食源性病原体大肠杆菌O157 在美国每年导致约 73,000 人患病和 60 人死亡。麻省理工学院的研究人员提出了一种可能的新解决方案，他们表示，更好的安全测试可以帮助避免这种大肠杆菌菌株和其他有害细菌引起的一些疾病。

 

新的麻省理工学院测试基于一种可以与细菌蛋白质结合的新型液滴。这种可以通过肉眼或智能手机检测到的相互作用可以为现有的食品安全测试提供更快、更便宜的替代方案。

 

“这是一种全新的传感方式，”麻省理工学院约翰·D·麦克阿瑟化学教授、该研究的资深作者蒂莫西·斯瓦格 (Timothy Swager) 说。“我们在这里拥有的东西可以大大便宜，入门成本也很低。”

 

麻省理工学院研究生张启凡是该论文的主要作者，该论文发表在ACS Central Science 杂志上。其他作者是麻省理工学院博士后 Sumol Savagatrup；德国马克斯普朗克胶体与界面研究所所长Peter Seeberger；和马克斯普朗克研究所的研究生 Paulina Kaplonek。

 

检测细菌

 

两年前，Swager 的实验室开发了一种轻松制造复杂液滴的方法，包括称为Janus 乳液的液滴。这些 Janus 液滴由两个大小相同的半球组成，一个由碳氟化合物制成，一个由碳氢化合物制成。碳氟化合物的密度比碳氢化合物大，因此当液滴位于表面时，碳氟化合物的一半始终位于底部。

 

研究人员决定探索使用这些液滴作为传感器，因为它们具有独特的光学特性。在自然状态下，Janus 液滴从上方看是透明的，但从侧面看却是不透明的，因为光线穿过液滴时会发生弯曲。

 

为了将液滴变成传感器，研究人员设计了一种含有甘露糖的表面活性剂分子，可在碳氢化合物-水界面自组装，该界面构成液滴表面的上半部分。这些分子可以与一种叫做凝集素的蛋白质结合，这种蛋白质存在于一些大肠杆菌菌株的表面。当存在大肠杆菌时，液滴会附着在蛋白质上并聚集在一起。这会使粒子失去平衡，因此击中它们的光会向许多方向散射，从上方看时，液滴变得不透明。

 

“我们正在使用这些病原体使用的天然分子识别。它们通过这些弱碳水化合物-凝集素结合方案相互识别。” 斯瓦格说。“我们利用液滴的多价性来增加结合亲和力，这与其他传感器使用的有很大不同。”

 

为了演示如何将这些液滴用于传感，研究人员将它们放入培养皿中，上面有一个二维码，可以用智能手机扫描。当存在大肠杆菌时，液滴会聚集在一起，无法读取 QR 码。

 

西北大学化学教授兼国际纳米技术研究所所长查德·米尔金（Chad Mirkin）将这些粒子描述为“一种强大的新型分析方法”。

 

“它们非常简单，但依赖于巧妙的新方法来制造和操作乳液，”未参与这项研究的 Mirkin 说。“这种检测食源性病原体的概念验证演示令人信服，因为它们构成了一类主要的分析物，定义了生物传感器界未满足的需求。”

 

更快更便宜

 

当前的食品安全测试通常涉及将食品样品放入培养皿中，以查看是否形成有害细菌菌落，但该过程需要两到三天。基于细菌 DNA 扩增或抗体-细菌相互作用的更快速的技术价格昂贵并且需要特殊的仪器。

 

麻省理工学院的团队希望将其新技术应用到小井阵列中，每个小井都包含定制的液滴，以检测不同的病原体并链接到不同的二维码。这可以仅使用智能手机就可以快速、廉价地检测污染。

 

“我们设备的最大优势是您不需要专门的仪器和技术培训即可做到这一点，”张说。“这可以让工厂的人们在运送食品之前对其进行扫描和测试，以确保它是安全的。”

 

研究人员现在正致力于优化食品样品的制备，以便将它们与液滴一起放入孔中。他们还计划制造用更复杂的糖定制的液滴，这些糖会与不同的细菌蛋白质结合。在这篇论文中，研究人员使用了一种与非致病性大肠杆菌结合的糖，但他们希望他们可以使传感器适应其他大肠杆菌菌株和其他有害细菌。

 

Savagatrup 说：“你可以想象制造出真正有选择性的液滴来捕捉不同的细菌，这取决于我们在它们身上添加的糖分。”

 

他们认为，研究人员还试图提高传感器的灵敏度，目前这与现有技术相似，但潜力更大。他们希望在未来一年半内成立一家公司将该技术商业化。

 

该研究由麻省理工学院的 Abdul Latif Jameel 世界水和食品安全实验室 (J-WAFS)、美国陆军研究办公室通过麻省理工学院士兵纳米技术研究所、麻省理工学院的 Legatum 发展和创业中心、Alexander von Humboldt 资助基金会、马普学会和德国研究基金会。