中国科学院长春应用化学研究所：基于双识别元件的便携式唾液传感器，用于龋齿病原菌的即时检测

       2022年WHO报告称恒牙龋齿是最常见的口腔疾病，影响全球超20亿人。变异链球菌（S. mutans）作为主要致龋菌，其数量监测对龋病预测有重要意义。然而，传统的细菌检测方法如：培养基法，酶联免疫吸附测定和聚合酶链式反应技术，具有耗时长、灵敏度低，涉及昂贵仪器等缺点。

       近年来，电化学传感器凭借成本低、耗时短、高特异性和快速响应等优势，为细菌检测开辟了新平台。针对S. mutans，研究人员已开发出一系列以抗体、抗菌肽、万古霉素和凝集素为识别元件的传感器，但较差的灵敏度和长期稳定性限制了传感器在真实唾液中的检测应用。此外，唾液中多种成分之间存在干扰，对检测造成困难。如何提高选择性仍是便携式唾液传感器实际应用的研究难点。

       近期，中国科学院长春应用化学研究所张强研究员与吉林大学口腔医院韩光红副主任医师合作，开发了一种基于适配体/细菌印迹聚合物的（aptamer/SIP）非酶类双识别元件的便携式唾液传感器，其以羧基化多壁碳纳米管（c-MWCNTs）为基底材料，亚甲基蓝（MB）为嵌入式氧化还原探针，并集成了丝网印刷电极（SPE）（图1）。与其它的S. mutans传感器相比，本研究所制备的的便携式唾液传感器表现出更高的灵敏度（564.0 nA/dec）、更低的检测限（LOD，2.6 CFU/mL）和更宽的线性检测范围（10² ~ 10⁹ CFU/mL）。此外，该传感器能够原位即时检测真实唾液样本中的S. mutans，在临床龋病预测和早期诊断中表现出巨大潜力。

       图1 S. mutans传感器唾液检测示意图

       首先，研究人员通过CA方法将c-MWCNTs电沉积在SPE电极上，并研究电沉积时间对电化学性能的影响。S. mutans特异性适配体一端修饰有氨基，通过与c-MWCNTs电极上的羧基发生缩合反应形成酰胺键，实现稳定的共价键结合。通过XPS分析和CV表征确认了适配体的成功固定。随后，采用CV在-0.8 ~ +0.9 V的电位范围内，将S. mutans、吡咯单体和MB电沉积在aptamer电极上，获得PPy/S. mutans电极。结果显示，-0.28 V和-0.14 V处显示为MB的还原和氧化峰，0.9 V处显示为吡咯的氧化峰。当CV电沉积圈数为15圈时，电极电化学性能最佳。通过SEM观察到PPy/S. mutans电极表面覆盖有球状的S. mutans（菌体直径约为0.6 ~ 1 μm）和不规则的聚吡咯球体。EDS能谱图显示出S. mutans特有Mg元素和P元素。以上结果均证明S. mutans的成功电聚合。采用溶菌酶/Triton X-100去除S. mutans后，即获得aptamer/SIP电极。CV曲线中观察到电流明显增加，MB还原峰在-0.45 V处。随后，通过CA在-0.45 V电位下研究了吡咯浓度、S. mutans聚合浓度和洗脱剂种类对S. mutans传感器电化学性能的影响。     图2 c-MWCNTs电沉积及表征

     为进一步验证S. mutans的成功去除，研究人员使用SEM对aptamer/SIP电极进行形貌表征。结果发现，SEM图像中未观察到颗粒状的S. mutans。随后，采用CV和EIS对aptamer/SIP电极的电化学性能进行研究。在扫描速率为25 ~ 200 mV/s的条件下，记录了aptamer/SIP电极在5 mM K₃Fe(CN)₆溶液中的CV曲线。结果发现，氧化还原峰的强度与扫描速率的平方根呈线性相关，表明该电极的电化学反应受扩散过程控制。同时，EIS结果显示，去除S. mutans后，Rct从4911 Ω减小到2303 Ω，界面电阻明显减小。表明去除低导电S. mutans后，电极表面创建了大量的电子传输路径，从而显著提高电极的电化学活性。

       图3 aptamer/SIP电极表征

       如图4所示，采用CA方法在-0.45 V电位下，对含有10 ~ 10⁹ CFU/mL S. mutans浓度范围的人工唾液进行检测。结果发现，电流值随S. mutans浓度负对数值的增加而线性减少。与现有其它的S. mutans传感器相比，该S. mutans传感器具有更高的灵敏度（564.0 nA/dec），和更低的LOD（2.6 CFU/mL）。此外，该传感器线性响应范围（10² ~ 10⁹ CFU/mL）覆盖了人类生理和龋病状态下的唾液S. mutans水平，允许直接检测实际唾液样本，而无需稀释。为评估双识别传感器的检测优势，制备不含有适配体的单识别元件SIP传感器。相同条件下，SIP传感器的灵敏度为193.1 nA/ dec，检测限为7.6 CFU/mL，并表现出较窄的线性检测范围10³ ~ 10⁷ CFU/mL。结果表明适配体在提高传感器的检测灵敏度方面起着重要作用。此外，S. mutans传感器也展现出了良好的选择性和重现性，并能够在60天内保持对S. mutans的高效传感，具有优异的长期稳定性。

       图4 S. mutans传感器的性能评估

       为评估S. mutans传感器的实际应用潜力，研究人员将其用于检测健康人群真实唾液样本中的S. mutans。结果发现，随着S. mutans浓度从10³ CFU/mL增加到10⁹ CFU/mL，电流值随S. mutans浓度负对数值的增加而线性减少。在真实唾液中该传感器表现出307.0 nA/dec的灵敏度和4.8 CFU/mL的LOD值，能够进行真实唾液中S. mutans的准确定量，具有实际应用潜力。

       图5 S. mutans传感器的真实唾液检测

       总之，本研究开发了一种基于双识别元件的便携式生物传感器，用于迅速检测唾液中S. mutans，为龋病早期预测提供了潜力。该传感器具有出色的灵敏度、高选择性和良好的稳定性，可长期实际应用。通过固定适配体和SIP双识别元件，创建S. mutans特异性印迹空腔和高选择性传感界面。MB作为氧化还原探针嵌入SIP网络中，在S. mutans结合反应期间提供直接的电信号，以实现S. mutans的原位即时检测。此外，该传感器不含任何抗体或其它蛋白质等易失活物质，消除了传感器因长期使用而带来的信号下降风险。该传感器成功应用于真实唾液检测，突出了其在临床防龋和个性化口腔健康监测方面的巨大潜力。

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