来源：A bacteriophage-functionalized parylene interface for rapid and direct real-time capacitive detection of Escherichia coli（Biosensors and Bioelectronics）| 编译：DNA Lab Space | 原文许可：elsevier-subscription
导读
食源性致病菌的快速筛查长期受制于培养法耗时、标记法繁琐。本研究用紫外激光在覆铜玻璃上直写叉指电极，再以化学气相沉积单层聚对二甲苯H同时充当介电绝缘层与噬菌体固定化反应界面，构建了免裂解、免标记、免试剂的电容型大肠杆菌传感器。检测限40 CFU/mL，线性范围8×10²–8×10⁶ CFU/mL，全程40分钟完成，果汁加标回收率91.5%–105.8%。
研究背景
食源性疾病仍是全球公共卫生的主要负担，致病菌是污染与暴发的主要源头。这些微生物可在食物供应链的多个环节侵入，造成重症、住院，并通过污染产品进一步传播。传统培养法准确性高，却耗时耗力，难以支撑快速筛查与现场监测。因此，快速、灵敏、可靠的致病菌检测方法对食品安全、疾病预防和公共卫生防护不可或缺。
生物传感平台因具备快速、灵敏的分析能力，且适配便携化、现场化与实时监测需求，在细菌检测领域受到广泛关注。在各类生物识别元件中，噬菌体因特异性高、结合亲和力强、稳定性好而尤具吸引力。这类病毒通过表面受体结合蛋白识别宿主受体，感染特定细菌，从而实现对特定菌种或菌株的选择性检测。噬菌体还能在较宽的pH与温度范围内保持稳定，并可通过简单的细菌培养经济地制备。
研究方法
2.1 试剂与样品
磷酸氢二钠、磷酸二氢钾、氯化钠、氯化钾和乙醇购自Nacalai Tesque公司（日本京都）。甘氨酸购自Sigma-Aldrich（美国密苏里州圣路易斯）。覆铜玻璃（30 mm × 9 mm × 1 mm，铜镀层厚度2.5 μm）由财团法人自强科学基金会（台湾新竹）定制。聚对二甲苯H二聚体购自RDD Lab公司（台湾新北）。大肠杆菌噬菌体C-a（GenBank PV979949；An等，2025）以大肠杆菌BCRC 13055为宿主菌株扩增，连同大肠杆菌菌株BCRC 13055、11509、14824、15374和15518，肠道沙门氏菌BCRC 15576，以及金黄色葡萄球菌BCRC 13077，均由生物资源保存与研究中心（BCRC；台湾新竹）提供。商品果汁购自台湾台北当地超市。所有化学试剂均为分析纯，未经进一步纯化直接使用。全程实验所用超纯水（电阻率 > 18.2 MΩ cm）由ROF-50S超纯水净化系统（Pure Yes公司，台湾新北）制备。
【数据】试剂来源：Nacalai Tesque、Sigma-Aldrich；覆铜玻璃尺寸：30 mm × 9 mm × 1 mm；铜镀层厚度：2.5 μm；超纯水电阻率：> 18.2 MΩ cm；噬菌体宿主菌：E. coli BCRC 13055；噬菌体滴度：原文未详述
2.2 叉指电极的制备与表征
叉指电极（IDE）通过紫外激光烧蚀在覆铜玻璃基底上制备，激光功率1.2 W、脉冲频率200 kHz、扫描速率2000 mm/s（RX-355-3，Photonics Industries International公司，美国纽约州纽约市）。IDE图案（图S1a）包含10对指（20根指），每根指宽100 μm、间距100 μm。A区和B区作为仪器连接的导电区域。图案经成像后，用金相显微镜（ZoomKop HM-3200，Leader Scientific，台湾新北）测量指宽与间距。表面形貌用表面轮廓仪（Surfcorder ET3000，Kosaka Laboratory，日本东京）表征。
【数据】激光功率：1.2 W；脉冲频率：200 kHz；扫描速率：2000 mm/s；指对数：10对（20根）；指宽设计值：100 μm；间距设计值：100 μm；铜层厚度：2.5 μm
2.3 聚对二甲苯H的沉积与表征
