量子点生物传感器实现对水中大肠杆菌的现场快速检测
2022-04-30 11:20:00   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

传统的水中细菌污染监测方法成本高、耗时长，因此迫切需要一种现场快速检测系统。为了满足这一需求，印度研究人员近期开发出一种磁性纳米粒子辅助适体量子点生物传感器，可以快速识别水样中的大肠杆菌。这项研究以题为“Development of magnetic nanoparticle assisted aptamer-quantum dot based biosensor for the detection of Escherichia coli in water samples”的论文发表于Science of the Total Environment杂志。

一些疾病是由微生物污染食物和水而引发。最常见的水污染物是大肠杆菌（E. coli）。

生物传感器与水中的微生物污染

多种细菌和病毒性疾病都是由水体污染而引发，例如60%的腹泻都与该问题有关。由微生物病原体造成的水污染已成为全球关注的问题，这是由于它可能引发疾病并导致疾病的传播。自然水体受到污染的主要原因包括：城市化、污水污染、未经处理的工业废水排放以及的医疗废物排放等。

科学家通常通过监测指示微生物的存在来确定水的质量。对于人类饮用水来说，需要对水样本中大肠杆菌和其他大肠菌群（如肠杆菌科）的水平进行评估。不同的致病性大肠杆菌菌株（如K-12、O157:H7和CFT073）可能引起尿路感染（UTIs）、新生儿脑膜炎和肠胃炎等疾病。其他一些有害的水污染物，尤其是粪便污染物，还能够引起严重的疾病，如甲型肝炎、伤寒和病毒性肠胃炎等。

研究人员已经开发出具有生物选择性的复杂生物传感器。这些生物传感器包含微电子电路及生物识别系统，可以快速检测水样中的污染物。开发可以快速检测水样中大肠杆菌的新型生物传感器，能够解决与水质有关的各种问题。

用于大肠杆菌现场快速检测的生物传感器

近日，研究人员开发出一种荧光生物传感器来识别大肠杆菌，其原理是4-甲基伞型酮-β-D-葡糖苷酸（C₁₆H₁₆O₉·3H₂O，MUG）可以被大肠杆菌酶β-D-葡萄糖醛酸酶（GUD）快速水解。这种反应会产生一种荧光产物，即可表明水样中存在大肠杆菌。

研究人员使用配体诱导激活的RNA输出传感器（ROSALIND）来检测各种水污染物。这是一种无细胞系统，该系统利用了可诱导荧光的RNA适体。因此，污染物可触发适体转录并产生荧光信号。

研究人员已经开发了大肠杆菌核酸适体I & II共轭超顺磁性氧化铁纳米粒子（SPION）以及碲化镉-巯基丙酸量子点（CdTe QD）ATmega 328P原型生物传感器，可用于水样中大肠杆菌的定性和定量检测。

研究人员使用动态光散射（DLS）方法测量了新合成的亲水性CdTe-MPA量子点和亲水性SPION的粒度分布，这些量子点分散在超纯水中。亲水性CdTe-MPA量子点的平均粒径为132.9nm，且带有负电荷。透射电镜（TEM）图像显示合成的CdTe-MPA量子点纳米粒子呈球形。

在这项研究中，研究人员利用超导量子干涉仪磁强计评估了室温下SPION的磁性。观察结果显示SPION是超顺磁的，在无外磁场情况下，粒子的净磁化强度为零。

研究人员将选择性适体与大肠杆菌进行生物共轭，形成了所需的适体I-CASPION与适体II-CdTe-MPA量子点的纳米共轭物。将含大肠杆菌的水样与大肠杆菌特异性适体I共轭的CASPION共同培育，大肠杆菌很容易附着在SPION表面的适体I上。

随后，使用高强度的实验室磁铁将其分离，以形成由细菌- SPION复合物组成的沉淀物。在共聚焦激光扫描显微镜下，通过结合适体II共轭的CdTe-MPA量子点，证实了大肠杆菌细胞的存在。

这项研究采用ATmega 328P微控制器开发出一种基于核酸适体II共轭CdTe MPA量子点的生物传感器原型。在该原型生物传感器中，CdTe-MPA量子点被紫外光激发前后的荧光强度读数将显示于其液晶显示器（LCD）上。这种生物传感器利用了光电二极管和平凸透镜，甚至可以检测出低细菌菌落数（达到100 CFU）。最重要之处在于，ATmega 328P微控制器可以对水样中的大肠杆菌进行现场检测，并具有较高的特异性和灵敏度。

论文信息：https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2022.154857

延伸阅读：

《即时诊断应用的生物传感器技术及市场-2022版》

《分子诊断技术与市场趋势-2020版》