食源性病原體大腸桿菌O157 在美國每年導致約 73,000 人患病和 60 人死亡。麻省理工學院的研究人員提出了一種可能的新解決方案，他們表示，更好的安全測試可以幫助避免這種大腸桿菌菌株和其他有害細菌引起的一些疾病。

 

新的麻省理工學院測試基于一種可以與細菌蛋白質結合的新型液滴。這種可以通過肉眼或智能手機檢測到的相互作用可以為現有的食品安全測試提供更快、更便宜的替代方案。

 

“這是一種全新的傳感方式，”麻省理工學院約翰·D·麥克阿瑟化學教授、該研究的資深作者蒂莫西·斯瓦格 (Timothy Swager) 說。“我們在這里擁有的東西可以大大便宜，入門成本也很低。”

 

麻省理工學院研究生張啟凡是該論文的主要作者，該論文發表在ACS Central Science 雜志上。其他作者是麻省理工學院博士后 Sumol Savagatrup；德國馬克斯普朗克膠體與界面研究所所長Peter Seeberger；和馬克斯普朗克研究所的研究生 Paulina Kaplonek。

 

檢測細菌

 

兩年前，Swager 的實驗室開發了一種輕松制造復雜液滴的方法，包括稱為Janus 乳液的液滴。這些 Janus 液滴由兩個大小相同的半球組成，一個由碳氟化合物制成，一個由碳氫化合物制成。碳氟化合物的密度比碳氫化合物大，因此當液滴位于表面時，碳氟化合物的一半始終位于底部。

 

研究人員決定探索使用這些液滴作為傳感器，因為它們具有獨特的光學特性。在自然狀態下，Janus 液滴從上方看是透明的，但從側面看卻是不透明的，因為光線穿過液滴時會發生彎曲。

 

為了將液滴變成傳感器，研究人員設計了一種含有甘露糖的表面活性劑分子，可在碳氫化合物-水界面自組裝，該界面構成液滴表面的上半部分。這些分子可以與一種叫做凝集素的蛋白質結合，這種蛋白質存在于一些大腸桿菌菌株的表面。當存在大腸桿菌時，液滴會附著在蛋白質上并聚集在一起。這會使粒子失去平衡，因此擊中它們的光會向許多方向散射，從上方看時，液滴變得不透明。

 

“我們正在使用這些病原體使用的天然分子識別。它們通過這些弱碳水化合物-凝集素結合方案相互識別。” 斯瓦格說。“我們利用液滴的多價性來增加結合親和力，這與其他傳感器使用的有很大不同。”

 

為了演示如何將這些液滴用于傳感，研究人員將它們放入培養皿中，上面有一個二維碼，可以用智能手機掃描。當存在大腸桿菌時，液滴會聚集在一起，無法讀取 QR 碼。

 

西北大學化學教授兼國際納米技術研究所所長查德·米爾金（Chad Mirkin）將這些粒子描述為“一種強大的新型分析方法”。

 

“它們非常簡單，但依賴于巧妙的新方法來制造和操作乳液，”未參與這項研究的 Mirkin 說。“這種檢測食源性病原體的概念驗證演示令人信服，因為它們構成了一類主要的分析物，定義了生物傳感器界未滿足的需求。”

 

更快更便宜

 

當前的食品安全測試通常涉及將食品樣品放入培養皿中，以查看是否形成有害細菌菌落，但該過程需要兩到三天。基于細菌 DNA 擴增或抗體-細菌相互作用的更快速的技術價格昂貴并且需要特殊的儀器。

 

麻省理工學院的團隊希望將其新技術應用到小井陣列中，每個小井都包含定制的液滴，以檢測不同的病原體并鏈接到不同的二維碼。這可以僅使用智能手機就可以快速、廉價地檢測污染。

 

“我們設備的最大優勢是您不需要專門的儀器和技術培訓即可做到這一點，”張說。“這可以讓工廠的人們在運送食品之前對其進行掃描和測試，以確保它是安全的。”

 

研究人員現在正致力于優化食品樣品的制備，以便將它們與液滴一起放入孔中。他們還計劃制造用更復雜的糖定制的液滴，這些糖會與不同的細菌蛋白質結合。在這篇論文中，研究人員使用了一種與非致病性大腸桿菌結合的糖，但他們希望他們可以使傳感器適應其他大腸桿菌菌株和其他有害細菌。

 

Savagatrup 說：“你可以想象制造出真正有選擇性的液滴來捕捉不同的細菌，這取決于我們在它們身上添加的糖分。”

 

他們認為，研究人員還試圖提高傳感器的靈敏度，目前這與現有技術相似，但潛力更大。他們希望在未來一年半內成立一家公司將該技術商業化。

 

該研究由麻省理工學院的 Abdul Latif Jameel 世界水和食品安全實驗室 (J-WAFS)、美國陸軍研究辦公室通過麻省理工學院士兵納米技術研究所、麻省理工學院的 Legatum 發展和創業中心、Alexander von Humboldt 資助基金會、馬普學會和德國研究基金會。