近日，ray电竞官网生态环境损害鉴定研究院程永强研究员课题组在致病菌高灵敏检测领域取得新进展。相关研究成果以“Magnetic nanoconfined metabolic biosensing for rapid and high-sensitivity detecting viable E. coli O157:H7 in aquatic matrices”为题发表在国际分析化学传感领域权威期刊《Sensors and Actuators: B. Chemical》（中科院一区Top期刊，IF为 7.7）上。《Sensors and Actuators: B. Chemical》（简称SNB）是传感器领域的国际权威期刊，致力于化学传感器、执行器以及微系统领域的原创性最新重要研究成果。课题组博士研究生张子威为第一作者，程永强研究员为唯一通讯作者，ray电竞官网为第一通讯单位。

数字化定量检测大肠杆菌O157: H7原理示意图

大肠杆菌O157: H7是导致水源性疾病和突发公共卫生事件的严重致病菌，其活性状态的快速识别对于饮用水安全管理、流行病预警、环境风险评估具有重要意义。当前，传统检测技术由于检测时间长、灵敏度有限，难以满足快速检测需求。例如：平板计数法耗时长；分子诊断方法尤其是qPCR虽然检测速度快，但无法区分死活菌，极易因死菌DNA残留导致检测呈假阳性；检测过程中复杂水体背景微生物及有机物也会造成干扰。针对这些技术瓶颈，课题组突破传统思路，将磁捕获技术、细胞代谢响应及微液滴数字化分析技术首次整合为集成体系，构建了Magnetic-capture Cellular Metabolism Droplet（MCCMD）生物传感平台。

本工作，我们首先利用适配体修饰磁纳米粒子实现了对大肠杆菌O157: H7的高效特异性捕获富集。然后，将目标细菌连同Isopropyl β-D-1-thiogalactopyranoside（IPTG）和底物Fluorescein di-β-D-galactopyranoside（FDG）封装于纳升级微液滴中，通过细菌代谢产物β-半乳糖苷酶的局域积累产生可视化的荧光信号，以此实现单细胞水平的数字化定量分析。由于只有活菌能正常代谢β-半乳糖苷酶，该生物传感器能够排除死菌干扰，克服了qPCR分子诊断中假阳性的痛点。同时，纳升级空间的“限域效应”显著提高了酶反应效率，使检测时间缩短至3小时以内，动态范围覆盖10-10⁵ CFU/mL，最低检测浓度达到1.25 CFU/mL。

该生物传感器在实际水样中的表现优异。研究团队在饮用水、河流以及污水处理厂全流程（进水、初沉池、生物膜（MBBR）处理、紫外消毒）进行了实际水样验证。MCCMD 的检测结果与平板计数高度吻合，而qPCR在多个环节受到死菌DNA干扰，检测结果偏高，甚至在紫外消毒后仍显示“假阳性”。充分说明了MCCMD在处理复杂环境样品、精准反映活性病原菌数量方面具有显著优势。同时，传感器对不同类型水体均表现出稳定的抗干扰能力，具有显著的工程应用潜力，可为水源地监测、公共卫生预警及污水流行病学提供新技术方案。

程永强课题组主要从事痕量污染分析与溯源、微生物学微流控新技术、生化分析及传感器等方面的研究，主要应用领域为生命科学、食品安全、水体、土壤、大气等。具体研究方向包括：1. 污染物痕量分析新方法及溯源技术研究；2. 微生物学微流控新技术；3. 生化分析与生物传感；4. 光谱、质谱分析仪器的研发与应用。该工作得到了国家自然科学基金、山东省重大创新工程、山东省自然科学基金、ray电竞官网基本科研业务等项目的支持。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.snb.2025.139132