用于細菌檢測的紙基傳感器

病原菌的檢測對于預防和治療感染以及保障食品安全至關重要。目前的金標準檢測技術，例如培養基檢測和聚合酶鏈反應（PCR），不僅耗時，并且還需要集中在實驗室進行。因此，人們致力于開發快速、廉價、便攜且不需要專門培訓的即時檢測（POC）裝置?；诩垙埖姆治鲅b置恰好滿足上述標準，特別適合在資源匱乏的環境中部署。

據麥姆斯咨詢報道，近日，新南威爾士大學（The University of New South Wales，UNS）化學工程學院和澳大利亞納米醫學中心（Australian Centre for Nanomedicine，ACN）的研究人員在Nature Reviews Bioengineering期刊上發表了一篇題為“Paper-based sensors for bacteria detection”的綜述文章，他們討論了紙基細菌檢測平臺，不包括如病毒、寄生蟲和真菌等其它微生物病原體。

重要的是，目前，只有滿足（或接近滿足）以下標準的健康診斷、食品質量控制和環境監測領域的研究被包含在內：傳感器可以評估未經處理或未加工的樣品，在資源匱乏的環境中滿足可現場部署即時檢測的REASSURED標準，并在相關實際范圍內達到檢測限（LOD）。對于后一個標準，重點將放在實現小于102菌落形成單位（CFU）?/ml的低檢測限。同時，研究人員總結了紙基細菌檢測平臺面臨的主要挑戰。

注：REASSURED是Real-time connectivity, Ease of specimen collection, Affordable, Sensitive, Specific, User-friendly, Rapid/Robust, Equipment-free and Deliverable首字母縮寫。

紙基傳感技術發展時間線

紙基傳感平臺

紙基傳感器的一個重要特點是，其可以通過毛細管流動自發地輸送液體，因此不需要泵。此外，紙基傳感器易于調節紙張孔徑，以改變流速，并且紙張具有高的表面積與體積比，可使試劑固定和儲存。最受歡迎的紙基傳感平臺是基于比色法的橫向流動分析（LFA）。通常，橫向流動分析由樣品墊、共軛墊、檢測墊和吸收墊等組成。

商用紙基傳感器

針對標準的夾心免疫測定，首先需將樣品引入樣品墊以啟動吸收過程。然后樣品移向共軛墊，與標記的檢測生物受體（通常是納米粒子偶連的抗體）相互作用。在進一步遷移后，樣品到達檢測墊，檢測墊包含一條測試線（捕獲的生物受體與標記的分析物結合），以及一條對照線。最后，吸收墊吸收多余的樣品，并規定測試所需的樣品體積。紙基微流控分析裝置遵循類似的機制，并受益于簡單的設計、低廉的成本和5~30分鐘的快速響應時間，具體取決于樣品特性和應用場景。相比之下，盡管敏感性相當，基于電化學的技術研究卻有所下降，可能由于其成本較高。

研究人員注意到，不同的應用需要不同的采樣方法（破壞性或非破壞性）、質量保證和行業標準。例如，在固態食物樣品中，病原體不像在液態樣品中分布的那樣均勻。本文中，研究人員將嚴格滿足使用未加工樣品、即時檢測適用性和證明相關檢測限標準的研究，根據樣品的固體、液體和氣體狀態對其進行分組。該應用將從臨床診斷到食品和環境中的病原體檢測。

紙基傳感器的操作過程

固態樣品

用于固態樣品（如牛肉、海鮮、面包和生菜）中細菌檢測的紙基傳感平臺大多是基于比色的橫向流動分析。這些傳感器對用戶很友好，適用于資源匱乏環境中的即時檢測應用。研究人員基于橫向流動分析結合擴增技術設計了幾種平臺，例如用于細菌檢測的聚合酶鏈反應、表面增強拉曼光譜（SERS）或免疫磁性分離（IMS）等平臺。他們還開發了使用環介導等溫擴增（LAMP）或紙基酶聯免疫吸附試驗（ELISA）的其它方法。然而，此類方法需要加熱，并且需集中在實驗室處理，同時需要多個處理步驟，盡管該類系統更加復雜，但其靈敏度并不比簡單的替代方案低多少（102~10?菌落形成單位/ml）。

雖然CRISPR-Cas紙基細菌檢測分析受益于固態樣品的低檢測限（1~102菌落形成單位/ml），但它們需要重組酶聚合酶擴增（RPA）或重組酶輔助擴增（RAA）方法。這些步驟需在37°C~42°C間進行，與環介導等溫擴增的60°C相比，更接近室溫，然而，仍需要電源。此外，擴增組分（如Cas蛋白和引物）需要儲存在遠低于冰點的溫度（零下20?°C）下，這意味著基于環介導等溫擴增和基于CRISPR的方法在其當前狀態下，并不符合所有的REASURED標準。

液態樣品

與固態樣品類似，針對液態樣品（如血清、牛奶、水、果汁和嬰兒配方奶粉溶液）中的細菌，研究人員主要使用基于橫向流動分析的比色法檢測，因其簡單易行。其中大多數分析依賴于金納米顆粒作為信號探針，但它們受到高檢測限的限制（大于103菌落形成單位/ml?），或需要樣品預處理的限制。為了提高其性能，基于橫向流動的分析已與磁性納米顆粒等擴增方法相結合，以實現目標分析物（例如顯色物質和酶）預濃縮，或實施聚合酶鏈反應、環介導等溫擴增以及基于CRISPR-Cas的方法。然而，這些方法都受到以下一個或多個因素限制，例如高溫、長響應時間、低靈敏度、大量樣品制備和擴增步驟等。

氣態樣品

在空氣懸浮液中也可以發現細菌，將其稱為生物氣溶膠。由于樣品的性質，分析通常包括兩個主要步驟：收集和檢測。收集可通過沉淀、過濾、離心、沖擊、撞擊或微流控芯片實現。例如，帶有細菌的空氣樣品可以通過紙基裝置上的多孔采樣墊。然后在取樣墊上使用干燥的裂解緩沖液裂解收集到的細菌，釋放DNA分子，然后通過水介導的側向流將其輸送至結合墊。這種測定的一個限制是，需要使用實時定量聚合酶鏈反應分析得到的等分試樣。

總而言之，紙基分析平臺的簡單性和低成本引發了大量關于細菌檢測的研究。與電化學、熒光或化學發光方法相比，大部分此類裝置使用比色法作為分析技術。這種基于紙張的診斷工具在即時檢測應用方面具有巨大潛力，但為了滿足REASSURED標準，仍有幾個關鍵挑戰需要解決。特別是，考慮到特定的細菌和應用，需要改進檢測限。選擇性可以通過對樣品中經常存在的目標化合物的干擾實驗來解決，例如，對于臨床診斷，應使用微生物群落背景和血清蛋白作為對照。在食品樣品中，氨基酸、蛋白質和脂肪酸會干擾測定，而在農業樣品中，土壤和植物蛋白質會影響測定。

此外，大多數研究通常評估其平臺對其它致病菌的選擇性。評估屬或菌株水平的選擇性以減少假陽性結果也很重要。細菌對環境或物理壓力的反應會導致其表型狀態或代謝活性的變化。因此，未來的研究，特別是那些依賴代謝釋放的副產物（如揮發性有機化合物（VOC）和抗微生物菌株）的研究，必須定期校準，以明確這些變化，避免檢測錯誤。此外，為了確保測量的準確性，需要考慮蛋白質水平、粘度和pH值。

審核編輯：劉清