水傳播疾病是全球性問題，每年導致超過220萬人死亡，并引發腹瀉、胃腸疾病和皮膚感染等多種健康問題。大腸桿菌和金黃色葡萄球菌是常見的水傳播病原菌，且具有較高的耐藥性，因此快速、靈敏地檢測這些細菌對于保障飲用水安全和公共衛生至關重要。傳統的細菌檢測方法如聚合酶鏈式反應(PCR)和酶聯免疫吸附試驗(ELISA)通常需要復雜的樣品前處理、專業人員操作以及長達2-4天的檢測時間，難以滿足快速檢測的需求。
近日，英國巴斯大學的研究團隊在Biosensors and Bioelectronics期刊上發表了題為 ：Aptamer-molecularly imprinted polymer sensors for the detection of bacteria in water論文。
研究團隊開發的電化學生物傳感器創新性地結合了分子印跡聚合物和適配體的優勢。分子印跡聚合物成本低、選擇性高，但存在交叉選擇性等問題;適配體特異性強、化學穩定性好，卻易在生物介質中降解。二者結合形成的雙重識別系統，顯著提升了檢測性能。
圖 1：通過 QCM-D 技術展示了適配體在 QCM 芯片上固定及大腸桿菌、金黃色葡萄球菌分別與其特異性適配體結合過程中，石英晶體頻率和耗散的變化，以此證明適配體與細菌的結合情況及結合親和力。
在制備過程中，研究人員先使適配體與目標細菌結合，再通過電化學聚合多巴胺在金電極表面形成聚合物膜，洗脫細菌后留下特異性識別空腔。檢測時，非 Faradaic 電化學阻抗譜(EIS)通過測量電極-電解質界面電容變化來確定細菌濃度。
圖 2：以 Cole-Cole 圖呈現 S. aureus 的 Apta-MIP 和 NIP 傳感器在制備過程各關鍵步驟(如適配體 - 細菌固定、多巴胺聚合、模板去除、細菌重結合)下電極電容的變化，輔助理解傳感器工作原理。
圖 3：利用 SEM 圖像依次展示 S. aureus Apta-MIP 傳感器在多巴胺聚合后、細菌去除后、細菌重結合后的微觀表面形態，直觀呈現傳感器結構變化。
實驗結果顯示，Apta-MIP傳感器檢測大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的下限分別低至 2CFU/mL 和 4CFU/mL，動態范圍為 1CFU/mL 至108CFU/mL。與單獨使用適配體或分子印跡聚合物的傳感器相比，其靈敏度更高，如檢測108CFU/mL 的大腸桿菌時，Apta - MIP 傳感器電容變化比單一 MIP 傳感器高約 2 倍。該傳感器特異性良好，交叉檢測時電容變化小于3%。
圖 4：對比不同類型傳感器(Apta-MIP、MIP、aptasensor、NIP)檢測不同濃度大腸桿菌和金黃色葡萄球菌時的電容變化，評估 Apta-MIP 傳感器的靈敏度和特異性。
在實際水樣檢測中，傳感器在去離子水和加標自來水中均表現出色。檢測大腸桿菌時，自來水中物質雖有影響，但未阻礙檢測;檢測金黃色葡萄球菌時，在兩種水樣中的電容變化幾乎相同。該傳感器不僅能夠特異性檢測單一目標細菌，還能在含有兩種細菌的混合樣品中實現多重檢測。實驗表明，即使在復雜的水樣中，傳感器仍能準確識別并檢測目標細菌，顯示出良好的抗干擾能力。這種雙重識別機制顯著提高了檢測的準確性和可靠性。
圖 5：呈現 Apta-MIP 傳感器檢測不同濃度大腸桿菌和金黃色葡萄球菌時，在去離子水和自來水中的電容變化情況，反映其在實際水樣中的檢測性能。
總結：這種新型傳感器檢測限低、動態范圍寬、可重復使用，有望成為即時檢測工具，應用于飲用水安全監測和細菌相關疾病診斷，助力保障全球公共衛生安全。
參考文獻：[1] Agar M, Laabei M, Leese H S, et al. Aptamer-molecularly imprinted polymer sensors for the detection of bacteria in water[J]. Biosensors and Bioelectronics, 2025.272:117136.
來源：微生物安全與健康網，作者~徐禮龍。
