面向食源性病原菌檢測(cè)的微流控阻抗傳感器研究綜述

李 琛，郭黎明，厲志安，陳永良

(中國(guó)計(jì)量大學(xué) 質(zhì)量與安全工程學(xué)院，中國(guó) 杭州 310018)

近年來(lái)，食源性病原菌引起的疾病構(gòu)成了公眾健康和食品安全的嚴(yán)重威脅，對(duì)全球社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展構(gòu)成重大阻礙[1-2]。經(jīng)研究，細(xì)菌是最常見(jiàn)的食源性病原菌[3]，在這些細(xì)菌中，沙門(mén)氏菌、李斯特菌、大腸桿菌O157∶H7、金黃色葡萄球菌和蠟狀芽孢桿菌是主要的食源性病原菌[4]。因此，食源性病原菌快速檢測(cè)裝置與檢測(cè)技術(shù)的開(kāi)發(fā)具有重要意義。

在過(guò)去幾十年中，人們?cè)诳焖贆z測(cè)食源性病原菌方面作出了巨大努力，研究了多種檢測(cè)技術(shù)。除了常規(guī)的細(xì)菌培養(yǎng)計(jì)數(shù)法之外，還有多種其他方法，例如基于核酸的、基于免疫學(xué)的和生物傳感器(例如光學(xué)、電化學(xué)和基于質(zhì)譜的生物傳感器)用于快速檢測(cè)食源性病原菌[5-6]。目前，酶聯(lián)免疫吸附測(cè)定(Enzyme-linked immunosorbent assay，ELISA)和聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(Polymerase Chain Reaction，PCR)可以將測(cè)定時(shí)間縮短至4～6 h，并且已經(jīng)實(shí)現(xiàn)101～106CFU/mL的檢測(cè)范圍，廣泛應(yīng)用于生物檢測(cè)及其它領(lǐng)域[7]。阻抗生物傳感器憑借其便攜性、快速性、高靈敏度并且適于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的優(yōu)勢(shì)，成為基于生物傳感器的食源性病原菌檢測(cè)的有效方式之一[8-10]。近來(lái)微流控技術(shù)受到廣泛關(guān)注[11]，該技術(shù)可以將富集、捕獲、檢測(cè)、分析等過(guò)程集成到芯片中來(lái)進(jìn)行以提高檢測(cè)性能[12]，它與生物傳感的結(jié)合提供了高通量分析和集成微量化的優(yōu)勢(shì)，從而在細(xì)菌檢測(cè)方面實(shí)現(xiàn)智能即時(shí)診斷[13-15]。微流控技術(shù)與阻抗型生物傳感器的結(jié)合為病原菌的檢測(cè)提供了更廣闊的前景，特別是在生物傳感器這一領(lǐng)域中，新技術(shù)(如納米技術(shù)等)的研發(fā)為促進(jìn)病原菌富集過(guò)程和改善阻抗信號(hào)提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持，提高了檢測(cè)靈敏度。本文簡(jiǎn)單介紹微流控阻抗檢測(cè)原理，回顧了基于微流控技術(shù)的阻抗傳感器在食源性病原菌檢測(cè)方面的進(jìn)展和應(yīng)用，特別是近期的發(fā)展，最后討論了對(duì)于當(dāng)前微流控阻抗傳感器面臨的問(wèn)題挑戰(zhàn)和發(fā)展趨勢(shì)。

