沙門氏菌是一種主要的食源性病原體，對公眾健康構(gòu)成重大威脅，并造成重大經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。沙門氏菌的傳統(tǒng)檢測方法主要包括基于培養(yǎng)的技術(shù)、聚合酶鏈反應(yīng)（PCR）和酶聯(lián)免疫吸附試驗（ELISA）。盡管這些方法因其可靠性和監(jiān)管批準(zhǔn)而被廣泛使用，但它們也有明顯的局限性。具體來說，基于培養(yǎng)的方法需要較長的潛伏期（通常是幾天），而PCR涉及復(fù)雜的樣品制備，ELISA往往表現(xiàn)出有限的靈敏度。這些限制激發(fā)了人們對能夠提供快速有效檢測的新型檢測技術(shù)的極大興趣。

適配體由于其易于合成和修飾、高穩(wěn)定性和低成本等獨特優(yōu)勢，已成為快速檢測食源性病原體的有前途的生物識別元件。盡管基于適配體的食源性病原體檢測方法取得了重大進(jìn)展，但復(fù)雜食物基質(zhì)中的性能下降仍然是阻礙其廣泛實際應(yīng)用的主要挑戰(zhàn)。在識別元件方面，多價適體通過增強(qiáng)與靶標(biāo)的結(jié)合親和度來提高食品樣品的靈敏度和抗干擾能力，是一種很有前景的策略。值得注意的是，基于DNA支架的多價適體結(jié)構(gòu)由于其簡單的制造、精確的控制和高度的可編程性而引起了相當(dāng)大的興趣。這些結(jié)構(gòu)在病原體檢測和食品樣品分析中顯示出顯著的功效。

設(shè)計思路

在該檢測系統(tǒng)中，基于四面體 DNA 納米結(jié)構(gòu)的多價適配體競爭探針被設(shè)計用于通過高親和力識別目標(biāo)細(xì)菌來實現(xiàn)初級信號放大，并釋放大量 cDNA。釋放的 cDNA 隨后通過 CHA 介導(dǎo)的二次信號放大觸發(fā)熒光和比色信號讀出，從而在兩種信號模式下實現(xiàn)靈敏的檢測，并通過自身參考校正進(jìn)行校準(zhǔn)。

總圖1. 基于智能手機(jī)的沙門氏菌熒光/比色雙模適配體多價適配體和CHA擴(kuò)增示意圖。

研究過程

1. 多價適體競爭探針的合成與表征

通過瓊脂糖凝膠電泳表征了四面體DNA納米結(jié)構(gòu)的自組裝過程。如圖1A所示，隨著DNA單鏈（Lane 2-5）的加入，DNA結(jié)構(gòu)的遷移逐漸減緩，表明形成了更高分子量的結(jié)構(gòu)。特別是，四條單鏈的混合導(dǎo)致遷移速率的最大降低，證實了四面體DNA納米結(jié)構(gòu)的成功組裝（Lane 5）。隨后，通過延伸鏈將適配體和cDNA結(jié)合到四面體DNA納米結(jié)構(gòu)上，構(gòu)建多價適配體競爭探針（圖1B）。作者觀察到，cDNA和適配體（Lane 4）的結(jié)合比cDNA （Lane 2）或適配體（Lane 3）表現(xiàn)出更慢的遷移速度，這表明dsDNA結(jié)構(gòu)的成功形成。在將dsDNA摻入到四面體DNA納米結(jié)構(gòu)（Lane 5）后，觀察到遷移率大幅下降，dsDNA帶幾乎無法檢測到，證實了dsDNA成功附著到DNA四面體上形成多價競爭性探針。此外，為了進(jìn)一步證實該探針的形成，進(jìn)行了水動力直徑和zeta電位的測量。如圖1C所示，四面體DNA納米結(jié)構(gòu)的水動力直徑約為22.3 nm。當(dāng)適配體（多價適配體）和適配體- cdna（多價競爭探針）摻入后，其水動力直徑逐漸增大至24.16 nm和25.65 nm，表明將適配體- cdna dsDNA附著在四面體DNA納米結(jié)構(gòu)上可以大大增加其水動力直徑。同樣，與適配體和適配體cdna雜交后，zeta電位也從?31.8 mV增加到?38.7 mV和?40.1 mV（圖1D）?？偟膩碚f，這些結(jié)果證實了多價競爭性探針的成功制造。

