综述：电化学传感器开发用于细菌检测与监测：最新进展与未来方向

《Bacteria》：Electrochemical Sensors Development for Bacterial Detection and Surveillance: Recent Advances and Future Directions Baljit Singh and Kamna Ravi

　　

在当今环境下，快速、可靠且准确的细菌检测对于保护公共卫生，同时保障食品、水资源及农业与环境系统的安全至关重要。近年来，电化学传感器因其响应速度快、灵敏度与选择性高、适配性强、便携性好以及制造成本低等优势，已成为极具潜力的技术方案，并被广泛应用于医疗保健与诊断、食品安全与农业、水质与环境监测等多个领域。尽管这些成果代表了巨大进步，但在稳定性、批次间重现性、可制造性、性能可靠性，以及面向真实样本细菌分析的点对点(POC)实施缺失等方面仍存在亟待突破的挑战。展望未来，随着研究人员在耐久性、标准化和可制造性方面的持续投入，电化学细菌传感器有望成为推动各领域高效细菌诊断发展的核心力量。本综述系统梳理了现代电化学传感技术的重大进展，涵盖但不限于：电化学传感器与生物传感器的表面修饰、纳米材料应用、人工智能(AI)与机器学习(ML)的集成，以及可穿戴系统的兴起在细菌检测与监测中的应用，并进一步探讨了其在上述领域的实际部署情况。通过持续集成与深度应用这些先进的电化学传感器，全球安全保障与公众健康福祉将得到显著提升。

1. 引言

细菌污染是影响人类与环境健康的全球性挑战，也是实现监管、监测与维护等领域可持续发展的核心障碍。医疗、农业、食品及环境系统中致病菌与机会性细菌的检出率不断上升，是导致传染病发病率快速增长的主要原因之一，例如大肠杆菌(Escherichia coli)、沙门氏菌属(Salmonella species)、铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)、金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)、单核细胞增生李斯特菌(Listeria monocytogenes)及弧菌属(Vibrio spp.)等，可引发从轻微胃肠道疾病到肺炎、脑膜炎、败血症及中毒性休克综合征等严重疾病。细菌形成生物膜及表达抗菌耐药性(AMR)的能力，进一步增加了细菌感染防控与管理的复杂度。细菌污染的扩散受社会、环境及技术等多重因素影响，抗生素在医疗与农业实践中的滥用催生了AMR，而人口高速增长与城市化进程则给卫生基础设施带来了巨大压力，尤其是在大都市地区。此外，全球化与食品供应链的发展，使得食品在生产、加工、储存及运输环节暴露于不同环境与操作条件下的风险显著增加。农业场景中化肥等化学品的过量使用可能促进细菌增殖，地表水、地下水及原水系统等未经处理的水源仍是细菌生长的重要介质，在缺乏完善过滤与水处理设施的地区尤为突出。温度波动、降水变化、有机物积累及自然灾害等环境因素亦会助长细菌的存活与传播，进而提升污染风险并加剧产品质量管控难度。

传统细菌检测方法如培养法、酶联免疫吸附试验(ELISA)及聚合酶链式反应(PCR)虽在灵敏度与特异性上被视为“金标准”，但培养法因需数小时至数天的孵育周期，易导致污染事件响应滞后。荧光检测、吸光度检测等光学传感技术及拉曼光谱虽在快速响应与无标记检测方面表现出潜力，但普遍存在运行成本高、易受环境干扰及依赖专用设备等缺陷。PCR类分子检测虽可实现低浓度病原体的精准识别，却面临样品前处理复杂、防污染要求严苛及成本较高等问题。免疫测定法虽凭借高灵敏度在病原体检测中占据一席之地，但其多步操作的劳动强度大、非特异性结合效应显著，严重制约了其在即时检测(POC)场景中的部署。相比之下，电化学传感技术因操作简单、信号转导高效、适用性强，近年成为POC细菌检测的热门方向。材料科学、纳米技术、表面科学与生物功能化领域的突破，显著提升了电化学传感器的性能；微流控、芯片实验室、物联网(IoT)、人工智能(AI)、机器学习(ML)、地理信息系统(GIS)与无线通信技术的融合，进一步拓展了其在细菌检测中的功能边界。然而，该技术在可制造性、稳定性与实际应用层面的问题尚未完全解决，未来需通过监管优化、资金投入与跨学科协作，推动实验室成果向实际应用转化。从转化视角看，电化学传感技术的发展必须兼顾法规合规、数据完整性、可持续性与系统集成，其从原型走向普及型POC技术的路径，需严格遵循安全规范与验证流程，并汇聚材料科学、工程学、医学、微生物学与数据科学等多领域专家的智慧，以确保技术既具备可行性又契合临床与应用需求。此外，可持续性正成为传感器开发的核心考量，包括规模化制造效率、资源节约型材料使用、传感器复用性及环境友好性。研究人员正通过抗体、适体与酶等生物识别分子的修饰提升传感器特异性，同时也探索无生物受体电化学传感器，以降低制造成本、简化生产流程并增强可持续性。本综述系统总结并评估了电化学传感器在各领域细菌检测与监测中的最新改良与应用，及其对全球健康与可持续发展的整体影响。