1 微流控阻抗傳感器及檢測(cè)原理

微流控阻抗傳感器是一種基于微流控系統(tǒng)，將生物濃度轉(zhuǎn)換為電化學(xué)阻抗信號(hào)進(jìn)行鑒定檢測(cè)的儀器。微流控阻抗生物傳感器在病原菌檢測(cè)方面具有響應(yīng)時(shí)間快、試劑消耗少、無(wú)標(biāo)記檢測(cè)、操作簡(jiǎn)便和易于微型化及自動(dòng)化的儀器設(shè)備開(kāi)發(fā)的特點(diǎn)，是現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)較有前途的分析工具。微流控阻抗傳感器的阻抗檢測(cè)原理是以微流控芯片系統(tǒng)為平臺(tái)，將生物識(shí)別分子及對(duì)應(yīng)的檢測(cè)物注入到微通道內(nèi)，隨后固定在導(dǎo)電(或半導(dǎo)體)換能器表面，通過(guò)檢測(cè)物與換能器表面處的生物識(shí)別分子形成特異性復(fù)合物，直接或間接地改變識(shí)別表面的阻抗信號(hào)，建立阻抗信號(hào)的變化情況與檢測(cè)物濃度之間的關(guān)系以達(dá)到檢測(cè)的目的。

在微流控阻抗檢測(cè)系統(tǒng)中，電化學(xué)阻抗通常以很小的正弦波電位激發(fā)信號(hào)測(cè)得。電阻抗(Z)定義為電壓增量變化與電流變化的比值V(t)/I(t)。根據(jù)該定義，阻抗Z是電壓-時(shí)間函數(shù)V(t)與所得到的電流-時(shí)間函數(shù)I(t)的商：

(1)

其中V0和I0是最大電壓和電流信號(hào)，f是頻率，t是時(shí)間，φ是電壓時(shí)間和電流時(shí)間函數(shù)之間的相移[16]。同時(shí)阻抗是復(fù)數(shù)值，可表示為實(shí)部ZRe和虛部ZIm兩部分：

Z=ZRe-jZIm。

(2)

所以，阻抗測(cè)量的結(jié)果可用兩種不同形式的電化學(xué)阻抗譜EIS來(lái)描述：一種是以實(shí)部為X軸，虛部為Y軸的Nyquist圖。Nyquist圖的每一點(diǎn)對(duì)應(yīng)阻抗中的一個(gè)頻率，低頻率在右，高頻率在左；另一種是以頻率對(duì)數(shù)為X軸，阻抗絕對(duì)值和相角為Y軸的Bode圖，Bode圖可顯示頻率與阻抗值、相角的關(guān)系。

為了表達(dá)固定生物分子和細(xì)菌結(jié)合后的表面、層或膜的表征，分析電解質(zhì)和電極上介質(zhì)的阻抗變化，從而確定系統(tǒng)阻抗變化的主要因素，通常使用等效電路分析EIS[17]。等效電路模型由電阻、電容等元件組成，常用電學(xué)元件一般包括電解質(zhì)溶液電阻、雙電層電容、電子轉(zhuǎn)移電阻、Warburg阻抗等，每個(gè)元件代表一種或幾種電極過(guò)程和電化學(xué)性質(zhì)[8]。

圖1 等效電路圖及電化學(xué)Nyquist圖[19-21]

VARSHNEY等[22]用微流控阻抗法檢測(cè)大腸桿菌O157∶H7過(guò)程中，用等效電路擬合電化學(xué)阻抗Bode圖分析阻抗變化機(jī)理。如圖2(a)，等效電路模型中，兩個(gè)雙層電容Cdl和電解質(zhì)電阻Rs串聯(lián)，并與介質(zhì)電容Cdi并聯(lián)。雙電層電容Cdl表示離子種類對(duì)電極表面電容的影響；電解質(zhì)電阻Rs表示電解質(zhì)溶液的導(dǎo)電率變化；Cdi表示電解質(zhì)溶液的介質(zhì)電容。檢測(cè)結(jié)果如圖2(b)，在低頻段(10 Hz～1 kHz)，阻抗信號(hào)變化由雙電層電容Cdl主導(dǎo)；在中頻段(1 kHz～50 kHz)，阻抗信號(hào)由電解質(zhì)電阻Rs主導(dǎo)；在高頻段(50 kHz～1 MHz),阻抗信號(hào)由介質(zhì)電容Cdi主導(dǎo)。由圖2(c)還可得出，在檢測(cè)范圍內(nèi)，阻抗隨著大腸桿菌數(shù)的增加而增加，大腸桿菌吸附在電極上時(shí)電解質(zhì)電阻Rs增加，Rs增加成為阻抗變化的主要原因。