多價競爭性探針的主要功能是識別具有高結(jié)合親和力的目標(biāo)細(xì)菌，隨后釋放大量競爭性DNA片段（cDNA）以進(jìn)一步擴(kuò)增信號。四面體DNA多價適體對目標(biāo)沙門氏菌的結(jié)合性增強(qiáng)已在作者先前發(fā)表的工作中得到證實。在此，作者使用熒光顯微鏡進(jìn)一步評估了多價適體競爭探針增強(qiáng)的結(jié)合親和度。多價和單價適配體競爭探針，在適配體的5’端用熒光素（5’-FAM）標(biāo)記，與沙門氏菌孵育。如圖1E所示，用多價競爭性探針標(biāo)記的沙門氏菌比用同等濃度的單價競爭性探針處理的沙門氏菌表現(xiàn)出明顯更高的熒光強(qiáng)度，這表明多價競爭性探針具有更強(qiáng)的結(jié)合能力。此外，競爭性相互作用也通過天然聚丙烯酰胺凝膠電泳（PAGE）進(jìn)行了評估。如圖1F所示，lane 2-3分別代表cDNA、多價競爭探針和沙門氏菌，其中多價競爭探針和目標(biāo)細(xì)菌由于體積較大，一直留在樣品進(jìn)口中沒有遷移。在細(xì)菌中加入單價適體競爭探針（Lane 5）或多價適體競爭探針（Lane 4）后，在Lane 4和Lane 5上都出現(xiàn)了cDNA條帶，表明細(xì)菌的識別可以從適體中釋放cDNA。此外，cDNA在Lane 4中的條帶明顯比Lane 5中的條帶亮，表明多價適體競爭探針具有更高的結(jié)合親和度，可以實現(xiàn)有效的信號放大。

圖 1. 多價適配體競爭探針的合成與表征。(A)四面體DNA納米結(jié)構(gòu)組裝的瓊脂糖凝膠電泳結(jié)果：Lane 1：標(biāo)記；通道2-5:S1， S1 + S2, S1 + S2 + S3, S1 + S2 + S3 + S4（四面體DNA納米結(jié)構(gòu)）。(B)多價適配體競爭探針組裝的瓊脂糖凝膠電泳結(jié)果：Lane 1: marker；Lane 2-6: cDNA，適配體，適配體-cDNA，四面體DNA納米結(jié)構(gòu)，多價適配體競爭探針。(C)四面體DNA納米結(jié)構(gòu)、四面體多價適配體和多價適配體競爭探針的尺寸電位分布。(D)四面體DNA納米結(jié)構(gòu)、四面體多價適配體和多價適配體競爭探針的Zeta電位分布。(E)熒光顯微鏡下四面體多價與單價適配體競爭探針結(jié)合能力的比較，比尺：2 μm。(F)競爭相互作用的多價適配體競爭探針PAGE結(jié)果：Lane 1: marker；Lane 2:cDNA；Lane 3：多價適配體競爭探針；Lane 4：沙門氏菌；Lane 5：多價適配體競爭探針+沙門氏菌；Lane 6：單價適配體競爭探針+沙門氏菌。

2. 雙模催化發(fā)夾組件的驗證

為了考察CHA反應(yīng)的可行性，進(jìn)行了天然聚丙烯酰胺凝膠電泳實驗。如圖2A所示，Lane 6-8分別表示發(fā)夾鏈H2、H1和cDNA。當(dāng)cDNA與H1混合時，在Lane 5上觀察到一個新的條帶，對應(yīng)于cDNA/H1異雙工，遷移速度較慢。相比之下，cDNA與H2混合（Lane 4）和H1與H2混合（Lane 3）仍有兩條獨立條帶，未觀察到雜交條帶，說明沒有CHA泄漏，檢測本底較低。最終，在cDNA存在的情況下，觀察到與H1/H2異雙工相對應(yīng)的最慢雜交帶（Lane 2），表明CHA過程成功啟動。