聚对二甲苯H采用自建化学气相沉积（CVD）聚合系统沉积（Chen等，2013）。简述如下：0.3 g聚对二甲苯H二聚体在90–120°C、减压（0.07–0.08 Torr）条件下升华，由氩气（10 cm³/min）载入维持于670°C的裂解区。活化单体进入沉积腔（5°C），在IDE上自发聚合。膜厚由表面轮廓仪测定。醛基的存在（指示表面反应活性）由傅里叶变换红外光谱确认（IRAffinity-1S，Shimadzu，日本京都）。为评估涂层绝缘质量，用双面胶（3M 9495LE，美国明尼苏达州圣保罗）将含椭圆柱形腔（6.5 mm × 5 mm × 4 mm）的亚克力块（10.5 mm × 9 mm × 4 mm）贴合于传感区，胶带开有匹配的椭圆开口（6.5 mm × 5 mm）（图S1b）。该腔体作为受限液体储池，用于绝缘测试及后续液相测量。加入80 μL PBS（0.1 M，pH 7.4）后，将IDE导电区连接LCR表（LCR-6300，GW Instek，台湾台北）。在0.5 V、100 kHz下记录电容与损耗因子（D值）10 min；取最后3 min数据平均用于统计分析。
【数据】二聚体用量：0.3 g；升华温度：90–120°C；升华压力：0.07–0.08 Torr；氩气流量：10 cm³/min；裂解温度：670°C；沉积腔温度：5°C；腔体尺寸：6.5 mm × 5 mm × 4 mm；PBS：0.1 M，pH 7.4，80 μL；测量电压：0.5 V；频率：100 kHz；记录时间：10 min；统计取段：最后3 min
2.4 噬菌体固定化与表征
取100 μL噬菌体储液（4 × 10⁹ PFU/mL）加入传感腔，室温孵育2 h。随后用PBS冲洗腔体以去除未结合噬菌体。接着加入100 μL 1 M甘氨酸溶液，室温孵育1 h以钝化残余醛基。甘氨酸处理后，用PBS彻底冲洗腔体再行使用。噬菌体在电极表面的成功固定由原子力显微镜（AFM）验证，使用MultiMode 8系统（Bruker，美国马萨诸塞州比勒里卡）。通过比较固定前后获取的图像评估噬菌体附着引起的表面形貌变化。
【数据】噬菌体储液：100 μL，4 × 10⁹ PFU/mL；固定温度：室温；固定时间：2 h；甘氨酸浓度：1 M；甘氨酸体积：100 μL；钝化温度：室温；钝化时间：1 h
2.5 Bode相位角图分析
后续电容检测的最佳工作频率范围由Bode图中的相位角确定。简述如下：向已固定噬菌体的IDE传感腔中加入80 μL PBS与20 μL大肠杆菌悬液，使终浓度为8 × 10⁶ CFU/mL，室温孵育20 min。PBS冲洗后，使用配备FRA2频响分析仪的Autolab PGSTAT-30电化学工作站（Eco Chemie B.V.，荷兰乌得勒支）进行电化学阻抗谱（EIS）测量。测量采用三电极配置，两组IDE指组分别作为工作电极与对电极，外置Ag/AgCl电极作为参比电极。施加0.5 V直流偏压与0.01 V交流振幅，频率范围100 kHz至1 Hz。
【数据】PBS体积：80 μL；菌悬液体积：20 μL；终浓度：8 × 10⁶ CFU/mL；孵育温度：室温；孵育时间：20 min；直流偏压：0.5 V；交流振幅：0.01 V；频率范围：100 kHz–1 Hz
2.6 大肠杆菌的电容检测
采用三阶段流程在室温下对大肠杆菌进行电容检测。阶段1：向已固定噬菌体的IDE传感腔中加入80 μL PBS，用LCR表在0.5 V、100 kHz下记录基线电容10 min。阶段2：暂停测量，加入20 μL大肠杆菌悬液，继续孵育20 min以实现特异性噬菌体-细菌相互作用。阶段3：冲洗传感区去除未结合细菌，重新注入100 μL PBS，再行10 min电容测量。分别取阶段1与阶段3最后3 min的平均电容作为细菌结合前后的稳态电容。两者差值即为电容变化（ΔC），用于构建校准曲线。每次测定所用细菌悬液浓度在全文统一报告为加样后在传感腔中的终浓度。
【数据】PBS体积：80 μL；菌悬液体积：20 μL；基线记录时间：10 min；孵育时间：20 min；重悬PBS体积：100 μL；阶段3测量时间：10 min；统计取段：最后3 min；电压：0.5 V；频率：100 kHz
2.7 实际样品中大肠杆菌的分析
为评估食品基质效应，选用市售无菌包装橙汁与苹果汁作为代表性实际样品。果汁经大肠杆菌悬液加标后，取20 μL加标样品与80 μL PBS在传感腔中混合，使终浓度分别为8 × 10³与8 × 10⁶ CFU/mL。样品按上述三阶段流程分析。
【数据】样品：市售无菌包装橙汁、苹果汁；加标样品体积：20 μL；PBS体积：80 μL；终浓度：8 × 10³与8 × 10⁶ CFU/mL
研究结果