圖2 等效電路圖及電化學(xué)阻抗Bode圖[22]

2 微流控阻抗檢測(cè)技術(shù)

生物識(shí)別配體捕獲靶細(xì)菌的特異性和有效性、換能器材料表面的阻抗信號(hào)水平和輔助富集能力都是決定微流控阻抗傳感器靈敏度的重要因素。實(shí)際樣品中的各種污染物可能會(huì)起到抑制作用，導(dǎo)致產(chǎn)生假陰性結(jié)果。因此，合適的換能器和檢測(cè)前的富集步驟可以幫助提高檢測(cè)的靈敏度[23]。大量研究文獻(xiàn)顯示，采用基于叉指陣列微電極的檢測(cè)技術(shù)、介電泳技術(shù)和納米技術(shù)可以提升病菌的捕獲率和提高阻抗信號(hào)水平，以提高微流控阻抗傳感器的檢測(cè)靈敏度。

2.1 基于叉指陣列微電極檢測(cè)技術(shù)

叉指陣列微電極(Interdigitated array microelectrodes，IDAM)包含一對(duì)微帶電極陣列，每個(gè)陣列由多個(gè)寬度和間距為微米級(jí)的指電極并聯(lián)組合而成，電極之間相互嚙合形成叉指狀電極陣列[24]。IDAM具有較高的靈敏度，可以縮短檢測(cè)時(shí)間、提高信噪比，并且可直接檢測(cè)電極間介質(zhì)的阻抗變化。據(jù)RUAN等[25]實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)論，氧化煙錫(Indium tin oxide，ITO)涂覆的普通玻璃電極表面上大腸桿菌抗體對(duì)于大腸桿菌O157∶H7僅顯示16%的捕獲效率，相比之下，IDAM由于檢測(cè)區(qū)域中每單位體積的靶細(xì)胞數(shù)目增加，可將捕獲效率提升至35%[26]。GHOSH等[27]研究表示，基于IDAM檢測(cè)技術(shù)，結(jié)合微流控技術(shù)更能進(jìn)一步將阻抗響應(yīng)信號(hào)提高3倍，將檢測(cè)靈敏度提升10倍。

GOMEZ等[28]制造了首個(gè)集成白金IDAM的硅基微流控芯片，以阻抗法檢測(cè)微生物的代謝活性。VARSHNEY[22]將微流體流通池與嵌入式金IDAM整合到一個(gè)阻抗生物傳感器中，快速檢測(cè)碎牛肉樣品中的致病菌。他們將IDAM芯片結(jié)合在PDMS制作的微通道上，整個(gè)流通池由檢測(cè)微型腔室、入口、出口和微通道組成。使用尺寸為6 mm×0.5 mm×0.02 mm即體積為60 nL的檢測(cè)微型腔室來(lái)收集微電極上方活性層中的細(xì)菌細(xì)胞。結(jié)合免疫磁分離技術(shù)分離和濃縮靶細(xì)菌，該裝置在純培養(yǎng)物和牛肉樣品中檢測(cè)大腸桿菌O157∶H7，檢測(cè)限分別低至1.6×102和1.2×103CFU/mL，檢測(cè)時(shí)間低于30 min。

微流控阻抗傳感器中，使用IDAM作為換能器材料的檢測(cè)技術(shù)最為普遍，IDAM的制作材料也很多，如金、ITO、Pt、Ti、Rh等材料，例如GHOSH[27]在微流控芯片中利用金叉指陣列微電極固定抗體檢測(cè)鼠傷寒沙門(mén)氏菌，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)的陳奇等人[29]基于ITO叉指陣列微電極的微流控阻抗檢測(cè)李斯特菌。不同IDAM材料的微流控阻抗傳感器檢測(cè)病原菌實(shí)例見(jiàn)表1。