在作者的設(shè)計中，CHA的電導(dǎo)率可以產(chǎn)生熒光/比色雙信號讀出。因此，測定了CHA過程中的熒光強(qiáng)度和比色強(qiáng)度。在熒光信號方面（圖2B）， H1和H1+H2都表現(xiàn)出微弱的熒光強(qiáng)度，這是由于H1的發(fā)夾構(gòu)型中淬滅劑BHQ1淬滅了熒光團(tuán)（FAM）。與cDNA雜交后，H1顯示出明顯的熒光恢復(fù)，表明H1打開，熒光團(tuán)（FAM）與猝滅者（BHQ1）分離。當(dāng)cDNA與H1和H2混合后，熒光強(qiáng)度顯著增加，這是由于CHA的高效信號擴(kuò)增。在比色信號方面（圖2C）， H2、H1+H2和cDNA+H2在650 nm處的吸光度可以忽略，這表明富含g的序列被阻斷在H2發(fā)夾結(jié)構(gòu)中，使其無法具有過氧化物酶樣活性。然而，在cDNA啟動后，比色信號得到極大改善，因為H1/H2異雙工的形成釋放了富含g的序列，形成具有高過氧化物酶活性的g -四重結(jié)構(gòu)，隨后產(chǎn)生綠色讀數(shù)。利用圓二色性（CD）光譜進(jìn)一步證實了g -四相結(jié)構(gòu)的形成。如圖2D所示，活化CHA反應(yīng)的產(chǎn)物顯示出g -四plex的特征CD譜，在約265 nm處有一個主要的正峰，在240 nm處有一個顯著的負(fù)峰，表明g -四plex結(jié)構(gòu)的形成。而失活后的cDNA、H2和H1+H2均未出現(xiàn)CD峰，表明未形成g -四重結(jié)構(gòu)。這一結(jié)果直接證明了g -四相結(jié)構(gòu)的形成。以上結(jié)果證明了熒光/比色雙模CHA信號放大系統(tǒng)的可行性。

最后，將雙模CHA信號放大系統(tǒng)與多價競爭探針結(jié)合用于沙門氏菌檢測，進(jìn)一步驗證了該系統(tǒng)的可行性。如圖2E所示，多價適體競爭探針與H1和H2的混合物沒有產(chǎn)生新的條帶（Lane 8），表明單獨的多價適體競爭探針無法啟動CHA。然而，在引入目標(biāo)菌（Lane 9）后，出現(xiàn)了與CHA產(chǎn)物（Lane 5）相同的新條帶，這表明添加目標(biāo)菌可以有效激活CHA過程。此外，還測量了沙門氏菌存在時的熒光強(qiáng)度和比色強(qiáng)度。如圖2F所示，在沒有沙門氏菌的情況下觀察到可以忽略不計的信號。相比之下，在引入靶標(biāo)后，檢測到大量的信號增強(qiáng)。為了進(jìn)一步確認(rèn)多價效應(yīng)的信號放大效應(yīng)，作者精確地制作了從一價到四價的適配體制備的競爭性探針，并將其用于檢測。正如作者所看到的，隨著價的上升，熒光和比色強(qiáng)度逐漸增加。值得注意的是，與單價適配體相比，四價競爭性探針的熒光強(qiáng)度提高了約2.2倍，比色強(qiáng)度提高了3.5倍。結(jié)果表明，該方法通過多價和CHA雙輪信號放大，實現(xiàn)了沙門氏菌的靈敏檢測。

圖 2. 驗證雙模CHA系統(tǒng)的可行性。(A) CHA產(chǎn)物天然聚丙烯酰胺凝膠結(jié)果：Lane 1：標(biāo)記物，Lane 8：引發(fā)劑（cDNA）；Lane 7: H1；Lane 6:H2；Lane 5: cDNA+H1；Lane 4: cDNA+H2；Lane 3:H1+H2；Lane 2:cDNA + H1 + H2。CHA擴(kuò)增（cDNA: 1 μM; H1: 2 μM; H2: 1.5 μM）的熒光信號(B)和比色信號(C)。(D) CHA產(chǎn)物的圓二色光譜。(E)天然聚丙烯酰胺凝膠沙門氏菌檢測結(jié)果：Lane 1: marker；Lane 2:cDNA；Lane 3:H1；Lane 4:H2；Lane 5：CHA；Lane 6：多價適體競爭探針；Lane 7：多價適體競爭探針檢測沙門氏菌；Lane 8：多價適體競爭探針+ H1 + H2；Lane 9：單價適體競爭探針檢測沙門氏菌+ H1 +H2。(F)多價信號放大效果評價。

