组成图示
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传感器类型
电化学生物传感器
检测对象
大肠杆菌 ORN 178（Escherichia coli ORN 178，E. coli O157:H7 替代株）；样品基质：PBS 稀释的 LB 培养菌悬液。
检测原理
该传感器以金盘电极为换能器，表面通过硫醇锚定形成 α-甘露糖苷/三乙二醇间隔物混合 SAM。α-甘露糖苷作为识别元件，与表达野生型 I 型菌毛的 E. coli ORN 178 发生特异性多价结合；ORN 208 因菌毛异常不结合。细菌附着后，其脂质双分子层细胞膜具有绝缘性，阻碍溶液中的 [Fe(CN)6]3-/4- 氧化还原探针在金电极表面的电子转移。法拉第 EIS 中，Nyquist 图半圆直径对应电子转移电阻 Ret，随结合细菌数量增加而增大，直至表面饱和。系统无标记、无信号放大，通过等效电路拟合提取 Ret，归一化 Ret 与菌浓度对数呈线性。
检测灵敏度
LOD: 10^2 CFU/mL；线性范围: 1.2 × 10^2–2.5 × 10^3 CFU/mL；相关系数 = 0.98
效应效果
选择性方面，E. coli ORN 208 不结合 α-甘露糖苷，Ret 不随浓度升高；以 β-半乳糖苷制备的传感器对 ORN 178 也无响应，说明响应来自糖-菌毛特异性识别。稳定性方面，1:40 α-甘露糖苷/间隔物 SAM 在 PBS 中经 5 h 至 2 d 条件化后稳定，最终 Ret 为 1.6 kΩ 至 30 kΩ，不同电极存在一定差异但趋势一致。定量性能方面，归一化 Ret 与菌浓度对数在 1.2×10^2–2.5×10^3 CFU/mL 线性，相关系数 = 0.98，检测限 10^2 CFU/mL，优于先前糖基细菌检测（约 10^4–10^5 CFU/mL）。作者认为该无标记 EIS 系统简单、便携，可用于即时检测或连续环境监测。
传感器的构成
- 基底/换能器电极：金盘电极（Au disk electrode，直径0.16 cm），经氧化铝抛光和piranha溶液清洗，提供导电界面并用于EIS换能。
- 自组装单分子层：硫醇终止α-甘露糖苷（thiol-terminated α-mannoside, compound 3）与硫醇终止三乙二醇间隔物（thiolated triethylene glycol, 9-mercapto-3,6-dioxaoctan-1-ol）按1:40混合自组装，形成稳定界面。
- 识别配体：α-甘露糖苷（α-mannoside），与E. coli ORN 178野生型I型菌毛（type 1 pili）特异性结合。
- 非特异抑制层：三乙二醇间隔物（PEG spacer），抑制非特异吸附并调节糖配体密度。
- 氧化还原探针：铁氰化钾/亚铁氰化钾（K3Fe(CN)6/K4Fe(CN)6，[Fe(CN)6]3-/4-），用于法拉第EIS电子转移测量。
- 电解液：PBS（pH 7.2）含0.1 M K3Fe(CN)6/K4Fe(CN)6，提供缓冲和氧化还原环境。
- 电极系统：Ag/AgCl参比电极和铂丝对电极，构成三电极EIS测量体系。
- 信号读出：Gamry Reference 600 EIS仪，通过Nyquist图半圆直径提取电子转移电阻Ret。
中文摘要
本文报道了一种基于法拉第电化学阻抗谱（EIS）的大肠杆菌 ORN 178 无标记生物传感器。作者将硫醇终止的 α-甘露糖苷或 β-半乳糖苷通过含硫醇间隔基的自组装单分子层（SAM）固定于金盘电极表面。阻抗测量（Nyquist 图）显示，E. coli ORN 178 与 α-甘露糖苷特异性结合后引起阻抗变化；不结合 α-甘露糖苷的 E. coli ORN 208 未引起显著阻抗变化。随着 ORN 178 浓度升高，电子转移电阻（Ret）在传感器饱和前逐渐增大。对 E. coli/混合 SAM/金电极的 Nyquist 图进行等效电路拟合后，在 10^2 至 10^3 CFU/mL 范围内，归一化 Ret 与大肠杆菌浓度的对数值呈线性关系。该体系将稳定的碳水化合物识别配体与 EIS 相结合，形成无标记、灵敏、特异、易用、稳健且便携的生物传感系统，有望用于即时检测或连续环境监测。
英文摘要
A label-free biosensor for Escherichia coli (E. coli) ORN 178 based on faradaic electrochemical impedance spectroscopy (EIS) was developed. α-Mannoside or β-galactoside was immobilized on a gold disk electrode using a self-assembled monolayer (SAM) via a spacer terminated in a thiol functionality. Impedance measurements (Nyquist plot) showed shifts due to the binding of E. coli ORN 178, which is specific for α-mannoside. No significant change in impedance was observed for E. coli ORN 208, which does not bind to α-mannoside. With increasing concentrations of E. coli ORN 178, electron-transfer resistance (R(et)) increases before the sensor is saturated. After the Nyquist plot of E. coli/mixed SAM/gold electrode was modeled, a linear relationship between normalized R(et) and the logarithmic value of E. coli concentrations was found in a range of bacterial concentration from 10(2) to 10(3) CFU/mL. The combination of robust carbohydrate ligands with EIS provides a label-free, sensitive, specific, user-friendly, robust, and portable biosensing system that could potentially be used in a point-of-care or continuous environmental monitoring setting.