表1 不同IDAM材料的微流控阻抗傳感器實(shí)例表

注：“-”文中沒(méi)有提到

IDAM研究前景廣闊，但I(xiàn)DAM仍存在一些缺陷，由于IDAM芯片可重復(fù)檢測(cè)次數(shù)少，從而使檢測(cè)成本提高，若能實(shí)現(xiàn)多次檢測(cè)，則能降低成本，這需要在今后的研究中改善IDAM制作工藝和完善生物分子的固定化技術(shù)和方法。此外，裸IDAM的病菌捕獲效率仍較低，近來(lái)的研究中通過(guò)采用富集技術(shù)提高病菌捕獲率，如介電泳技術(shù)、免疫磁分離技術(shù)和納米材料等，但也變相地復(fù)雜化了傳感器的制作過(guò)程。此外，將IDAM有效地集成在微流控芯片上也面臨著挑戰(zhàn)，亟待采用更先進(jìn)的加工技術(shù)和先進(jìn)的材料使得IDAM微流控阻抗傳感器的制作得到進(jìn)一步發(fā)展，性能得到進(jìn)一步提高。

2.2 介電泳技術(shù)

介電泳(Dielectrophoresis，DEP)是介電極化材料在非均勻電場(chǎng)中的電動(dòng)運(yùn)動(dòng)，用于阻抗測(cè)量的介電泳稱為介電泳阻抗技術(shù)。在微流控芯片上使用DEP能夠高效地富集靶細(xì)胞，具有低檢測(cè)限和高通量檢測(cè)的優(yōu)勢(shì)，因此介電泳技術(shù)成為微流控阻抗檢測(cè)病原菌的有效技術(shù)之一[37-38]。

GOMEZ等[30]開(kāi)發(fā)了基于DEP技術(shù)的微流控阻抗傳感裝置。設(shè)計(jì)理念是使用DEP將細(xì)菌細(xì)胞從主通道轉(zhuǎn)移到一個(gè)小通道中，含細(xì)菌的低通量微流體進(jìn)入體積為400 μL的測(cè)量室，不含細(xì)菌的高通量微流體由出口排出，如圖3所示。將采用DEP技術(shù)和未采用DEP得出的李斯特菌細(xì)胞的阻抗增長(zhǎng)曲線進(jìn)行了比較，DEP作用時(shí)阻抗代謝信號(hào)在大約1 h處呈指數(shù)生長(zhǎng)，而含有相似含量的無(wú)DEP作用的細(xì)胞的樣品需要大約7.5 h才產(chǎn)生可檢測(cè)的阻抗信號(hào)，檢測(cè)時(shí)間有了明顯減少，2 h內(nèi)可檢測(cè)8.0×104CFU/mL的李斯特菌。

圖3 介電泳技術(shù)捕獲細(xì)菌的操作原理圖[30]

DASTIDER等[33]使用了兩組IDAM檢測(cè)大腸桿菌O157∶H7。如圖4，大腸桿菌O157∶H7從抗原入口注入，第一組IDAM通過(guò)正介電泳(pDEP)將大腸桿菌集中到微通道的中心，第二組IDAM作為阻抗檢測(cè)區(qū)域，該檢測(cè)區(qū)域的體積顯著小于流動(dòng)通道的體積，并且大腸桿菌抗體由抗體入口注入，隨后固定到檢測(cè)電極上以捕獲大腸桿菌O157∶H7。阻抗結(jié)果顯示，大腸桿菌O157∶H7的檢測(cè)限為3×102CFU/mL。KIM[34]使用高pDEP力聚集大腸桿菌并通過(guò)感應(yīng)電極，被捕獲的細(xì)菌在電極間隙上形成橋。檢測(cè)后，則通過(guò)關(guān)閉DEP力釋放大腸桿菌細(xì)胞。該方法可以1 min內(nèi)檢測(cè)大腸桿菌，檢測(cè)限為3×102CFU/mL。