3. 檢測靈敏度

為了提高多價競爭探針和基于催化發(fā)夾組裝（CHA）的沙門氏菌檢測方法的性能，對幾個關(guān)鍵實驗參數(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的評價和優(yōu)化。確定了最佳條件：四面體DNA納米結(jié)構(gòu)與適體的比例為1:4.5，H1和H2的濃度均為1.5 μM， CHA反應(yīng)條件為25 ℃ 孵育30 min（圖S2）。在最佳條件下，研究了基于多價競爭探針集成熒光/比色雙模cha法檢測沙門氏菌的性能。以PBS緩沖液作為空白對照，記錄不同沙門氏菌濃度下的熒光和比色信號強(qiáng)度。如圖3A、B所示，隨著沙門氏菌濃度從10 CFU/mL增加到107 CFU/mL，熒光強(qiáng)度和比色強(qiáng)度逐漸增加。實驗結(jié)果表明，比色信號與沙門氏菌濃度成正比關(guān)系，回歸方程為y1 = 0.0368x + 0.0898 (R2= 0.9891)，其中x為沙門氏菌濃度的對數(shù)，y1為比色強(qiáng)度。計算出比色法的檢出限（LOD）為28 CFU/mL，定義為D = 3N/S（其中N和S分別表示空白值的標(biāo)準(zhǔn)差和標(biāo)準(zhǔn)曲線的斜率）。熒光信號靈敏度更高，線性回歸方程為y2 = 1E6x + 787366（其中x為沙門氏菌濃度的對數(shù)，y2為熒光強(qiáng)度），LOD為10 CFU/mL。結(jié)果表明，該雙模檢測系統(tǒng)具有較寬的檢測范圍和較低的lod，適用于沙門氏菌的靈敏定量檢測。此外，通過將PBS中獲得的結(jié)果與加入不同濃度沙門氏菌的雞肉、鱈魚、蛋清和牛奶樣品的結(jié)果進(jìn)行比較，評估了該方法在不同復(fù)雜食品基質(zhì)中的穩(wěn)健性和彈性。

圖 3. 多價適體競爭探針輔助CHA法檢測沙門氏菌（10 ~ 107 CFU/mL）。比色檢測(A)和熒光檢測(B)結(jié)果。多價適體競爭探針輔助CHA法比色檢測(C)和熒光檢測(D)的特異性。

4. 試驗的特異性

為了評估該方法的特異性，在106 CFU/mL的濃度下，將沙門氏菌與其他六種常見致病菌（包括金黃色葡萄球菌、副溶血性弧菌、大腸桿菌O157:H7、單核增生李斯特菌、溶藻弧菌和volnificus弧菌）一起進(jìn)行了檢測。如圖3C，D所示，非目標(biāo)菌的比色和熒光信號保持在與對照相當(dāng)?shù)乃?，干擾可以忽略不計，而目標(biāo)沙門氏菌的熒光和比色信號明顯放大，遠(yuǎn)高于非目標(biāo)菌。此外，含有所有細(xì)菌的混合物顯示出與單獨沙門氏菌相似的信號強(qiáng)度。這些發(fā)現(xiàn)證實了沙門氏菌檢測系統(tǒng)的特殊特異性，歸因于多價適體設(shè)計提供的增強(qiáng)的結(jié)合特異性。

5. 基于智能手機(jī)的便攜式設(shè)備的制造與可行性

為了提高現(xiàn)場檢測的便捷性，構(gòu)建了一種基于智能手機(jī)的便攜式熒光和比色信號檢測裝置。該檢測設(shè)備采用3D打印技術(shù)設(shè)計為緊湊的暗室，并配備內(nèi)置白色和紫外線光源，以確保智能手機(jī)成像的最佳照明。檢測裝置的三維設(shè)計和實際物理圖像如圖4A、B所示。在裝置內(nèi)部，一個495nm的紫外燈被巧妙地放置在左下方的壁上，以方便熒光信號的讀取，而一個白熾燈被安裝在左上方的壁上，以提供準(zhǔn)確的比色讀出所需的最佳光強(qiáng)度。為了增強(qiáng)光反射并創(chuàng)造一個均勻的照明環(huán)境，設(shè)備的其余三面墻都安裝了鏡面紙。在底部面板上，八個夾子在中心對齊，為樣品放置提供固定和一致的區(qū)域，確保準(zhǔn)確和可重復(fù)的圖像捕獲。在盒子的頂部，有一個用于智能手機(jī)相機(jī)成像的專用光圈，以及一個小觀察窗口，允許方便的裸眼評估檢測結(jié)果。為了便于對照片結(jié)果進(jìn)行分析，作者開發(fā)了一個名為“SalmoDetect RGB”的定制微信小程序，可以將圖像數(shù)據(jù)自動轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的沙門氏菌濃度。為了精確量化，對每個檢測管內(nèi)的顏色分布進(jìn)行建模，并從捕獲的圖像中精心選擇五個代表性點，以準(zhǔn)確地代表整個樣本（圖4C）。小程序自動從這些點提取顏色值，然后用于定量沙門氏菌濃度。為了提高檢測的準(zhǔn)確性，計算了RGB、HSV和CMYK等各種顏色模式及其歐幾里得距離（ED）的值，以評估信號強(qiáng)度的變化。如圖S5A、B、表S4和表S5所示，在熒光和比色信號輸出中，ED（RGB）值與沙門氏菌濃度的敏感性和相關(guān)性均較高。

