靈敏度，例如通過(guò)設(shè)計(jì)更寬的行和更少的列來(lái)優(yōu)化傳感器芯片設(shè)計(jì)，以降低成本并提高檢測(cè)效率。此外，結(jié)合適配體的生物識(shí)別方法可以增強(qiáng)芯片的特異性，而降低微流控通道的高度則有望將富集率提高到 100 倍以上。
這項(xiàng)研究為飲料中細(xì)菌的快速檢測(cè)提供了一種創(chuàng)新的解決方案，為保障食品安全開(kāi)辟了新的技術(shù)路徑。隨著技術(shù)的不斷完善，我們有理由相信，這種無(wú)標(biāo)記緊湊型傳感器芯片將在食品工業(yè)中發(fā)揮重要作用，為消費(fèi)者的飲食安全保駕護(hù)航。
原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.fbio.2025.106803
來(lái)源：微生物安全與健康網(wǎng)，作者~李康倩。