PAEZAVILES等[39]報(bào)道了很多微流控芯片上介電泳技術(shù)和阻抗法結(jié)合檢測(cè)病原菌的研究。DEP技術(shù)能將病原菌從微流體中有效分離，且檢測(cè)快速性優(yōu)勢(shì)顯著。但高DEP收集效率只能在低樣本流量下獲得，因此仍需要使用過(guò)濾或免疫磁分離方法的預(yù)分選步驟將樣品通量提高，或者近來(lái)研究采用磁電泳和聲電泳技術(shù)進(jìn)行病原菌高通量高濃度的濃縮[40-42]。

圖4 基于DEP的雙組IDAM微流控芯片示意圖[33]

2.3 納米技術(shù)

納米材料在微流控阻抗傳感器的應(yīng)用主要有兩個(gè)目的：改善換能器的響應(yīng)特性和生物受體的固定基質(zhì)[43]。納米材料由于具有高比表面積，良好的電子性質(zhì)和電催化活性，以及由納米尺寸和特定物理化學(xué)特性引起的良好的生物相容性和吸附性，已被用于提高病菌富集捕獲效率和放大檢測(cè)信號(hào)，以提高檢測(cè)靈敏度，降低檢測(cè)限[44-45]。目前被應(yīng)用于微流控阻抗傳感器的納米材料有納米粒子、納米孔膜和納米二維材料等。

2.3.1 納米粒子

部分納米粒子(如金納米粒子)因?yàn)閮?yōu)異的導(dǎo)電性和超高表面積，用于增強(qiáng)電子的轉(zhuǎn)移、捕獲更多電極表面上的載荷，以改善阻抗信號(hào)水平。如KANG等[46]利用雙層金納米粒子和殼聚糖制備了一種微流控阻抗傳感器用于檢測(cè)蠟狀芽孢桿菌，雙層金納米粒子的作用是增加抗體固定量和保持抗體活性。該裝置檢測(cè)范圍為5.0×101～5.0×104CFU/mL，檢測(cè)限為10.0 CFU/mL，并且在一定時(shí)間內(nèi)仍保持穩(wěn)定的阻抗響應(yīng)。MICHAEL等[47]開(kāi)發(fā)了基于多孔體積微流體檢測(cè)元件和銀增強(qiáng)的金納米顆粒探針的阻抗免疫傳感器，多孔方式用以提升病菌捕獲率，銀顆粒用以加強(qiáng)阻抗響應(yīng)，該裝置檢測(cè)限為10 CFU/mL。

納米粒子除了當(dāng)做標(biāo)記物和改善阻抗信號(hào)水平之外，磁性納米粒子可以與目標(biāo)抗體形成免疫磁珠，免疫磁珠與目標(biāo)細(xì)菌結(jié)合形成珠狀細(xì)菌復(fù)合物，這種復(fù)合物在外加磁場(chǎng)作用力下做定向移動(dòng)，最終被吸附和滯留在磁場(chǎng)中，如此可以很容易地從食物基質(zhì)和樣品背景中將目標(biāo)細(xì)菌分離出來(lái)，該方法稱為免疫磁分離技術(shù)。免疫磁分離技術(shù)能夠有效排除分析樣品中的背景干擾，實(shí)現(xiàn)樣品的純化和富集，達(dá)到縮短檢測(cè)時(shí)間，提高靈敏度的目的[48]。DAMIRA等[49]使用直徑為30 nm的磁性納米顆粒(Magnetic nanoparticles，MNPs)結(jié)合功能化的單核細(xì)胞增生李斯特菌抗體，成為免疫磁性納米顆粒。阻抗測(cè)量結(jié)果表明，在萵苣、牛奶和碎牛肉的樣品中可檢測(cè)到104和105CFU/mL單核細(xì)胞增生李斯特菌。近來(lái)，借鑒于陳奇[29]和王磊[50]利用納米顆粒免疫磁分離技術(shù)和脲酶放大信號(hào)的經(jīng)驗(yàn)，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)的姚嵐等人[37]巧妙地將用于細(xì)菌分離的MNPs、用于生物信號(hào)放大的脲酶和用于阻抗測(cè)量的微流體芯片結(jié)合，實(shí)現(xiàn)快速、靈敏和連續(xù)流動(dòng)檢測(cè)大腸桿菌O157∶H7。