圖 4. 基于智能手機(jī)的便攜式設(shè)備的制造與可行性評估。(A)檢測裝置三維設(shè)計圖。(B)設(shè)備的物理圖像。(C)檢測管內(nèi)顏色分布建模，說明五個代表性樣本點的選取。(D)通過定制小程序生成的熒光和比色檢測標(biāo)準(zhǔn)曲線。(E)使用基于智能手機(jī)的便攜式設(shè)備對沙門氏菌進(jìn)行樣本分析和定量。(F)沙門氏菌熒光和比色測定的相關(guān)性。每個數(shù)據(jù)點代表三個重復(fù)的平均值，應(yīng)用線性回歸推導(dǎo)相關(guān)曲線。

6. 食物樣本中沙門氏菌的檢測

為了驗證建立的基于智能手機(jī)的便攜式設(shè)備的性能，對四種具有代表性的食品樣品（雞肉，鱈魚，雞蛋和牛奶）進(jìn)行了沙門氏菌檢測，結(jié)果如圖5A，B所示。熒光和比色結(jié)果的ED（RGB）值均隨鼠傷寒沙門氏菌濃度的升高而成比例升高。此外，為了評估該傳感平臺的實用性，對添加了三種不同濃度沙門氏菌的雞肉、鱈魚、雞蛋和牛奶進(jìn)行了回收實驗。如表S6和S7所示，比色信號的平均回收率為80.9% ~ 112%，熒光信號的平均回收率為86% ~ 113%。這些結(jié)果表明，該方法在應(yīng)用于實際樣本時具有魯棒性和可靠性。為了進(jìn)一步評估基于智能手機(jī)的傳感平臺的性能，使用微孔板讀取器或基于智能手機(jī)的雙模熒光/比色感應(yīng)傳感器和平板計數(shù)方法分析了40個盲標(biāo)樣品（雞肉、鱈魚、雞蛋和牛奶各10個樣品）（圖5C）。在40份檢測樣品中，4號和9號雞肉、12號、13號和17號鱈魚、23號和28號牛奶和38號雞蛋樣品均檢測出沙門氏菌陽性。與平板計數(shù)法的高度一致性表明該雙模熒光/比色適體傳感器在實際樣品分析中的高可靠性。進(jìn)一步，對基于智能手機(jī)的雙模檢測方法與平板計數(shù)法、基于微孔板閱讀器的雙模檢測方法進(jìn)行相關(guān)性分析。均獲得Pearson相關(guān)系數(shù)|r| >0.8，顯示出較強(qiáng)的正線性關(guān)系，證實了智能手機(jī)集成雙模傳感平臺具有良好的準(zhǔn)確性、可靠性和實用性。此外，該研究表明，與傳統(tǒng)實驗室方法相比，該研究具有顯著的成本效益優(yōu)勢。

圖 5. 食物樣本中沙門氏菌的檢測。(A)含沙門氏菌食品樣品熒光檢測ED（RGB）值的線性回歸。(B)含沙門氏菌食品樣品比色檢測ED（RGB）值的線性回歸。(C)四種食品樣品（編號1-10：雞肉樣品；編號11-20: cod樣品；編號21-30：牛奶樣品；編號31-40：雞蛋樣品）的鼠傷寒沙門氏菌熒光、比色和平板計數(shù)檢測熱圖比較，樣品的CFU/g或CFU/mL。

結(jié)論

綜上所述，作者通過巧妙地將多價適體競爭測定法與 CHA 相結(jié)合，開發(fā)了一種基于智能手機(jī)的雙模式熒光和比色檢測系統(tǒng)，用于檢測沙門氏菌。該方法靈敏度的提高主要源于雙重信號放大策略，該策略利用了適體的多價高結(jié)合親和力以及在熒光和比色模式下由催化發(fā)夾組裝（CHA）介導(dǎo)的放大作用。這種雙重放大不僅增強(qiáng)了檢測信號，還確保了沙門氏菌的可靠定量。同時，熒光和比色雙模式檢測方法包含了內(nèi)置的交叉驗證，確保了結(jié)果的高準(zhǔn)確性。該方法具有靈敏度和成本效益方面的優(yōu)勢，也展示了一定的普遍適用性。

來源：TanC-Group