《食品科学》：沈阳农业大学许童羽教授、王敬依博士等：基于微流控芯片的鼠伤寒沙门氏菌免疫磁分离

沙门氏菌（Salmonella）是常见的食源性致病菌之一，属于肠杆菌科，菌体宽度为0.6～0.9 μm、长度为1～3 μm，能够在20 ℃以上的环境中快速繁殖。沙门氏菌具有致病性的根本原因源于其多种毒力因子的相互作用，如质粒毒力因子、菌毛毒力因子、鞭毛毒力因子和肠毒素毒力因子等，轻微感染者可能表现为恶心、呕吐和腹泻等症状，而重症患者可能表现为急性肠胃炎、败血症甚至死亡。

免疫磁分离（IMS）技术作为一种理想的样品前处理技术，能够迅速地从食品基质中选择性富集目标细菌。IMS的原理是在磁性纳米粒子上偶联功能分子（抗体和适配体等），使其与抗原发生特异性结合，并在外加磁场的作用下实现目标细菌的分离与富集。尽管IMS方法在对目标细菌的快速富集方面具有高效性，但其繁琐的操作步骤（如冲洗、离心、洗涤、孵育、磁分离等）容易造成目标细菌的损耗或丢失。微流控技术具有检测速度快、试剂消耗少及成本低等特点，已成为食源性致病菌现场快速检测的理想平台。

沈阳农业大学信息与电气工程学院的金彦、王敬依*、许童羽*等提出一种基于微流控芯片的鼠伤寒沙门氏菌IMS检测方法，该IMS微流控系统具备电磁驱动混合和磁分离功能，能够实现免疫磁珠与鼠伤寒沙门氏菌的快速混合孵育、分离与富集。系统示意图如图1所示，通过注射泵将免疫磁珠和鼠伤寒沙门氏菌样品同时注入微流控芯片中，直至充满整个混合室；位于混合室上下两侧的电磁铁交替通电，免疫磁珠在变化磁场的作用下定向移动，以捕获鼠伤寒沙门氏菌；待捕获完成后，混合室两侧的电磁铁同时通电，将免疫磁珠-鼠伤寒沙门氏菌复合物牢牢吸附在混合室内壁，随后将多余废液排出芯片，并收集、计数；最后，将电磁铁全部断电，用磷酸盐吐温缓冲液（PBST）冲洗芯片，回收免疫磁珠-鼠伤寒沙门氏菌复合物。该系统旨在为食源性致病菌的现场快速检测提供有效的解决方案。

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免疫磁珠的反应条件优化结果

如图3A所示，100 nm免疫磁珠的捕获率最高，达到88.1%，而1 000 nm免疫磁珠的捕获率最低，仅为63.5%，原因在于纳米级免疫磁珠与微米级免疫磁珠相比具有更大的比表面积，能够更有效地固定捕获抗体，因此纳米级免疫磁珠的捕获效果最佳。如图3B所示，随着免疫磁珠用量的逐渐增多，捕获率呈明显上升趋势，随后逐渐趋于平缓。对于1 mL PBST反应体系，免疫磁珠用量为400 µg时，具有最高捕获率，高达89.3%；当免疫磁珠用量为200 µg时，捕获率为88.0%。基于检测成本考虑，选择200 µg为免疫磁珠的最佳用量。如图3C所示，随着捕获时间的延长，捕获率逐渐升高随后趋于平缓。当捕获时间为45 min时，捕获率为88.6%，与60 min的测试结果基本一致。在综合考虑免疫磁珠的捕获时间、成本及捕获率等因素后，确定免疫磁珠的最佳反应条件为：100 nm免疫磁珠（Q-0174305），磁珠用量为200 µg，捕获时间为45 min。

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常规IMS方法的灵敏度和特异性

如图4A所示，该方法对2×101～2×106 CFU/mL浓度菌液的捕获率相对稳定，均保持在84.4%以上。然而，对于高浓度菌液（2×107 CFU/mL），捕获率较低，原因在于免疫磁珠已达到饱和状态，无法再捕获更多的鼠伤寒沙门氏菌。

如图4B所示，该方法对只含有鼠伤寒沙门氏菌样品的捕获率高达89.8%，同时在混有多种细菌的样品中也能高效富集鼠伤寒沙门氏菌，捕获率为76.7%。对于蜡样芽孢杆菌、副溶血性弧菌和大肠杆菌O157:H7，捕获率均低于10.0%，这是因为样品中的非目标细菌通过范德华力或静电作用与免疫磁珠非特异性结合，造成对非目标细菌的少量捕获。研究结果表明，常规IMS方法能够高效富集样品中的鼠伤寒沙门氏菌，具有良好的特异性。