圖5 基于免疫磁分離和尿素酶催化的微流體阻抗傳感器原理圖[37]

如圖5，鏈霉抗生物素蛋白修飾的MNPs與生物素化多克隆抗體結(jié)合形成免疫M(jìn)NPs后，目標(biāo)細(xì)菌首先被MNPs從背景中分離出來(lái)，形成MNP-細(xì)菌復(fù)合物。然后，用脲酶和適配體探針對(duì)金納米顆粒(Gold nanoparticles，GNPs)修飾的大腸桿菌O157∶H7與MNP-細(xì)菌進(jìn)行綴合，最終形成MNP-細(xì)菌-GNP-脲酶復(fù)合物。最后，配合物被催化尿素水解成碳酸銨，導(dǎo)致阻抗降低。通過(guò)該生物傳感器在線測(cè)量阻抗并使用阻抗歸一化分析，獲得了阻抗相對(duì)變化率與細(xì)菌濃度之間的線性關(guān)系，確定大腸桿菌O157∶H7的檢測(cè)限濃度為12 CFU/mL。

磁性納米粒子在微生物檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)比較成熟，磁性納米粒子捕獲病原菌的效率也可達(dá)60%～100%。尤其在磁性納米粒子、生物配體及官能修飾物的復(fù)合作用下，微流控阻抗檢出限可以達(dá)到更低，但是需要注意多余的磁性顆粒或者磁性顆粒過(guò)于密集對(duì)于阻抗響應(yīng)結(jié)果帶來(lái)的干擾。

2.3.2 納米孔膜

納米孔氧化鋁膜因其優(yōu)異的生物相容性、高表面積、強(qiáng)化固液界面的電子轉(zhuǎn)移等特點(diǎn)被應(yīng)用于微流控阻抗傳感器中，顯著提高了傳感器的檢測(cè)靈敏度。JIANG等[51]以智能手機(jī)的傳感系統(tǒng)為平臺(tái)，基于微流體實(shí)現(xiàn)細(xì)菌預(yù)濃縮和電阻抗譜方法實(shí)現(xiàn)對(duì)水中大腸桿菌的高靈敏度和快速現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。該裝置通過(guò)大量直徑為16 μm的納米氧化鋁孔膜過(guò)濾掉其他顆粒，被檢測(cè)細(xì)菌則通過(guò)過(guò)濾膜留在微流體檢測(cè)室中，通過(guò)孔膜的過(guò)程相當(dāng)于細(xì)菌被預(yù)濃縮處理。隨后，分布在叉指電極周圍的預(yù)濃縮細(xì)菌細(xì)胞受到阻抗感測(cè)。該智能手機(jī)傳感平臺(tái)通過(guò)掃描頻率2～100 kHz獲得阻抗譜，大腸桿菌數(shù)可由手機(jī)程序?qū)y(cè)量結(jié)果擬合到校準(zhǔn)曲線和相應(yīng)的公式中得出。該裝置細(xì)菌檢測(cè)的檢出限是10 CFU/mL，檢測(cè)范圍10～103CFU/mL。

TAN等[52]使用納米多孔氧化鋁膜固定抗體，有效檢測(cè)金黃色葡萄球菌和大腸桿菌O157∶H7。使用三甲氧基硅烷將抗體共價(jià)固定在納米多孔氧化鋁膜上,該膜具有13 mm的直徑和60 μm的厚度.在納米多孔氧化鋁膜上固定的抗體能夠捕獲病原菌，并因此導(dǎo)致阻抗增加。該微流體免疫傳感器裝置可在2 h內(nèi)快速檢測(cè)細(xì)菌，檢測(cè)限為102CFU/mL，與傳統(tǒng)基于微電極的阻抗傳感器相比顯示出更理想的靈敏度。TIAN等[53]對(duì)上述裝置稍作改進(jìn)，設(shè)置了兩個(gè)納米多孔膜，可同時(shí)檢測(cè)102CFU/mL的大腸桿菌O157∶H7和金黃色葡萄球菌。

