组成图示
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传感器类型
比色生物传感器
检测对象
大肠杆菌（Escherichia coli, E. coli XL1）、灰色链霉菌（Streptomyces griseus）、枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）；样品基质：水溶液及试纸条点样（环境/临床微生物污染样品）
检测原理
该传感器利用静电识别与酶放大实现比色检测。阳离子金纳米颗粒（NP2）表面季铵基团与阴离子β-半乳糖苷酶（β-Gal）静电结合，使酶活性被抑制，体系呈低显色状态。当目标细菌进入体系时，细菌阴离子表面与阳离子纳米颗粒结合，置换并释放β-Gal，使酶活性恢复。恢复活性的β-Gal催化CPRG水解，生成红色产物，颜色强度或595 nm吸光度随细菌浓度增加而增强。试纸条格式中，细菌在GF/B滤纸上快速渗透，NP2-β-Gal复合层限制在表面，约10 min内完成显色，可用肉眼或RGB分析定量。
检测灵敏度
LOD: 1 × 10^2 bacteria/mL（溶液）；LOD: 1 × 10^4 bacteria/mL（试纸条）；范围: 1 × 10^4–1 × 10^8 bacteria/mL（试纸条）
效应效果
溶液体系中，该方法可重复区分低至100 cells/mL的大肠杆菌XL1，每个样品做三次重复且系列重复三次；对灰色链霉菌和枯草芽孢杆菌也观察到类似Vmax变化，表明体系具有通用性。试纸条格式中，1×10^4–1×10^8 bacteria/mL范围内可见明显颜色差异，RGB分析至少重复三次，可区分1×10^4 bacteria/mL。对照实验显示中性NPTEG和阴离子NPCO2不抑制β-Gal，而80 nM阳离子NP2可完全抑制，说明静电结合是关键。实验过程中未观察到明显沉淀或颜色变化，表明体系稳定，适合现场快速检测。
传感器的构成
- 试纸条基底：GF/B无粘合剂微纤维滤纸（GF/B filter paper），提供高湿强度、高负载和快速响应
- 纳米材料层：阳离子金纳米颗粒（cationic AuNPs, NP2），表面为季铵基团，用于静电结合酶与细菌
- 识别界面：阳离子季铵表面（quaternary ammonium headgroups），与细菌阴离子表面静电结合
- 信号酶：β-半乳糖苷酶（β-Gal），阴离子酶，被NP2抑制并在细菌结合后释放恢复活性
- 显色底物：氯酚红β-D-半乳糖苷（CPRG），被β-Gal催化水解生成红色产物（λmax 595 nm）
- 反应介质：5 mM磷酸盐缓冲液（pH 7.4），维持β-Gal活性与静电结合条件
- 信号读出：肉眼比色、LCD相机RGB分析或吸光度动力学（Vmax），用于定量细菌浓度
中文摘要
病原菌的快速、高灵敏检测对环境监测和临床诊断至关重要。本文报道了一种基于酶-纳米颗粒偶联体系的比色细菌传感方法，用于检测微生物污染。该体系采用表面修饰季铵基团的阳离子金纳米颗粒（AuNPs），通过静电作用结合阴离子β-半乳糖苷酶（β-Gal），从而抑制其酶活性。当目标细菌与纳米颗粒结合时，细菌阴离子表面置换并释放β-Gal，使酶活性恢复；恢复活性的β-Gal催化显色底物氯酚红β-D-半乳糖苷（CPRG）水解，由淡黄色变为红色，实现酶放大的比色读出。该方法在水溶液中可将细菌定量至1×10^2个/mL，在便于现场使用的试纸条格式中可达到1×10^4个/mL的视觉检测水平。
英文摘要
Rapid and sensitive detection of pathogens is a key requirement for both environmental and clinical settings. We report here a colorimetric enzyme-nanoparticle conjugate system for detection of microbial contamination. In this approach, cationic gold nanoparticles (NPs) featuring quaternary amine headgroups are electrostatically bound to an enzyme [β-galactosidase (β-Gal)], inhibiting enzyme activity. Analyte bacteria bind to the NP, which releases the β-Gal and restores its activity, providing an enzyme-amplified colorimetric readout of the binding event. Using this strategy, we have been able to quantify bacteria at concentrations of 1 × 10(2) bacteria/mL in solution and 1 × 10(4) bacteria/mL in a field-friendly test strip format.