综述：磁性纳米颗粒辅助适体传感器在食源性细菌监测中的最新进展与趋势：应用、挑战与更新

《Food Chemistry: X》：Recent advances and trends in magnetic nanoparticle-assisted aptasensors for foodborne bacteria monitoring: applications, challenges, and updates

本综述系统阐述了磁性纳米颗粒（MNPs）辅助适体传感器在食源性细菌监测领域的最新进展。文章重点分析了基于MNPs的适体传感器在光学（比色、荧光、表面增强拉曼散射）和电化学传感等模式中的应用，探讨了其通过信号生成/放大、靶标分离纯化等功能提升检测性能的机制。同时，综述深入剖析了当前面临的挑战（如适体亲和力、商业化壁垒、多重检测等），并展望了未来研究方向（如优化MNP合成、结合人工智能与机器学习、开发便携设备等），为食品安全检测技术的创新提供了重要见解。

　　

摘要

食源性疾病是全球公共卫生的重大威胁。传统检测方法如培养法、酶联免疫吸附测定（ELISA）和聚合酶链式反应（PCR）虽可靠，但存在耗时长、需专业操作或设备复杂等局限。因此，开发快速、灵敏、成本效益高的新型检测技术势在必行。适体传感器（Aptasensors）作为一种新兴生物传感平台，利用适体（Aptamers）作为识别元件，展现出高特异性和稳定性。磁性纳米颗粒（MNPs）因其独特的超顺磁性、大比表面积和易功能化等特性，被广泛应用于增强适体传感器的性能，特别是在复杂食品基质中实现目标细菌的快速分离与富集。本文综述了近年来（2020-2025年）磁性纳米颗粒辅助适体传感器在食源性细菌监测方面的研究进展，涵盖其在不同传感模式中的应用、面临的挑战以及未来展望。

1. 引言

全球每年有数亿人因受污染食品而患病，导致大量死亡事件。尽管中低收入国家问题更为突出，高收入国家也面临显著挑战。常见的食源性致病菌包括大肠杆菌（E. coli）、沙门氏菌（Salmonella）、弯曲杆菌（Campylobacter）和李斯特菌（Listeria）。它们的早期快速检测对保障食品安全至关重要。生物传感器（Biosensors）利用生物识别元件（如适体、酶、抗体）特异性识别目标物，并将生物相互作用转化为可测量信号，具有高灵敏度、便携性和实时监测等优势。适体是单链DNA或RNA寡核苷酸，能高亲和力、高特异性结合靶标，但其应用仍面临灵敏度不足、易降解、非特异性结合等问题。将MNPs与适体结合，可有效克服这些局限，通过磁分离富集靶标、放大信号、提高适体稳定性，从而显著提升传感器性能。

2. 方法

本文通过检索ScienceDirect、PubMed、Google Scholar和Web of Science等数据库，使用关键词组合（如“磁性纳米颗粒”、“适体传感器”、“食源性细菌”等）系统搜集了2020年至2025年间发表的相关文献。纳入标准聚焦于利用MNPs辅助适体传感器检测食源性细菌的研究。

3. 磁性纳米颗粒的制备与性质

MNPs的合成方法主要分为化学法、物理法和生物法（绿色合成）三类。化学法如共沉淀法应用广泛，可控制颗粒尺寸，但可能使用有毒试剂；物理法如激光烧蚀可获得高纯度颗粒，但成本较高；生物法利用植物提取物或微生物合成，环境友好，但反应条件需优化。MNPs的核心特性包括超顺磁性、高比表面积、低毒性和良好的生物分子结合能力，使其成为生物传感领域的理想材料。

4. 适体

与单克隆抗体相比，适体的制备更经济、稳定且易于修饰。适体通过SELEX（指数富集的配体系统进化）技术体外筛选获得，可通过静电作用、范德华力、氢键等与靶标结合。其独特优势在于高亲和力、稳定性好、尺寸小。为提高适体性能，可采用末端固定、SELEX后修饰、化学修饰等策略。在传感器中，适体与靶标结合后构象变化，产生可检测信号。

5. 适体与磁性纳米材料的特性及整合

纳米材料在生物传感器结构中扮演多重角色：信号产生/转换/放大、纯化、靶标生物标志物固定以及分离。MNPs能通过直接接触电极表面、修饰电极表面或促进活性氧化还原物质向电极传输来增强和放大信号，从而提高传感器的选择性和灵敏度。其磁分离能力可实现复合物的分离、再利用和再生。MNPs的高比表面积为固定大量生物受体单元提供了条件。通过功能化（如引入-NH₂、-COOH、-OH等基团），MNPs可与适体有效结合，形成Apt-MNPs复合物，用于特异性捕获和分离目标分析物。这种整合克服了传统固相电极固定生物分子可能导致的电子传递受阻、耗时及重现性差等问题。

6. 用于食源性细菌监测的磁性纳米颗粒辅助适体传感器

6.1. 磁性纳米颗粒辅助光学适体传感器

光学适体传感器将生物识别事件转化为光学信号进行检测，具有灵敏度高、操作简单等优点。

6.1.1. 磁性纳米颗粒辅助比色适体传感器

比色法基于溶液颜色变化与目标物浓度关系进行定量，优势在于可视化、低成本、易集成便携平台。MNPs的类过氧化物酶催化活性可用于显色反应。例如，有研究开发了用于检测沙门氏菌的适体传感器，通过MNP-Apt复合物捕获细菌，再与具有辣根过氧化物酶（HRP）标记的DNA纳米结构结合，催化底物产生颜色变化（无色变为深蓝），实现肉眼或仪器检测。另一项研究利用适体功能化的Fe₃O₄/Au纳米复合材料检测金黄色葡萄球菌（S. aureus），通过其催化氧化TMB（3,3‘,5,5’-四甲基联苯胺）能力的改变来指示细菌浓度。MNPs的磁分离特性有效降低了食品基质的干扰。