納米孔膜的應(yīng)用具有高靈敏度和快速現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的優(yōu)勢(shì)，但納米孔膜的缺陷在于其本身制備過(guò)程復(fù)雜，且生成納米多孔層的成功率較低，影響傳感器的穩(wěn)定性?？傮w而言，微流體系統(tǒng)中利用納米孔膜輔助樣品富集仍處于初期狀態(tài)，因此需要通過(guò)改善制造工藝等額外努力來(lái)研究這種小型化傳感裝置的實(shí)際應(yīng)用。

2.3.3 納米二維材料

石墨烯和二硫化鉬(MoS2)是新型的納米二維材料，它們?cè)谠O(shè)計(jì)電化學(xué)生物傳感器方面引起了研究者的重大興趣。納米二維材料無(wú)論作為電極材料還是化學(xué)修飾作用，都為微流控阻抗傳感器帶來(lái)了更高的靈敏度。

對(duì)于石墨烯來(lái)說(shuō)，由于在石墨烯層中所有的碳原子都位于表面，所以分子間的相互作用和電子轉(zhuǎn)移是非常有利的，這些性質(zhì)使石墨烯成為具有高電導(dǎo)率、良好的電化學(xué)反應(yīng)催化活性和高比表面積的材料[54]。例如PANDEY等[55]就利用了石墨烯優(yōu)異的電子轉(zhuǎn)移和細(xì)菌捕獲能力特異性檢測(cè)大腸桿菌，石墨烯納米結(jié)構(gòu)直接結(jié)合在叉指微電極上捕獲細(xì)菌并放大阻抗信號(hào)，得到10 CFU/mL的檢測(cè)限。CHANDRA等[56]基于石墨烯包裹氧化銅-半胱氨酸檢測(cè)大腸桿菌，40 d后，傳感器的阻抗響應(yīng)仍保持初始值的90.2%，證明了石墨烯材料的電催化活性和穩(wěn)定性。

最近，基于石墨烯和其他納米材料的協(xié)同效應(yīng)被廣泛研究，研究發(fā)現(xiàn)石墨烯和其他納米結(jié)構(gòu)材料復(fù)合會(huì)進(jìn)一步提高電子轉(zhuǎn)移和細(xì)菌捕獲效率。國(guó)內(nèi)學(xué)者馬小元等[57]提出了一種使用氧化石墨烯和金納米粒子修飾的玻碳電極作為沙門(mén)氏菌檢測(cè)的阻抗生物傳感器，檢測(cè)限達(dá)到3 CFU/mL，在含10～1000 CFU/mL細(xì)菌的豬肉樣品中中，細(xì)菌回收率接近100%。另外，ROMANO等[58]報(bào)道，氧化石墨烯-碳納米管納米復(fù)合材料具有最大化電活性表面積，且可控制孔隙率，可以為固定生物分子提供更大的表面。碳納米管本身就因具有高表面積和強(qiáng)導(dǎo)電性用于電化學(xué)免疫傳感器開(kāi)發(fā)檢測(cè)病原菌，達(dá)到了13 CFU/mL的優(yōu)異檢測(cè)靈敏度[59]。近來(lái)，CHANDAN等[60]用氧化石墨烯納米片包裹多壁碳納米管修飾ITO微電極無(wú)標(biāo)記檢測(cè)鼠傷寒沙門(mén)氏菌，測(cè)量的阻抗信號(hào)相比僅基于多壁碳納米管/ITO和氧化石墨烯納米片/ITO修飾的微流控芯片都要高得多。綜上，在微流控阻抗器件中應(yīng)用二維石墨烯基納米材料的研究取得了很大進(jìn)展，極大提高了病菌檢測(cè)的靈敏度，特別是石墨烯和其納米材料聯(lián)用產(chǎn)生的協(xié)同效應(yīng)使得納米技術(shù)在高效捕獲病菌和放大阻抗信號(hào)方面的優(yōu)勢(shì)更為顯著，但該領(lǐng)域目前的最新技術(shù)還不能用于現(xiàn)場(chǎng)或使用點(diǎn)應(yīng)用。