3.1 叉指电极的表征
紫外激光烧蚀制备的IDE如图S2a所示。激光实现了铜层的快速图案化，电极指轮廓清晰，无需额外后处理。在优化条件下，在玻璃基底上制备2.5 μm铜层的IDE耗时670 s。如图S2b所示，图像分析得平均指宽95.3 ± 2.21 μm、指间距108.85 ± 3.79 μm，相对设计的100 μm尺寸分别偏差−4.7%与+8.85%。鉴于大肠杆菌细胞通常长1–2 μm、直径0.5–1 μm（Guzmán等，2023），实测指间距远大于细菌尺寸，为噬菌体功能化与细菌捕获提供了几何空间。IDE表面轮廓如图1（黑色曲线）所示。铜指保留了原始镀铜的表面轮廓，同时观察到约2.5 μm的台阶高度，与铜层厚度一致。指两侧还可见轻微粗糙度与浅坑，可能源于激光加工过程中对玻璃基底的轻微烧蚀。尽管这些轮廓提供了制备电极形貌的定性信息，但未测定定量表面粗糙度参数。因此，本研究未确立表面粗糙度对细菌捕获或电容传感性能的影响。
【数据】IDE制备耗时：670 s；铜层厚度：2.5 μm；平均指宽：95.3 ± 2.21 μm；指宽偏差：−4.7%；平均指间距：108.85 ± 3.79 μm；间距偏差：+8.85%；设计尺寸：100 μm；台阶高度：约2.5 μm；细菌尺寸：长1–2 μm、直径0.5–1 μm；表面粗糙度参数：原文未详述
3.2 聚对二甲苯H涂层的表征
为评估聚对二甲苯H沉积是否改变电极形貌，进行了表面轮廓测定。如图1蓝色曲线所示，涂层保留了IDE结构，无明显间隙填充或结构清晰度损失，维持了电容传感所需的电极间几何构型——在该构型中，分析物进入电极间区域扰动局部介电环境并产生可测信号。与先前报道的丝网印刷碳电极不同——后者因碳墨表面粗糙而呈现约15–20 μm的表面高度波动，常需聚对二甲苯双层设计以实现可靠绝缘（Tsai等，2024）——自制IDE可能提供一种兼容单层聚对二甲苯H涂层的替代电极架构。FT-IR分析进一步确认了聚对二甲苯H表面存在噬菌体固定化所需的醛基。如图2蓝色曲线所示，1680–1700与2650–2880 cm⁻¹处的特征谱带分别对应醛基的C=O与C–H伸缩振动，验证了聚对二甲苯H涂层在沉积后保留了反应性醛基官能团。该官能团使生物识别元件可在单一材料层内直接偶联，无需额外表面活化步骤，简化了传感器制备。聚对二甲苯H厚度、电容与D值随沉积时间的变化如图3所示。随着沉积时间从0.5 h增至3 h，膜厚从86.9 ± 13.0 nm增至617.2 ± 68.4 nm，电容则从1032.2 ± 250.4 pF降至149.98 ± 7.08 pF，符合平行板关系C = ε₀×εᵣ×A/d，其中ε₀为真空介电常数，εᵣ为绝缘材料介电常数，A为有效重叠电极面积，d为介电厚度（Chen和Hsieh，2026）。D值亦随膜厚增加而下降；2 h与3 h膜D值均低于0.15，表明绝缘有效且厚度不过量。同时，平均电容的相对标准偏差（RSD）保持在5%以下，反映后续大肠杆菌检测的基线稳定。这些结果支持单层聚对二甲苯策略的可行性，表明优化后的聚对二甲苯H膜无需额外层即可提供足够的介电绝缘。据此，选用2 h膜作为最优绝缘层，其在PBS中厚度为464.7 ± 37.0 nm、电容为212.27 ± 9.70 pF（N = 5个独立电极；RSD = 4.57%），表明良好的电极间重现性。总体而言，单层聚对二甲苯H涂层提供了有效绝缘与稳定电容性能，支持无需额外介电层的简化电极设计。
【数据】沉积时间范围：0.5–3 h；膜厚范围：86.9 ± 13.0 nm至617.2 ± 68.4 nm；电容范围：1032.2 ± 250.4 pF至149.98 ± 7.08 pF；D值（2 h、3 h膜）：< 0.15；电容RSD：< 5%；最优膜沉积时间：2 h；最优膜厚：464.7 ± 37.0 nm；最优膜电容：212.27 ± 9.70 pF；独立电极数：N = 5；RSD：4.57%；FT-IR谱带：1680–1700 cm⁻¹、2650–2880 cm⁻¹；碳电极表面高度波动：约15–20 μm
3.3 噬菌体固定化的表征
图4a为聚对二甲苯H涂层IDE的AFM图像，表面光滑、无明显特征。噬菌体固定化后，观察到大量直径约100 nm的纳米级白色圆形结构（红圈，图4b）。这些尺寸与已报道的噬菌体衣壳尺寸——长约115 nm、宽约85 nm（Yap和Rossmann，2014）——高度吻合，支持其归属为固定的噬菌体衣壳。它们的存在证明醛基功能化聚对二甲苯H表面的高反应活性，确认了高效固定化，为后续大肠杆菌捕获与电容传感建立了功能界面。
