傳感新品

【中國科學院長春應用化學研究所：基于雙識別元件的便攜式唾液傳感器，用于齲齒病原菌的即時檢測】

2022年WHO報告稱恒牙齲齒是最常見的口腔疾病，影響全球超20億人。變異鏈球菌（S. mutans）作為主要致齲菌，其數量監測對齲病預測有重要意義。然而，傳統的細菌檢測方法如：培養基法，酶聯免疫吸附測定和聚合酶鏈式反應技術，具有耗時長、靈敏度低，涉及昂貴儀器等缺點。

近年來，電化學傳感器憑借成本低、耗時短、高特異性和快速響應等優勢，為細菌檢測開辟了新平臺。針對S. mutans，研究人員已開發出一系列以抗體、抗菌肽、萬古霉素和凝集素為識別元件的傳感器，但較差的靈敏度和長期穩定性限制了傳感器在真實唾液中的檢測應用。此外，唾液中多種成分之間存在干擾，對檢測造成困難。如何提高選擇性仍是便攜式唾液傳感器實際應用的研究難點。

近期，中國科學院長春應用化學研究所張強研究員與吉林大學口腔醫院韓光紅副主任醫師合作，開發了一種基于適配體/細菌印跡聚合物的（aptamer/SIP）非酶類雙識別元件的便攜式唾液傳感器，其以羧基化多壁碳納米管（c-MWCNTs）為基底材料，亞甲基藍（MB）為嵌入式氧化還原探針，并集成了絲網印刷電極（SPE）（圖1）。與其它的S. mutans傳感器相比，本研究所制備的的便攜式唾液傳感器表現出更高的靈敏度（564.0 nA/dec）、更低的檢測限（LOD，2.6 CFU/mL）和更寬的線性檢測范圍（102~ 10? CFU/mL）。此外，該傳感器能夠原位即時檢測真實唾液樣本中的S. mutans，在臨床齲病預測和早期診斷中表現出巨大潛力。

圖1S. mutans傳感器唾液檢測示意圖

首先，研究人員通過CA方法將c-MWCNTs電沉積在SPE電極上，并研究電沉積時間對電化學性能的影響。S. mutans特異性適配體一端修飾有氨基，通過與c-MWCNTs電極上的羧基發生縮合反應形成酰胺鍵，實現穩定的共價鍵結合。通過XPS分析和CV表征確認了適配體的成功固定。隨后，采用CV在-0.8 ~ +0.9 V的電位范圍內，將S. mutans、吡咯單體和MB電沉積在aptamer電極上，獲得PPy/S. mutans電極。結果顯示，-0.28 V和-0.14 V處顯示為MB的還原和氧化峰，0.9 V處顯示為吡咯的氧化峰。當CV電沉積圈數為15圈時，電極電化學性能最佳。通過SEM觀察到PPy/S. mutans電極表面覆蓋有球狀的S. mutans（菌體直徑約為0.6 ~ 1 μm）和不規則的聚吡咯球體。EDS能譜圖顯示出S. mutans特有Mg元素和P元素。以上結果均證明S. mutans的成功電聚合。采用溶菌酶/Triton X-100去除S. mutans后，即獲得aptamer/SIP電極。CV曲線中觀察到電流明顯增加，MB還原峰在-0.45 V處。隨后，通過CA在-0.45 V電位下研究了吡咯濃度、S. mutans聚合濃度和洗脫劑種類對S. mutans傳感器電化學性能的影響。

圖2 c-MWCNTs電沉積及表征

為進一步驗證S. mutans的成功去除，研究人員使用SEM對aptamer/SIP電極進行形貌表征。結果發現，SEM圖像中未觀察到顆粒狀的S. mutans。隨后，采用CV和EIS對aptamer/SIP電極的電化學性能進行研究。在掃描速率為25 ~ 200 mV/s的條件下，記錄了aptamer/SIP電極在5 mM K?Fe(CN)?溶液中的CV曲線。結果發現，氧化還原峰的強度與掃描速率的平方根呈線性相關，表明該電極的電化學反應受擴散過程控制。同時，EIS結果顯示，去除S. mutans后，Rct從4911 Ω減小到2303 Ω，界面電阻明顯減小。表明去除低導電S. mutans后，電極表面創建了大量的電子傳輸路徑，從而顯著提高電極的電化學活性。

圖3aptamer/SIP電極表征

如圖4所示，采用CA方法在-0.45 V電位下，對含有10 ~ 10? CFU/mL S. mutans濃度范圍的人工唾液進行檢測。結果發現，電流值隨S. mutans濃度負對數值的增加而線性減少。與現有其它的S. mutans傳感器相比，該S. mutans傳感器具有更高的靈敏度（564.0 nA/dec），和更低的LOD（2.6 CFU/mL）。此外，該傳感器線性響應范圍（102~ 10? CFU/mL）覆蓋了人類生理和齲病狀態下的唾液S. mutans水平，允許直接檢測實際唾液樣本，而無需稀釋。為評估雙識別傳感器的檢測優勢，制備不含有適配體的單識別元件SIP傳感器。相同條件下，SIP傳感器的靈敏度為193.1 nA/ dec，檢測限為7.6 CFU/mL，并表現出較窄的線性檢測范圍103~ 10? CFU/mL。結果表明適配體在提高傳感器的檢測靈敏度方面起著重要作用。此外，S. mutans傳感器也展現出了良好的選擇性和重現性，并能夠在60天內保持對S. mutans的高效傳感，具有優異的長期穩定性。

圖4S. mutans傳感器的性能評估

為評估S. mutans傳感器的實際應用潛力，研究人員將其用于檢測健康人群真實唾液樣本中的S. mutans。結果發現，隨著S. mutans濃度從103 CFU/mL增加到10? CFU/mL，電流值隨S. mutans濃度負對數值的增加而線性減少。在真實唾液中該傳感器表現出307.0 nA/dec的靈敏度和4.8 CFU/mL的LOD值，能夠進行真實唾液中S. mutans的準確定量，具有實際應用潛力。

圖5S. mutans傳感器的真實唾液檢測

總之，本研究開發了一種基于雙識別元件的便攜式生物傳感器，用于迅速檢測唾液中S. mutans，為齲病早期預測提供了潛力。該傳感器具有出色的靈敏度、高選擇性和良好的穩定性，可長期實際應用。通過固定適配體和SIP雙識別元件，創建S. mutans特異性印跡空腔和高選擇性傳感界面。MB作為氧化還原探針嵌入SIP網絡中，在S. mutans結合反應期間提供直接的電信號，以實現S. mutans的原位即時檢測。此外，該傳感器不含任何抗體或其它蛋白質等易失活物質，消除了傳感器因長期使用而帶來的信號下降風險。該傳感器成功應用于真實唾液檢測，突出了其在臨床防齲和個性化口腔健康監測方面的巨大潛力。