组成图示
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传感器类型
压电(QCM)生物传感器
检测对象
大肠杆菌O157:H7（Escherichia coli O157:H7，活菌）；样品基质：BHI肉汤、野生蓝莓匀浆/0.1%蛋白胨水
检测原理
该传感器基于石英晶体微天平（QCM）压电谐振频率随表面质量变化而改变的机制。金膜QCM晶片经PEI和戊二醛（GA）处理后固定E. coli O157:H7捕获抗体，并用BSA封闭。含目标菌的样品与10 mL BHI肉汤在37℃循环18 h，活菌被捕获并在芯片表面/流路中增殖，质量增加使频率下降，从而确认活菌。富集后加入检测抗体功能化金纳米颗粒（dAb-AuNPs），其通过抗原-抗体反应结合已捕获菌，进一步增加表面质量，引起更大频率下降。频率变化Δf与菌量呈负相关，在4–6 log CFU/mL呈线性；BHI富集将0–1 log CFU/mL或g放大至约8 log CFU/mL，AuNPs提供质量放大与特异性验证。
检测灵敏度
LOD: 0–1 log CFU/mL或g（BHI富集后）；无富集LOD: 4 log CFU/mL；线性范围: 4–6 log CFU/mL；y = -42.917x + 148.89；R^2 = 0.9962
效应效果
系统对E. coli O157:H7选择性良好：无富集时6 log CFU/mL目标菌Δf为95 Hz，阴性菌均<20 Hz；富集后1 log CFU/mL目标菌Δf为125±13 Hz，L. monocytogenes和S. Typhimurium分别为25±13、27±12 Hz，空白18±10 Hz，p<0.01。蓝莓样品中1 log CFU/g目标菌Δf为93±24 Hz，阴性对照为8±4、15±14和7±3 Hz。实验重复3次。与传统平板法3–5天、ELISA 3–5 log CFU、PCR 1–3 log CFU及其他QCM 1–2 log CFU相比，本方法24 h内同时富集并检测活菌，检出限0–1 log CFU/mL或g，适用于食品安全检测。
传感器的构成
- 基底/换能器：5 MHz 金膜石英晶体微天平晶片（Gold QCM chip），提供压电谐振与质量传感。
- 界面修饰层：聚乙烯亚胺（PEI）与戊二醛（GA）处理，用于固定捕获抗体。
- 识别元件：E. coli O157:H7 捕获抗体（capture antibody），特异性捕获目标菌。
- 封闭层：牛血清白蛋白（BSA），封闭非特异性结合位点。
- 富集介质：脑心浸液（BHI）肉汤，循环18 h富集并维持活菌生长。
- 信号标记/放大：检测抗体功能化金纳米颗粒（dAb-functionalized AuNPs，13 nm AuNPs），识别捕获菌并增加质量。
- 读出系统：QCM200 控制器与频率监测，记录频率变化 Δf。
中文摘要
本研究开发了一种基于压电生物传感器—石英晶体微天平（QCM）的活菌富集与检测系统，用于检测活的O157:H7型大肠杆菌（Escherichia coli O157:H7）。在循环流QCM系统中，先将E. coli O157:H7捕获抗体固定在QCM晶片表面。含目标菌的样品与10 mL脑心浸液（BHI）肉汤一起在系统中循环18 h，使目标菌在晶片表面被特异性捕获并富集，QCM频率变化用于识别这些菌体。单核细胞增生李斯特氏菌（Listeria monocytogenes）和鼠伤寒沙门氏菌（Salmonella Typhimurium）作为阴性对照。细菌富集后，加入检测抗体功能化金纳米颗粒（AuNPs）以增强检测信号变化。BHI富集进一步提高了系统灵敏度，使检出限达到0–1 log CFU/mL或g。该实时监测方法可在24 h内同时富集并检测活的E. coli O157:H7，具有在常规食品微生物分析中应用的潜力。
英文摘要
A sensitive bacteria enrichment and detection system for viable Escherichia coli O157:H7 was developed using a piezoelectric biosensor-quartz crystal microbalance (QCM) with antibody-functionalized gold nanoparticles (AuNPs) used as detection verifiers and amplifiers. In the circulating-flow QCM system, capture antibodies for E. coli O157:H7 were first immobilized onto the QCM chip. The sample containing E. coli O157:H7 was circulated through the system in the presence of 10 ml of brain heart infusion (BHI) broth for 18 h. The cells of E. coli O157:H7 specifically captured and enriched on the chip surface of the QCM were identified by QCM frequency changes. Listeria monocytogenes and Salmonella Typhimurium were used as negative controls. After bacterial enrichment, detection antibody-functionalized AuNPs were added to enhance the changes in detection signal. The use of BHI enrichment further enhanced the sensitivity of the developed system, achieving a detection limit of 0-1 log CFU/ml or g. The real-time monitoring method for viable E. coli O157:H7 developed in this study can be used to enrich and detect viable cells simultaneously within 24h. The unique advantages of the system developed offer great potential in the microbial analysis of food samples in routine settings.