2. 前沿电化学传感器

电化学传感器通常依据识别元件或电分析转导技术进行分类。按生物受体类型可分为酶基、抗体基（免疫传感器）、DNA或RNA基（基因传感器）、全细胞及噬菌体基传感器，各类别在选择性、稳健性及目标分析物适配性上各具优势，可针对完整细菌细胞、核酸或代谢产物开展检测。按转导机制则主要包括安培法、伏安法、电位法、阻抗法与电容法。安培法与伏安法是分析恒定电位下细菌活性或代谢产物的常用方法，其中循环伏安法(CV)、线性扫描伏安法(LSV)、差分脉冲伏安法(DPV)与方波伏安法(SWV)主要用于研究细菌代谢、氧化还原活性标记物或报告分子相关的氧化还原过程，DPV与SWV因能有效降低背景电流，在灵敏度与检测限上表现尤为突出。

电化学阻抗谱(EIS)已成为细菌传感领域应用最广泛的方法之一，其作为一种高灵敏度无标记技术，可通过电荷转移电阻与界面电容的变化，检测电极表面的细菌黏附、生物膜形成或生物识别事件，实现实时监测，且具备非破坏性、兼容复杂样本的特性，适用于临床诊断、食品安全与AMR评估。光电化学(PEC)生物传感器则是传统电化学技术的重要补充，其利用光激发半导体产生光电流，实现了激发信号（光）与检测信号（电流）在时间与空间上的分离，大幅降低了噪声信号，可实现超灵敏细菌检测，且复杂基质背景噪声低、激发源可控性强，提升了选择性与重现性。基于电容的电化学技术同样可用于细菌检测与实时代谢评估，体现了电化学平台的灵活性，但其仅依赖电极界面电学特性，更易受非特异性结合与环境波动的影响。

高选择性生物识别元件的应用是电化学诊断的重要进展。抗体因亲和力与特异性高仍最为常用，但适体因化学稳定性强、重现性好、易修饰且耐恶劣环境，正逐渐受到青睐。噬菌体及其衍生蛋白因能精准识别复杂混合物中的活细菌，选择性无可比拟。酶与核酸工具则在细菌代谢产物、毒力因子及耐药基因检测中发挥关键作用，助力快速病原体鉴定与抗菌药物敏感性测试。研究人员还聚焦于可重复使用的传感探针开发，通过优化固定化化学与抗污表面修饰，提升操作稳定性、多重检测能力与重现性。过去十年，纳米材料的应用是电化学细菌传感最重要的突破之一，金/银纳米颗粒、碳纳米管、石墨烯及其衍生物、量子点、金属有机框架(MOFs)与导电聚合物等，通过增大有效电极表面积、加速电子转移速率、优化生物分子固定环境，显著提升了传感器性能；多种成分复合的杂化纳米材料更可产生协同效应，实现更高灵敏度与更低检测限，满足临床与环境诊断需求。此外，纳米材料架构推动了超灵敏、低功耗、高度微型化传感器的发展，使其更易适配POC与现场部署场景。

无标记电化学传感因无需二级标记或酶促扩增步骤，简化了检测流程并降低成本，可直接将细菌结合或活性转化为电信号，提升了检测速度与准确性。结合光学、磁学或微流控元件的混合传感系统，则进一步增强了复杂生物或食品样本的分析稳健性、信号验证能力与抗环境干扰能力。2020至2026年间，柔性、可穿戴与一次性电化学传感器在连续或现场细菌监测中取得显著突破，丝网印刷、喷墨印刷、气溶胶喷射印刷与激光诱导石墨烯图案化等高通量生产技术，实现了聚合物、纸基或纺织基底上的低成本电极制造，这类传感器已逐步应用于伤口感染监测、智能食品包装、水质评估与环境监测等领域。同时，电化学检测因无需有毒试剂，被归类为绿色技术。电化学传感、柔性电子与无线数据传输的结合，正推动该类传感器成为下一代智能诊断与监测系统的核心组件。尽管多数电化学细菌传感器具备跨样本类型的通用性，但其性能仍需针对特定应用场景进行优化，样本基质、背景菌群、环境条件与操作需求均会影响传感器设计、表面修饰与性能验证策略。