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电磁驱动混合器的混合效率评估

首先，对电磁驱动混合器的电磁驱动混合和磁分离能力进行仿真验证。在电磁驱动混合过程中，电磁铁通电-断电周期设为30 s（每次通电15 s、断电15 s），2 个电磁铁始终保持交替通电状态，电磁铁工作时长为10 min；在磁分离过程中，2 个电磁铁始终保持通电状态，电磁铁工作时长为4 min。将电磁铁与混合室接触面积设为50%，以提高免疫磁珠在混合室内横向和纵向的移动距离。电磁铁线圈匝数和工作电压分别设为1 000和12 V，磁珠直径设为100 nm。在混合室内，免疫磁珠所受力主要包括磁场力、黏滞阻力、自身重力、浮力等，其中发挥主要作用的是磁场力和黏滞阻力。忽略免疫磁珠的加速项，根据牛顿第二定律得到式（2）：

式中：FM和FVR分别为磁场力/N和黏滞阻力/N。

将免疫磁珠近似看作球状，黏滞阻力表达式如式（3）所示：

式中：τ为动力黏度/（N·s/m2）；r为免疫磁珠半径/m；u为流体速率/（m/s）；v为免疫磁珠速率/（m/s）。

采用麦克斯韦方程组描述外加磁场的磁场强度，得到表达式如式（4）所示：

式中：μ为磁导率；VIM和χIM分别为磁珠的体积和磁化系数。

通过COMSOL Multiphysics软件对磁场-流场-浓度场进行多物理场耦合仿真，并使用流体流动颗粒追踪模块模拟免疫磁珠的运动轨迹。在电磁驱动混合过程中，磁场强度变化及磁珠的运动轨迹如图5A、B所示，驱动磁场的磁力线能够覆盖整个混合室，其内部磁通密度范围为0.01～0.07 T。多数磁珠可以在15 s以内完成定向移动，其运动轨迹基本覆盖整个混合室，表明驱动磁场可以将磁珠精确移动至混合室内的各个位置，实现对鼠伤寒沙门氏菌的高效捕获。在磁分离过程中，磁场强度变化及磁珠的运动轨迹如图5C、D所示，混合室内的平均磁通密度约为0.03 T。当电磁铁持续通电2 min后，仅有少量磁珠未被吸附在混合室内壁。而在持续通电3 min后，所有磁珠均已被牢牢吸附在混合室内壁表面。仿真结果表明，电磁驱动混合器对磁珠展现了良好的驱动控制能力，能够在混合室内完成对目标细菌的捕获和分离过程。

电磁驱动混合器的仿真结果如图6A所示，免疫磁珠的持续移动增强了液体之间的对流效应，加速了2 种溶液的混合过程，混合效率达到100%。为了进一步验证电磁驱动混合器的混合性能，将蓝色和红色染料溶液以相同的流速（0.1 mL/s）同时注入混合室，使用相机拍摄混合前后的混合室图像，并通过ImageJ软件对图像的灰度值进行分析。如图6B所示，在混合之前，2 种染料溶液之间存在一条清晰的分界线，蓝色和红色染料对应的灰度值分别约为110和70。而在电磁驱动混合器工作600 s后，采集到的混合室图像灰度值约为90左右，说明该混合器具有良好的混合效率，能够有效驱动免疫磁珠定向移动以捕获鼠伤寒沙门氏菌。相比2.1节常规IMS方法的捕获时间45 min，电磁驱动混合器能够快速实现免疫磁珠与鼠伤寒沙门氏菌的混合孵育过程。因此，以理论仿真与混合实验结果为依据，设定电磁驱动免疫磁珠捕获鼠伤寒沙门氏菌的时间为10 min。

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IMS微流控系统的磁场条件优化

为确定IMS微流控系统的最佳检测条件，对驱动磁场强度和磁分离时间进行优化实验。如图7A所示，当电磁铁的工作电压在6～9 V时，驱动磁场对免疫磁珠的控制效果相对较差，鼠伤寒沙门氏菌与免疫磁珠的混合效果变差，从而导致捕获率较低。然而，当电磁铁的工作电压增加至12 V时，系统表现出最佳的捕获效果，捕获率为82.3%。如图7B所示，当磁分离时间设定为3 min或4 min时，系统对免疫磁珠-鼠伤寒沙门氏菌的分离回收效果最佳，捕获率均在83.1%以上。基于上述结果，IMS微流控系统的最佳检测条件设置为：电磁铁工作电压12 V，磁分离时间3 min。