6.1.2. 磁性纳米颗粒基荧光适体传感器

荧光传感器利用荧光团或量子点（QDs）等材料在激发光下发射荧光的特性，具有高灵敏度。金属-有机框架（MOFs）与MNPs结合形成的磁性MOFs兼具磁分离能力和高吸附容量。有研究将羧基化MNPs与硼酸功能化的铽MOF（BA-Tb-MOF）结合用于检测鼠伤寒沙门氏菌（S. typhimurium），细菌存在时形成的复合物经磁分离后导致荧光强度变化。上转换纳米颗粒（UCNPs）在近红外光激发下发射可见光，抗光漂白性好，与MNPs联用可实现副溶血性弧菌（V. parahaemolyticus）的高灵敏检测。核壳结构的Fe₃O₄@SiO₂ MNPs提高了稳定性，用于结合适体和量子点，检测果汁中的酸土环脂芽孢杆菌（A. acidoterrestris）。

6.1.3. 磁性纳米颗粒基表面增强拉曼散射适体传感器

SERS技术通过吸附在贵金属纳米结构表面的分子产生极大增强的拉曼信号，具有指纹识别能力和高灵敏度。MNPs可用于构建磁性SERS基底，实现目标物的快速分离富集。有研究采用适体修饰的Fe₃O₄@SiO₂@AgNPs同时检测大肠杆菌和金黄色葡萄球菌，利用其强磁性实现快速富集，并借助银纳米颗粒的SERS增强效应进行检测。另一项工作开发了多功能磁性复合材料（Fe₃O₄@MOF(Fe-Cu)-GNS-MBA-Apt），同时具备比色检测、SERS检测和近红外光热杀菌能力，在对副溶血性弧菌检测后即可进行灭菌，降低了二次污染风险。石墨烯氧化物（GO）作为支撑材料可抑制贵金属纳米颗粒聚集，提高SERS检测的稳定性和灵敏度。

6.2. 磁性纳米颗粒基电化学适体传感器

电化学适体传感器将生物识别事件转化为电信号（如电流、阻抗），具有响应快、灵敏度高、易于微型化等优点。MNPs的引入解决了生物分子在传统电极上固定可能阻碍电子传递、降低信号的问题。例如，有研究利用SiO₂、Fe₃O₄和乙二醛（Gly）复合纳米材料（Fe₃O₄@SiO₂@Gly）修饰电极，通过电化学阻抗谱检测鲍曼不动杆菌（A. baumannii）。将MNPs与金纳米颗粒（AuNPs）复合（如Au/Fe₃O₄）可同时获得磁分离能力和高导电性，提升传感器性能。磁性纳米级MOFs（Fe₃O₄@NMOF）作为捕获探针，与金纳米标签（Au@Fc-PBA）结合，实现了副溶血性弧菌的快速、高灵敏电化学检测。共价有机框架（COFs）与MNPs（如Fe₃O₄@COF-AuNPs）复合，其多孔结构有利于电子传递和底物接触，用于检测大肠杆菌。磁微流控装置与电化学适体传感器结合，通过控制流体和磁通量，减少了样品污染，实现了沙门氏菌的灵敏检测。机器学习（如XGBoost模型）的引入，能够处理传感器信号中的非线性问题，提高细菌浓度预测的准确性。

6.3. 其他基于适体的检测方法

太赫兹（THz）光谱技术能够无标记、快速地基于生物分子的振动模式进行检测。太赫兹超材料对表面沉积物非常敏感。将适体功能化的Fe₃O₄@Au纳米复合材料与THz超材料结合，可用于金黄色葡萄球菌的检测，通过磁富集目标菌并放大THz信号。此外，基于适体修饰的MNPs（如Fe₃O₄@PDA@DA-PEG-Apt）的磁分离系统，无需复杂仪器即可实现李斯特菌（L. monocytogenes）从食品样品中的快速分离，再通过平板计数法进行鉴定，大大缩短了检测时间。

7. 磁性纳米颗粒辅助适体传感器在食源性病原体监测中的挑战与展望

尽管磁性纳米颗粒辅助适体传感器取得了显著进展，但仍面临诸多挑战。适体的亲和力、稳定性及针对某些细菌的特异性适体筛选仍需优化，可通过化学修饰、改进SELEX流程以及利用人工智能预测相互作用来提升。目前研究多集中于常见菌如沙门氏菌、大肠杆菌等，需扩展至更多食源性病原体。传感器的商业化面临MNPs大规模合成均一性、信号读取设备便携性与成本、复杂食品基质干扰、重现性与长期稳定性等障碍。多重检测技术的开发有助于提高效率，但设计复杂。将适体传感器与智能手机等便携设备集成，实现现场快速检测是未来方向之一。MNPs的环境影响（释放与积累）也需引起重视，建议通过建立国际规范、生命周期风险评估等方式确保其环境安全性。未来研究应聚焦于优化MNP合成、结合人工智能与机器学习、开发便携式设备、推动多学科合作以及克服商业化难题。

8. 结论

磁性纳米颗粒辅助适体传感器为食源性细菌的快速、灵敏检测提供了强大工具。通过整合MNPs的磁学特性和适体的高特异性，并在光学、电化学等多种传感模式中应用，该技术展现出巨大潜力。尽管在灵敏度、选择性和实用性方面已取得长足进步，但仍需在适体性能提升、纳米材料合成、设备便携化、环境兼容性以及标准化与商业化等方面继续努力。未来的创新研究有望进一步推动该领域发展，为全球食品安全保障做出重要贡献。