3. 电化学传感器进展

3.1 医疗与健康诊断

医疗保健与临床诊断中常见的细菌病原体包括革兰阴性菌（如铜绿假单胞菌、不动杆菌属、肠杆菌属、洋葱伯克霍尔德菌复合群、嗜麦芽窄食单胞菌、皮氏罗尔斯顿菌、少动鞘氨醇单胞菌与大肠杆菌）与革兰阳性菌（如耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(MRSA)、肠球菌属与肺炎链球菌），机会性非发酵菌如粘质沙雷菌也常被检出，这些微生物常与诊断样本、医院感染及受污染的医疗环境密切相关，推动了面向血液、尿液、唾液、痰液与伤口渗出液等复杂基质的高灵敏、高选择性电化学生物传感器发展。

早期电化学生物传感器主要集中于基于阻抗与伏安法的全细胞检测策略，已在临床样本中验证了概念可行性。例如，研究人员开发了集成齿状螺旋构型丝网印刷Ag/AgCl电极的柔性印刷阻抗传感器，用于伤口渗出液中大肠杆菌的非特异性检测，检测限达10²CFU/mL，可在10²–10⁷CFU/mL宽浓度范围内实现区分，适配复杂生物流体检测需求。另有研究报道了还原氧化石墨烯-脂质体修饰玻碳电极(GCE-L-rGO)，用于特异性大肠杆菌检测，在3×10³至3×10⁴cells/mL范围内灵敏度约为26 μA/10⁶cells/mL。此类系统虽实现了可靠定量，但检测限多处于10²–10³CFU/mL区间，反映了早期纳米材料辅助平台的典型性能。

后续研究引入分子识别层与纳米结构界面，同步提升灵敏度与选择性。例如，基于纳米分子印迹聚合物(nanoMIPs)的电化学传感器，采用16-巯基十六烷酸(MHDA)自组装单层的金丝网印刷电极(AuSPE)，用于表皮葡萄球菌特异性检测，利用EIS技术实现低至1 CFU/mL的检测限，线性范围为10¹–10⁶CFU/mL，较早期全细胞检测系统在分析灵敏度上实现了跨越。近期研究聚焦于免疫传感器、适体传感器与噬菌体等高选择性生物识别策略，以检测完整细菌细胞或特定毒力相关标志物，同时微流控装置的集成实现了样品预处理、富集与检测的一体化，缩短了检测时间并提升了分析重现性。某阻抗传感器可在40分钟内实现对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌与副溶血性弧菌的特异性检测，定量范围为1.0×10¹至1.0×10⁶CFU/mL，并通过提取6个EIS衍生参数构建ML数据集，提升了复杂基质中的分类稳健性与定量准确性，标志着检测从单参数阻抗测量向多维信号分析的转型。

先进纳米复合材料功能化进一步提升了特异性和真实样本适用性。例如，基于噬菌体受体结合蛋白肽与MXene-银纳米颗粒(MXene-AgNP)纳米复合材料修饰的丝网印刷碳电极(SPCE)，用于人血清与尿液中金黄色葡萄球菌的选择性检测，线性检测范围为10–10⁶CFU/mL，检测限低至2.78 CFU/mL，证实了优异的基质耐受性与临床相关性。除全细胞外，电化学生物传感器还拓展至细菌感染相关宿主反应生物标志物的检测，例如双通道电化学适体传感器，采用Ti₃C₂Tx-PB/Chit/AuNPs修饰，可同时特异性检测C反应蛋白(CRP)与白细胞介素-6(IL-6)，线性检测范围分别为0.1–15 μg/mL与0.01–100 ng/mL，体现了多重检测与间接感染诊断的发展趋势。

尽管早期电化学设备局限于实验室环境，当前研究已转向便携性、去中心化与实时分析。集成智能手机或便携式恒电位仪的POC设备是医疗诊断领域增长最快的方向之一，其分析时间短、样本用量少、操作简便，在资源有限环境与疫情暴发场景中价值突出。例如，无线电化学生物传感器采用多黏菌素与万古霉素共轭聚合物点涂层电极(PD-Colis与PD-Vanco)，结合智能手机监测，可在人痰液中特异性检测肺炎病原体，对革兰阳性菌与革兰阴性菌的检测限分别达3.1 CFU/mL与3.0 CFU/mL，并可进一步特异性识别耐碳青霉烯肺炎克雷伯菌(CRKP)与MRSA，实现了实验室级灵敏度在便携式诊断格式中的落地。另有基于二维材料MXene、多壁碳纳米管与聚乙烯醇(MWCNTs_0.6/MXene_0.4/PVA)复合水凝胶的电化学传感器，可检测绿脓菌素(PCN)、尿酸(UA)与组胺(HA)等铜绿假单胞菌感染标志物，检测限降至0.84~0.98 μM，为伤口感染的POC检测提供了高精度多参数集成方案。总体而言，电化学诊断工具的进步体现为：检测灵敏度从早期全细胞阻抗设备的低微米级提升至纳米结构与生物功能化设备的近单细胞水平；选择性从理化变化识别升级为抗体、适体、噬菌体衍生肽与分子印迹聚合物(MIPs)等高特异性分子识别策略；检测时间通过微流控与ML数据分析大幅缩短；且在血清、尿液、痰液、伤口渗出液与食品样本等临床相关基质中完成了验证，结合多重检测、微型化、智能手机集成与POC设备的发展趋势，标志着该技术正从实验室传感器向支持传染病快速管理与AMR监测的真实世界诊断工具转型。

