该研究由Yuxin Wang、Jiale Sun、Cui Wang、Lingbo Qu、Lin Zhang、Yapiao Li、Rong-Bin Song和Zhaohui Li共同完成，主要来自郑州大学化学学院和生态与环境学院。研究于2025年4月14日发表在《Analytical Chemistry》期刊上，标题为“Target-Responsive Regulation of Bacteria-Surface Magnetic Element for Self-Powered Analysis of Aflatoxin B1 in Microbial Fuel Cell”。
学术背景
微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell, MFC）是一种能够将化学能转化为电能的装置，近年来在环境监测和生物分析领域引起了广泛关注。然而，基于MFC的自供电生物传感器（MFC-SPBS）在检测物种和检测特异性方面存在局限性。传统MFC-SPBS依赖于电活性细菌作为生物识别元件和信号转换器，其检测对象主要局限于有毒物质或燃料，如生物需氧量（BOD）、化学需氧量（COD）和挥发性脂肪酸（VFA）。由于电活性细菌对这些物质的非特异性识别，单一目标检测的准确性也受到质疑。因此，开发一种新的传感模式以扩展MFC-SPBS的可检测物种并保证检测特异性成为迫切需求。
研究流程
该研究开发了一种基于细菌数量变化的传感模式，通过调节细菌表面磁性元素（Fe3O4@Au纳米球）的含量来实现对目标分析物（如黄曲霉毒素B1，AFB1）的定量检测。具体流程包括以下几个步骤：
- 细菌表面修饰：使用多巴胺（PDA）和金纳米颗粒（AuNPs）修饰电活性细菌（Shewanella oneidensis MR-1），以避免非特异性吸附，并提供互补DNA（cDNA）的结合位点。
- 磁性纳米球修饰：制备Fe3O4@Au纳米球，并通过Au-S键将AFB1适配体（aptamer）修饰到纳米球表面，形成Fe3O4@Au@aptamer纳米球。
- 细菌与纳米球的结合：通过DNA杂交将Fe3O4@Au@aptamer纳米球固定在细菌表面，形成Fe3O4@Au@aptamer修饰的细菌。
- 目标物识别与纳米球释放：当AFB1存在时，其与适配体特异性结合，导致Fe3O4@Au@aptamer纳米球从细菌表面释放。引入核酸外切酶I（Exo I）可实现AFB1的循环放大，进一步增强纳米球的释放。
- 细菌吸附与MFC性能变化：随着细菌表面Fe3O4@Au含量的减少，能够在磁场中吸附到辅助阳极上的细菌数量减少，导致MFC-SPBS的性能下降。
- 电化学检测：通过记录MFC的开路电压（EOCV）变化，定量检测AFB1的浓度。
主要结果
- 细菌表面修饰验证：通过扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）观察，证实了PDA和AuNPs成功修饰到细菌表面。紫外-可见光谱（UV-Vis）和X射线衍射（XRD）进一步验证了修饰效果。
- 磁性纳米球修饰验证：通过SEM、TEM和XRD分析，证实了Fe3O4@Au纳米球的成功制备，并观察到AuNPs均匀分布在Fe3O4纳米球表面。
- 细菌与纳米球结合验证：通过zeta电位分析和UV-Vis光谱，证实了Fe3O4@Au@aptamer纳米球成功修饰到细菌表面。SEM图像进一步显示了纳米球与细菌的结合。
- AFB1检测性能：实验结果表明，随着AFB1浓度的增加，MFC的开路电压（EOCV）逐渐降低。AFB1的检测限为5 nM（信噪比S/N=3），线性范围为20-500 nM。该方法对AFB1具有高特异性，能够有效区分其他霉菌毒素（如赭曲霉毒素A、黄曲霉毒素B2等）。
- 实际样品检测：在花生样品中添加不同浓度的AFB1，回收率在94.82%-106.53%之间，相对标准偏差（RSD）在3.80%-5.37%之间，表明该方法在实际样品中具有良好应用潜力。
结论
该研究开发了一种基于细菌表面磁性元素调控的新型MFC-SPBS传感模式，成功实现了对AFB1的高灵敏度和特异性检测。通过引入PDA涂层和Exo I，有效减少了非特异性吸附并增强了信号放大效应。该方法不仅提高了MFC-SPBS的检测特异性，还扩展了其可检测物种，为单细胞表面修饰技术在生物传感器领域的应用提供了新的视角。
研究亮点
- 创新传感模式：首次提出基于细菌数量变化的传感模式，通过调节细菌表面磁性元素含量实现对目标分析物的检测。
- 高灵敏度与特异性：AFB1的检测限低至5 nM，且能够有效区分其他干扰物质。
- 实际应用潜力：在花生样品中表现出良好的回收率和精密度，具有实际应用价值。
- 信号放大效应：引入Exo I实现了AFB1的循环放大，显著增强了检测灵敏度。
其他有价值内容
该研究还详细探讨了PDA涂层在减少非特异性吸附中的作用，并通过对比实验验证了其重要性。此外，研究还展示了该方法在扩展MFC-SPBS可检测物种方面的潜力，为未来开发更多基于细菌表面修饰的生物传感器提供了理论基础。