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）、大肠杆菌 K12 D21（E. coli K12 D21）、枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis，选择性对照）；样品基质：PBS 缓冲液（pH 7.4）中的活菌悬液
检测原理
金涂层 QCM-D 石英晶体表面先形成半胱胺自组装单分子层，提供氨基界面；随后用戊二醛交联固定抗 E. coli O157:H7 多克隆抗体，并用 BSA 封闭未反应位点。当目标菌流过流动池时，细菌与抗体发生特异性免疫识别并结合到晶体表面。由于细菌细胞具有粘弹性，其结合不会像刚性薄膜那样完全耦合晶体振荡，而是增加振荡系统的能量耗散，使频率 f 下降、耗散 D 上升。QCM-D 同时监测 f 和 D，其中 D 更能反映粘弹性细胞结合量。取细菌注入最初 5 min 内 D 随时间的初始斜率 Dslope 作为响应，Dslope 随细胞浓度增加而增大，并在宽浓度范围内呈对数-对数线性关系。
检测灵敏度
LOD: 3 × 10^5 cells/mL；线性范围: 3 × 10^5–1 × 10^9 cells/mL；R^2 = 0.99（初始 Dslope）
效应效果
该传感器对目标菌 E. coli O157:H7 选择性优于指示菌 E. coli K12 D21：K12 的初始 f 与 D 斜率均低于 O157:H7，PBS 冲洗后 K12 出现质量损失，而 O157:H7 信号稳定。对枯草芽孢杆菌在 10^8 cells/mL 下初始 Dslope 最低，初始 f 斜率为 +0.2 Hz/min，提示弱或非特异结合，且 f/D 比值可用于区分特异与非特异结合。无抗体对照的 f 和 D 变化与仪器漂移相当；有无 BSA 封闭的初始 Dslope 无差异，说明无实验伪影。数据为 n≥3 的均值±1 SD。Dslope 仅需注入细菌最初 5 min 计算，样品量可低至 250 μL，实现快速在线检测；作者认为其工作范围与多数 QCM 细菌传感器相当，适用于水样等水相基质中病原菌监测。
传感器的构成
- 基底/换能器：金涂层 QCM-D 石英晶体（5 MHz, AT-cut, Q-Sense AB），提供压电振荡并监测频率与耗散
- 自组装单分子层：半胱胺（cysteamine）SAM，在金表面形成含氨基界面，用于后续交联固定
- 交联层：戊二醛（glutaraldehyde, 2% in PBS），作为交联分子连接氨基与抗体
- 识别元件：亲和纯化的多克隆抗体（anti-E. coli O157:H7 polyclonal antibodies, 10 μg/mL），特异性识别目标菌
- 封闭层：牛血清白蛋白（BSA, 10 mg/mL in PBS），封闭未反应位点，降低非特异结合
- 样品流动相：PBS（pH 7.4）中的活菌悬液，以 50 μL/min 流过流动池
- 信号读出：QCM-D 仪器（E4, Q-Sense AB）与 Q-Soft 软件，监测一次泛音频率 f 和耗散 D，计算初始 Dslope
中文摘要
本研究开发了一种基于带耗散监测的石英晶体微天平（QCM-D）的大肠杆菌 O157:H7 活菌检测生物传感器。检测平台通过半胱胺自组装单分子层将亲和纯化的多克隆抗体固定于金涂层 QCM-D 石英晶体表面。在宽范围细菌细胞浓度下开展 QCM-D 测量表明，耗散位移随时间的初始斜率（Dslope）是最优生物传感器响应。对 E. coli O157:H7 在 3×10^5 至 1×10^9 cells/mL 的细胞浓度范围内，初始 Dslope 呈现高度对数-对数线性响应。所制备传感器对非致病模型菌株 E. coli K12 D21 也具有 10^7 至 10^9 cells/mL 的对数-对数线性工作范围，并利用枯草芽孢杆菌表现出良好选择性。据作者所知，这是首次证明在 QCM-D 技术中使用初始 Dslope 作为传感响应。
英文摘要
A biosensor for detection of viable Escherichia coli (E. coli) O157:H7 is developed using a quartz crystal microbalance with dissipation monitoring (QCM-D). The detection platform is based on the immobilization of affinity purified polyclonal antibodies onto gold-coated QCM-D quartz crystals via a cysteamine self-assembled monolayer. QCM-D measurements conducted over a broad range of bacterial cell concentrations show that the optimal biosensor response is the initial slope of the dissipation shift as a function of elapsed time (D(slope)). A highly log-log linear response in the initial D(slope) is obtained for detection of E. coli O157:H7 over a wide range of cell concentrations from 3 x 10(5) to 1 x 10(9)cells/mL. The prepared biosensor also exhibits a log-log linear working range from 10(7) to 10(9)cells/mL for E. coli K12 D21, a non-pathogenic model organism and further shows satisfactory selectivity using Bacillus subtilis. To our knowledge, this is the first study demonstrating the use of the initial D(slope) as a sensor response when using QCM-D technology.