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聚丁二炔生物传感器：大肠埃希菌O157:H7快速检测的新曙光

一、引言

1.1研究背景与意义

大肠埃希菌O157:H7（EscherichiacoliO157:H7）作为肠出血性大肠埃希氏杆菌的主要菌型，是一种极具威胁的食源性病原菌。自1982年被发现以来，已在全球范围内多次引发食源性疾病。其传播媒介广泛，包括污染的牛肉、牛奶、鸡肉、蔬菜、果饮料等。人体一旦感染E.coliO157:H7，轻者会出现短暂腹泻、恶心、呕吐等症状，重者则会导致剧烈腹痛、出血性结肠炎、溶血性贫血、血小板减少性紫癜，甚至发展为溶血性尿毒综合症，严重危及生命健康。据相关研究表明，在一些严重的感染案例中，尤其是儿童和老年人，感染后发展成为溶血性尿毒综合症的风险较高，这种症状可能会导致肾衰竭、脑损伤，甚至死亡。

传统的大肠杆菌O157:H7检测方法存在诸多不足。微生物培养法作为经典的检测手段，需要在选择性强化培养基中进行细菌增殖，然后利用特异性的麦康凯平板进行分离鉴定，整个过程操作时间较长，通常需要48-72小时才能获得结果，并且培养条件要求较高，容易受到其他环境微生物的干扰。免疫学检测法，如酶联免疫吸附试验（ELISA），虽然利用抗原—抗体的特异性结合反应，能够快速检测样品中大肠埃希氏菌O157:H7，在很多时候因其简便性和快速性被广泛应用于现场检测，但其检测灵敏度和特异性可能受限。分子生物学检测法，如聚合酶链式反应（PCR）和实时PCR等，虽然具有高灵敏度和特异性，能够在基因水平上检测大肠埃希氏菌O157:H7，且能够快速提供结果，具备识别和区分不同细菌株的能力，适用于大量样品的筛查，但在特异性、简便性等方面仍存在不足，例如PCR法可能出现非特异性条带。

聚丁二炔（PDA）生物传感器作为一种新兴的检测技术，具有独特的优势，为大肠杆菌O157:H7的快速检测提供了新的解决方案。PDA纳米材料在受到外界刺激时，其分子结构会发生变化，从而导致颜色改变，这种特性使得基于PDA的生物传感器能够实现可视化检测。通过将特异性识别分子（如适配体）修饰到聚丁二炔纳米囊泡表面，构建的适配体-聚丁二炔纳米生物传感器能够利用适配体与E.coliO157:H7菌体表面脂多糖间的特异性结合，引发聚丁二炔纳米生物传感器的颜色变化和比色响应值改变，从而实现对标本中大肠杆菌O157:H7的定性或定量检测。该方法不需要特殊仪器，具有操作简便、检测时间短、灵敏度较高和特异性强等优点，在食品安全检测和临床诊断领域具有广阔的应用前景。

本研究聚焦于聚丁二炔生物传感器快速检测大肠埃希菌O157:H7，具有重要的现实意义。在食品安全领域，能够快速准确地检测食品中的大肠杆菌O157:H7，有助于及时发现污染源，采取有效措施防止食源性疾病的爆发，保障食品供应链的安全性。在公共卫生方面，可实现对疑似病人的快速初筛检验，做到早发现、早隔离、早治疗，有效控制疫情的传播，降低疾病对公众健康的威胁。

1.2研究目的与创新点

本研究旨在通过深入分析聚丁二炔纳米材料的物化特性，制备出性能优良的聚丁二炔纳米囊泡；对已有的E.coliO157:H7脂多糖特异性适配体进行截短设计，深入研究其结构与功能关系；采用碳化二亚胺法介导氨基化适配体修饰到聚丁二炔纳米囊泡表面，构建高效的适配体-聚丁二炔纳米生物传感器，实现对大肠埃希菌O157:H7的快速、灵敏检测。

本研究在多个方面具有创新之处。在制备工艺上，采用探头超声法制备三种不同体系的聚丁二炔纳米囊泡，包括纯PDA囊泡、PDA/DMPC混合磷脂囊泡以及PDA/DMPC/LPS混合磷脂囊泡，并通过透射电镜负染技术、紫外-可见光吸收光谱技术和鲎试验等多种手段对其进行全面表征，确保囊泡的质量和性能。对E.coliO157:H7脂多糖特异性适配体进行截短设计，通过软件RNAstructure4.5对截短前后序列的二级结构进行预测，结合ELISA方法和激光共聚焦显微镜对适配体与E.coliO157:H7的相互作用进行验证，成功获得亲和力高、特异性强的功能分子，优化了适配体的性能。在检测性能方面，所构建的适配体-聚丁二炔纳米生物传感器具有快速、灵敏、特异性强的特点。整个检测过程能够在2h内完成，大大缩短了检测时间；线性范围为10?～10?CFU/ml，灵敏度达10?CFU/ml，能够满足实际检测的需求；对临床粪便标本检测的灵敏度为100％，特异性为99％，用培养法作参照，本法检测准确率为99％，与传统检测方法相比，具有更高的准确性和可靠性。在实际应用方面，将该生物传感器应用于临床粪便标本检测，对100例临床粪便模拟阳性标本检出率达