新型无标记紧凑型传感器芯片：实现饮料中细菌的快速检测
发布时间：2025-06-30 浏览次数：24 分享：
食品安全一直是全球关注的焦点，饮料中的细菌污染因其快速繁殖能力而对公众健康构成重大威胁。传统的细菌检测方法，如平板培养法需要数天的培养时间，而分子和光学技术则需要复杂的预处理和专业设备，这极大地限制了它们在日常食品检测中的实际应用。
为应对这些挑战，来自京都大学的研究团队开发了一种快速、无标记的细菌检测方法，该方法利用介电泳（DEP）集成的 65-GHz 电感电容（LC）振荡器阵列传感器芯片，为饮料中细菌的高效检测提供了新的可能。相关研究成果发表在《Food Bioscience》期刊上。
传感器芯片的设计与工作原理
这种新型传感器芯片采用 65nm CMOS 技术制造，包含 1488 个以之字形排列的传感器元件，每个元件都集成了 5μm 的介电泳电极和 50μm 的 LC 振荡器。其核心设计理念是通过介电泳电极实现细菌的收集，同时利用 LC 振荡器感知共振频率的变化，从而对应收集到的微生物体积。
介电泳是一种通过可控非均匀电场实现细胞分离和富集的电动方法。当对成对电极施加差分信号时，由于非均匀电场的作用，粒子会受到不对称的介电泳力。这种力要么将粒子吸引到强电场区域，要么将其排斥出去。具体而言，介电泳力的大小由粒子半径、介质介电常数、电场强度有效值、外加电场的交变频率以及克劳修斯 - 莫索蒂（CM）因子等因素决定。
LC 振荡器的共振频率则由施加到传感器元件表面的样品决定。当微生物细胞取代了 bulk 水的体积时，会导致 65GHz 下的介电常数降低，进而使 LC 振荡器的共振频率相应增加，这一变化可以通过输出信号得到确认。
图 1.（a） 带有阵列传感器元件的传感器芯片的微观示意图，集成了电感电容 （LC） 压控振荡器 （VCO） 与前端电感器、介电泳 （DEP） 电极和分析电路。（b） 模拟的 DEP 电场分布在 10 MHz，2.5 Vpp 在纯水中。正 DEP （p-DEP） 将微生物吸引到 DEP 电极处的高电场密度区域。（c） 通过绝缘层与样品集成的 LC 振荡器的等效电路，说明了传感机制。（d） 集成微流控的传感器芯片和实验装置的示意图。
图 2.（a） 所有传感器元件输出的矩阵，显示了在 10 V 峰峰值 （Vpp） 介电泳 （DEP） 电压和 20 μ收集（10 Vpp DEP 电压和 20 μ L/min 流速）下捕获的大肠杆菌随时间（流向从左到右）的分布。（b） 在 DEP L/min 流速 10 分钟后向上游捕获的酵母和大肠杆菌细胞的显微镜图像）。（c） 传感器元件随时间的平均频移，表示大肠杆菌和酵母 DEP 收集过程（10 Vpp DEP 电压和 20 μ L/min 流速）。
图 3.（a） 大肠杆菌和 （b） 酵母在不同 DEP 电压和流速设置下的介电泳 （DEP） 收集。（c） 传感器芯片频移的代表性矩阵，显示了在不同电压和流速（流向从左到右）下捕获的微生物的分布。（d） 按柱号划分的捕获微生物体积分布。Y 轴表示每根色谱柱的平均频移，表示捕获的微生物的体积。流向为从较低的列号（左）到较高的列号（右）。（e） 前三列与所有列之间的平均频移比较，显示统计学显著性 （0.001< **p < 0.01） 差异。
多饮料场景下的检测性能
研究团队对该传感器在不同饮料基质中的性能进行了评估，包括矿泉水、绿茶和牛乳等。在矿泉水中的检测限为 1.3×10⁵个细菌细胞 / 毫升，在绿茶中同样为 1.3×10⁵个细胞 / 毫升，而在牛乳中的检测限为 5.4×10⁶个细胞 / 毫升，富集率高达 20 倍。
值得一提的是，整个检测过程在 30 分钟内即可完成，且无需预处理、外部分析仪或温度控制。这一优势使得该技术在实际应用中具有极高的便利性和效率。例如，在牛乳检测中，由于牛乳的中等电导率较高，研究团队采用了蒸馏水稀释的方法来降低电导率，优化后的 10% 牛乳比例在 5MHz 的介电泳频率和 10Vpp 的电压下，实现了有效的细菌收集。
图 4.（a） 所有和 （b） 部分传感器元件（上游前三列）对饮料样品中细菌浓度的平均输出。与样品中原始大肠杆菌浓度相比，大肠杆菌的 （c） 总富集率和 （d） 部分富集率（上游前三列）富集率。
图 5.（a） 矿泉水和 （b） 脱脂牛奶和全脂牛奶之间的细菌检测中上游和下游区域之间频移值的随时间梯度差异。
表 1 已报道的用于饮料样品中细菌检测的电生物传感器的比较。
优势与应用前景
与其他快速细菌检测方法相比，该方法的突出特点在于无需预处理步骤和复杂的光谱分析。例如，与分子诊断技术如 DNAFoil 和环介导等温扩增，或基于光学的诊断技术如荧光生物传感器和表面增强拉曼光谱相比，这种方法更加简单直接。
传感器的紧凑设计、可重复使用性和快速检测能力使其非常适合现场工业食品安全检测。从成本角度来看，随着大规模生产，每个传感器芯片的成本可降至 2 美元左右，每次检测的成本几乎可以忽略不计。这使得该技术在食品工业的质量控制中具有广泛的应用前景。
此外，该传感器还展现出对不同大小微生物的区分潜力。以大肠杆菌和酵母菌为例，由于它们的细胞大小不同，在介电泳和流体动力学方面表现出不同的行为，这为基于细胞大小的微生物区分提供了思路。
挑战与未来方向
尽管该技术目前的检测限超过了日本的一些食品安全标准，如巴氏杀菌乳的 50,000 CFU / 毫升、绿茶的 20 CFU / 毫升和矿泉水的 5 CFU / 毫升，但作为一种快速、简单的筛选工具，其在检测严重细菌污染方面具有重要的实用价值。
未来的研究方向将致力于提高检测灵敏度，例如通过设计更宽的行和更少的列来优化传感器芯片设计，以降低成本并提高检测效率。此外，结合适配体的生物识别方法可以增强芯片的特异性，而降低微流控通道的高度则有望将富集率提高到 100 倍以上。
这项研究为饮料中细菌的快速检测提供了一种创新的解决方案，为保障食品安全开辟了新的技术路径。随着技术的不断完善，我们有理由相信，这种无标记紧凑型传感器芯片将在食品工业中发挥重要作用，为消费者的饮食安全保驾护航。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.fbio.2025.106803
来源：微生物安全与健康网，作者~李康倩。
