中國工程院食品安全院士團隊

科研成果轉(zhuǎn)化平臺

食品安全問題隨著全球化和供應(yīng)鏈復(fù)雜度的增加而日益嚴(yán)峻。尤其是由Salmonella enterica引起的食源性疾病，已成為全球公共健康的主要威脅。傳統(tǒng)的檢測方法如細(xì)菌培養(yǎng)法雖然有效，但耗時長、操作復(fù)雜。本文提出了一種基于量子生物材料增強的微型機器人（QBEMRs）平臺，通過熒光信號變化實現(xiàn)對S. enterica的快速檢測，為食品安全檢測提供了一種便捷、靈敏的解決方案。

1. QBEMRs的工作原理與設(shè)計

該平臺利用量子生物材料（QMs）作為微型機器人的外層，具備高選擇性和熒光響應(yīng)。研究人員通過電沉積方法構(gòu)建了Ni-Pt層結(jié)構(gòu)的微型機器人，Pt層用于自推進，Ni層賦予磁性，使機器人在食品樣本中能夠有效移動至目標(biāo)位置，從而快速實現(xiàn)對S. enterica的檢測。下圖1展示了該工作的基本原理。自推進石墨烯基QBEMRs作為動態(tài)檢測腸鏈球菌內(nèi)毒素的活性生物載體。該方案顯示了附著羅丹明標(biāo)記親和肽的QBEMRs在腸鏈球菌內(nèi)毒素污染的溶液中導(dǎo)航前（溶液中為OFF）和后（溶液中為ON）。這引發(fā)了親和肽與腸鏈球菌內(nèi)毒素的釋放和相互作用，導(dǎo)致溶液中的熒光恢復(fù)（ON期）。

圖1. 熒光檢測示意圖。

本研究采用電沉積技術(shù)制備微型機器人。為了確認(rèn)微型機器人的成功合成，并闡明其表面形貌和組成，進行了SEM-EDX，如下圖2所示。圖2A-a顯示了微型機器人的SEM圖像，顯示出一個長度約為5 μm，橫截面直徑為2.5 μm的管狀結(jié)構(gòu)。圖1A中的元素映射，如(b)、(c)和(d)，表明了關(guān)鍵元素的存在，特別是C、Ni和Pt。這些發(fā)現(xiàn)表明成功合成了自推進微型機器人，并且存在三種不同的層：QMs、Ni和Pt分別作為外層、中間層和內(nèi)層。在使用這些微型機器人進行分析物檢測之前，研究了各種表面活性劑對速度的影響，如圖2B所示。在沒有表面活性劑的情況下，微型機器人無法實現(xiàn)自我推進，特別是在低濃度H₂O₂下。這凸顯了表面活性劑在降低微型機器人的表面張力和穩(wěn)定氣泡產(chǎn)生方面的重要作用，最終提高了微電機的速度。值得注意的是，發(fā)現(xiàn)使用1%的SDS會顯著提高微型機器人的速度。

圖2. A)-(a) QBEMRs的SEM和EDX （b-d）圖像。(B)在H₂O₂濃度為9%和每種表面活性劑濃度為1%時，表面活性劑對QBEMRs速度的影響。

2. 高靈敏度的熒光“開關(guān)”策略

該檢測方法采用“OFF-ON”熒光策略：量子材料表面連接有特定的親和肽，在檢測到Salmonella內(nèi)毒素時發(fā)生熒光信號的恢復(fù)。實驗顯示，該平臺的檢測限低至2.0 μg/mL，大幅提升了靈敏度（圖3A）。圖3B描述了微型機器人在運動和靜止?fàn)顟B(tài)下的對比研究。值得注意的是，當(dāng)微型機器人靜止（無燃料）時（如圖3B-a所示），與它們運動（圖3B-b所示使用燃料）相比，熒光回收率顯著降低。這可以歸因于當(dāng)微型機器人主動移動時觀察到的更高的檢測能力。有趣的是，空白微型機器人幾乎沒有檢測到熒光，這表明它們?nèi)狈逃械臒晒?，如圖3B-c所示。接下來，通過將活性生物載體暴露于一系列革蘭氏陰性菌，包括大腸桿菌、腸鏈球菌血清型腸炎和腸鏈球菌血清型鼠傷寒桿菌（如圖3C所示），來評估活性生物載體的選擇性。值得注意的是，與大腸桿菌和腸炎沙門氏菌相比，鼠傷寒桿菌具有更強的熒光恢復(fù)。因此，該策略通過使用特定的親和肽來區(qū)分細(xì)菌類型，從而展示了精致的選擇性。

3. 食品樣本中的實際應(yīng)用

QBEMRs平臺在橙汁、牛奶等實際食品樣本中的檢測回收率為90%-110%，表明其在復(fù)雜基質(zhì)中的應(yīng)用潛力（圖3D）。此外，該平臺能夠在短時間內(nèi)檢測到污染物，為食品快速檢測提供了有效解決方案。

圖2. QBEMRs活性生物載體測定腸球菌內(nèi)毒素。A)運動狀態(tài)下分析物[內(nèi)毒素]濃度的對數(shù)（log）值與對數(shù)[熒光強度]之間的校準(zhǔn)圖。B)顯示在運動（9% H₂O₂）或靜態(tài)（無燃料）條件下，peptide@QBEMRs對固定濃度的腸鏈球菌內(nèi)毒素（50 μg mL^?1）的熒光強度恢復(fù)。C) peptide@QBEMRs生物載體對不同靶點（即大腸桿菌、腸炎沙門氏菌和鼠傷寒沙門氏菌）的熒光強度恢復(fù)直方圖：（50 μg mL^?1）（9% H₂O₂）。D)顯示了在添加15 μg mL^?1內(nèi)毒素的各種實際樣品（橙汁、牛奶）中通過peptide@QBEMRs獲得的回收率。

總結(jié)：基于量子生物材料增強的微型機器人平臺，為S. enterica的食品污染檢測提供了一種快速、靈敏且經(jīng)濟高效的方法。該技術(shù)有望廣泛應(yīng)用于食品安全檢測領(lǐng)域，保障消費者健康。

參考文獻：Castillo, Alberto-Rodríguez, et al. "Active Quantum Biomaterials-Enhanced Microrobots for Food Safety." Small: e2404248.

來源：微生物安全與健康網(wǎng)，作者~高寶。