MoS2具有比石墨烯更高的表面積，并且MoS2存在帶隙，能更好地提高檢測(cè)靈敏度。CHANDAN等[61]描述了一種有效的微流控芯片，用于檢測(cè)鼠傷寒沙門(mén)氏菌，檢測(cè)限1.56 CFU/mL，檢測(cè)范圍10～107CFU/mL。他們使用MoS2納米片作為換能器材料，通過(guò)靜電作用在ITO電極表面成膜，捕捉到目標(biāo)細(xì)菌從而改變阻抗信號(hào)。

總之，在納米二維材料的幫助下，阻抗生物傳感器的傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)，如快速性和現(xiàn)場(chǎng)適用性可進(jìn)一步提高。此外，納米材料與微流控芯片同屬微型技術(shù)，賦予電化學(xué)生物傳感器裝置小型化、高靈敏度和特異性，使其具有評(píng)估現(xiàn)場(chǎng)食品安全性的巨大潛力。但是納米二維材料量產(chǎn)技術(shù)不成熟且成本較高，是應(yīng)用到微流控阻抗傳感器制造中所需要面對(duì)的問(wèn)題。

3 總結(jié)與展望

在微流控阻抗領(lǐng)域，人們發(fā)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)食源性病原菌的巨大潛力。研究人員致力于探索更佳的生物識(shí)別配體、開(kāi)發(fā)改善阻抗信號(hào)水平和捕獲細(xì)菌能力的檢測(cè)技術(shù)，亟待于提升檢測(cè)靈敏度和適于快捷經(jīng)濟(jì)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。對(duì)微流控阻抗傳感器檢測(cè)食源性病原菌得出以下總結(jié)和展望。

1)微流控技術(shù)和阻抗免疫傳感器的結(jié)合將病原菌樣品從進(jìn)樣、混合、檢測(cè)到測(cè)量的整個(gè)過(guò)程都集中在微流控芯片上，減少檢測(cè)時(shí)間、節(jié)約檢測(cè)成本、提高分析效率，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)設(shè)備的微型化、自動(dòng)化。基于IDAM檢測(cè)技術(shù)可同時(shí)發(fā)揮IDAM靈敏度高、阻抗測(cè)量快速的優(yōu)勢(shì)，但需要解決IDAM可重復(fù)檢測(cè)次數(shù)少的問(wèn)題；DEP技術(shù)可在低通量下實(shí)現(xiàn)病原菌高效分離和捕獲，從而提高檢測(cè)靈敏度，但高通量下病原菌捕獲率有待提高；納米技術(shù)和多種技術(shù)聯(lián)用可將食源性病菌檢測(cè)限下降至個(gè)位數(shù)，但是仍存在缺陷：如納米粒子過(guò)于密集會(huì)影響結(jié)果、納米孔膜制作成功率低、納米二維材料量產(chǎn)技術(shù)不成熟且成本高等，這些缺陷在一定程度上限制了微流控阻抗傳感器的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

2)目前，微流控阻抗傳感器的構(gòu)建仍處于不斷探索的階段中，往后的研究中需要不斷借鑒基于光學(xué)和其他電化學(xué)的方法技術(shù)，更需要依靠適用于阻抗檢測(cè)的最新納米材料和技術(shù)的發(fā)展，使之可用于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)快速檢測(cè)食源性病原菌。此外，為了滿足微流控設(shè)備對(duì)病原菌檢測(cè)的低價(jià)格要求，今后的研究可從高度復(fù)雜的制造技術(shù)轉(zhuǎn)向可滿足最終用戶要求的聚合物或紙質(zhì)設(shè)備，例如聚合物和紙基芯片代替硅基和玻璃；絲網(wǎng)印刷電極或者半導(dǎo)體納米材料代替金屬電極。