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IMS微流控系统的性能评估

如图8A所示，对于PBST样品的检测，系统对鼠伤寒沙门氏菌（浓度为2×101～2×107 CFU/mL）的捕获率为38.6%～83.0%，而对牛奶样品的捕获率为20.3%～67.5%，捕获率出现一定程度的下降。如图8B所示，系统能够快速地对不同基质中的鼠伤寒沙门氏菌进行高效富集，对PBST和牛奶样品中的鼠伤寒沙门氏菌（浓度为2×104 CFU/mL）的捕获率分别为80.1%和60.0%；对于混有多种细菌的PBST和牛奶样品，系统对鼠伤寒沙门氏菌的捕获率分别为62.6%和45.0%。研究结果表明，本研究提出的IMS微流控系统能够有效地从牛奶样品中快速富集鼠伤寒沙门氏菌，捕获率为20.3%～67.5%，较PBST样品的捕获效果相比下降约20%，造成此现象的原因是牛奶基质中存在的蛋白质、脂肪、碳水化合物等成分影响了免疫磁珠对鼠伤寒沙门氏菌的捕获效果，针对此现象，可以通过延长电磁驱动混合时间以进一步提高系统的捕获效果。

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食源性致病菌的污染与传播可能发生在食品供应链的各环节中，因此及时监测和识别污染源对确保食品供应链的安全至关重要。在全球范围内，每年有将近1/10的人口受到食源性疾病的威胁，其中由沙门氏菌引起的食物中毒事件更是频繁发生。因此，本研究研发了一种IMS微流控系统，用于从复杂食品样品中快速检测鼠伤寒沙门氏菌。与表1列举的其他IMS方法相比，本研究提出的检测系统对牛奶样品中的鼠伤寒沙门氏菌捕获率在20.3%～67.5%范围内，最低检测限为20 CFU/mL，此结果与现有的IMS装置基本一致。与传统的IMS方法相比，本系统通过延长电磁驱动混合时间，进一步提高了对目标细菌的富集效果，检测用时缩短近70%。另外，该系统能够与PCR、重组酶聚合酶扩增及环介导等温扩增等方法结合，实现对鼠伤寒沙门氏菌的快速检测。然而，此系统仍存在一些不足，如不能对大体积样品中的目标细菌进行连续富集及依赖注射泵注入试剂。未来的研究方向将聚焦于大体积食品样品的检测，朝着IMS检测系统微型化和自动化方向进行深入研究。

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结 论

本研究开展了基于微流控芯片的鼠伤寒沙门氏菌IMS检测技术研究，所开发的IMS微流控系统由微流控芯片、微控制器、电磁分离与混合模块组成，具备电磁驱动混合和磁分离功能，能够实现13 min内完成免疫磁珠与鼠伤寒沙门氏菌的快速混合孵育、分离与富集，从而提高鼠伤寒沙门氏菌的检测效率。通过免疫磁珠粒径、用量、捕获时间条件的优化实验，本研究在最优条件下可以实现牛奶样品中浓度范围2×101～2×106 CFU/mL的鼠伤寒沙门氏菌快速捕获与分离，捕获率在33.3%～67.5%之间，最低检测限为20 CFU/mL，且具有良好的灵敏度和特异性。因此，本研究提出的基于微流控芯片的鼠伤寒沙门氏菌IMS检测方法能够实现复杂食品基质中目标细菌的迅速、准确富集，为食源性致病菌的快速检测提供有效的解决方案，也为后续食品中食源性致病菌的快速检测提供一定参考。

本文《基于微流控芯片的鼠伤寒沙门氏菌免疫磁分离》来源于《食品科学》2025年46卷第1期200-209页，作者：金彦，王敬依，程佳宁，于乐民，张壁臣，张一博，许童羽。DOI:10.7506/spkx1002-6630-20240110-099。点击下方阅读原文即可查看文章相关信息。

实习编辑：李雄；责任编辑：张睿梅。点击下方阅读原文即可查看全文。图片来源于文章原文及摄图网

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