【数据】固定化结构直径：约100 nm；文献噬菌体衣壳尺寸：长115 nm、宽85 nm；AFM仪器：MultiMode 8（Bruker）
3.4 Bode相位角图
Bode图中的相位角反映系统的主导电学行为：接近−90°的数值指示以电容行为为主，接近0°则指示更偏电阻性响应（Laschuk等，2021）。如图S3所示，10 kHz以上高频区相位角明显更接近−90°，表明在大肠杆菌结合状态下传感器响应主要受电容效应支配。据此，选取10 kHz、50 kHz与100 kHz用于后续电容测量。
【数据】高频区：> 10 kHz；相位角：接近−90°；选定频率：10 kHz、50 kHz、100 kHz
3.5 大肠杆菌的电容检测
噬菌体功能化聚对二甲苯界面通过直接监测界面介电变化，实现大肠杆菌快速、免标记、免试剂、实时的电容检测。与依赖裂解或基于标记的策略不同，该方法省去额外处理步骤，同时通过噬菌体-宿主内在相互作用保持高特异性。典型三阶段电容响应如图5所示。阶段1中，固定噬菌体的IDE在PBS中的电容为205.82 ± 7.19 pF（N = 5个独立电极），低于聚对二甲苯涂层IDE的212.27 ± 9.70 pF，表明噬菌体固定与甘氨酸封闭增加了有效介电厚度。阶段2中，特异性噬菌体-大肠杆菌结合使电容逐渐下降，与理论模型一致。阶段3中，洗涤去除未结合细胞，有效介电厚度略降，引起电容小幅回升。跨阶段的连续电容演变展示了对细菌捕获与界面相互作用的实时监测。全过程在40 min内完成，显著短于传统依赖裂解的方法，强化了所提平台的快速检测能力。图6展示了10、50、100 kHz下传感腔中大肠杆菌浓度8 × 10²至8 × 10⁶ CFU/mL的电容响应。在所有频率下，ΔC与大肠杆菌浓度的对数呈强线性相关，证明在宽动态范围内具备稳健的定量能力。频率从10 kHz升至100 kHz，降低了容抗与交流场周期，限制了界面电荷积累、膜极化与ΔC。尽管较高频率下信号幅度下降，100 kHz在低浓度下给出最高R²值与最小偏差，表明其线性度与检测分辨率更优。因此，
【数据】阶段1电容（固定噬菌体）：205.82 ± 7.19 pF；聚对二甲苯涂层IDE电容：212.27 ± 9.70 pF；独立电极数：N = 5；线性范围：8 × 10²–8 × 10⁶ CFU/mL；检测频率：10 kHz、50 kHz、100 kHz；全过程时间：40 min；ΔC与浓度对数：强线性相关；最优频率：100 kHz（最高R²、低浓度偏差最小）
讨论与解读
本研究构建了噬菌体功能化聚对二甲苯H界面的电容型大肠杆菌传感器。紫外激光烧蚀叉指电极使单层超薄聚对二甲苯H同时充当高质量介电绝缘层与噬菌体直接固定化的反应平台。传感器实测检测限40 CFU/mL（S/N > 3），对四株非目标大肠杆菌、肠道沙门氏菌与金黄色葡萄球菌具高选择性，交叉反应极小，并在商品果汁中表现稳健。完整三阶段检测仅需40 min。该工作展示了聚对二甲苯H在电容生物传感中的双重功能，相较需细胞裂解或额外试剂的传统噬菌体检测简化了流程。其紧凑便携的设计使平台有望用于食源性致病菌的现场实时检测，并具进一步微型化与多目标同时检测的潜力。未来工作将聚焦于提升长期储存稳定性、评估传感器可重复使用性、测试更复杂的真实基质、通过紫外激光烧蚀将指间距降至100 μm以下以增强灵敏度，以及将平台拓展至其他细菌靶标。
编译者解读：该研究的巧妙之处在于用一层CVD聚对二甲苯H同时解决绝缘与生物功能化两个问题，把传统电容传感器"介电层+活化层+固定层"的多层堆叠压缩为单层，配合激光直写电极，工艺链极短。40分钟、免裂解、免标记的指标在食品安全现场筛查场景中具备实用吸引力。局限也清晰：指间距仍为百微米级、灵敏度提升依赖后续激光工艺优化；长期储存与复用性未验证；真实基质仅覆盖两种果汁。对合成生物学而言，其价值在于提供了一种可移植的"噬菌体-聚合物"界面范式，便于替换识别元件拓展靶标谱。
参考来源
期刊：Biosensors and Bioelectronics, 2027
DOI: 10.1016/j.bios.2026.119431
DOI: 10.1016/j.bios.2026.119431