3.2 食品安全与农业

食品生产中常见致病菌包括沙门氏菌属、空肠弯曲杆菌、单核细胞增生李斯特菌、大肠杆菌（致病株如产志贺毒素大肠杆菌/STEC O157:H7）、肉毒梭菌、产气荚膜梭菌、金黄色葡萄球菌、蜡样芽孢杆菌与嗜水气单胞菌等，广泛污染原料、加工环境与即食食品。电化学传感器已被广泛用于原料、加工食品及食品接触面的致病菌检测。例如，基于多金属钙钛矿(FeCoCuNiO)掺杂尿素衍生石墨相氮化碳(g-C₃N₄)的新型电化学适体传感器，采用DNA适体实现对牛肉样本中铜绿假单胞菌的实时特异性检测，检测限低至3.03 CFU/mL，兼具高选择性与灵敏度。另有镓铟合金与天然水凝胶电化学平台，可在30分钟内快速特异性检测复杂食品样本中的大肠杆菌，结果经ML模型处理，细菌识别线性范围为10²–10⁹CFU/mL，平均准确率达97%。基于分子印迹聚合物(MIPs)的电化学传感器，通过在SPCE与铂电极上构建非印迹聚吡咯(NIP-Ppy)层与细菌印迹聚吡咯(MIP-Ppy)层，用于单核细胞增生李斯特菌特异性检测，检测限(LOD)与定量限(LOQ)分别为70 CFU/mL与210 CFU/mL，线性范围为300–6700 CFU/mL。噬菌体(T7)电化学传感平台采用单壁碳纳米管丝网印刷电极(SWNT-SPE)，可在1小时内特异性检测新鲜叶菜上的大肠杆菌，浓度范围为1–10⁴CFU/mL，特异性优异。

表面修饰与抗污涂层的进展，使得传感器在含脂肪、蛋白质与碳水化合物的复杂食品基质中实现可靠检测。例如，结合PCR与CRISPR/Cas12a的电化学传感器(E-CRISPR)，用于加标禽肉中鼠伤寒沙门氏菌的特异性检测，线性范围为6.7×10¹–6.7×10⁵CFU/mL，纯培养样本检测限为55 CFU/mL。双合成受体 sandwich 电化学传感器，采用细菌印迹聚合物薄膜(BIF)与适体-电活性6-二茂铁基己硫醇共功能化金纳米颗粒(Au@Fc-Apt)，用于牛奶中金黄色葡萄球菌的特异性全细胞检测，检测限达10 CFU/mL。多重电化学传感器阵列可同时检测多种病原体，提升了食品质量控制的通量与效率；集成于包装或生产线的便携式电化学传感器可实现实时污染监测，支持早期干预并减少食品浪费。此外，靶向细菌毒素与代谢产物的生物传感器可提供食品腐败与安全性的互补信息，例如ZnO/Au基无标记非法拉第EIS平台，可在5分钟内特异性检测食品样本中的活鼠伤寒沙门氏菌，检测限为9 CFU/mL。

农业生态系统中常见致病菌包括产志贺毒素大肠杆菌(STEC)、沙门氏菌属、弯曲杆菌属、单核细胞增生李斯特菌、弓形杆菌属、小肠结肠炎耶尔森菌、假单胞菌属及肠杆菌科成员（如阴沟肠杆菌、克雷伯菌属等），可影响土壤健康、灌溉水质、作物与牲畜安全。电化学传感器正逐步用于监测影响作物、牲畜与土壤健康的病原菌。例如，便携式无标记非法拉第电化学阻抗传感平台采用ZnO涂层电极，通过交联剂共价固定抗体，实现加标土壤径流样本中鼠伤寒沙门氏菌的特异性同时检测，检测限达1 CFU/mL，线性范围为10–10⁵CFU/mL。针对引发严重产量损失的植物病原细菌（如黄单胞菌属、假单胞菌属与欧文氏菌属），研究人员开发了铅笔石墨电极(PGE)修饰还原氧化石墨烯(rGO)与金纳米颗粒(AuNPs)的电化学DNA生物传感器，用于特异性检测根癌农杆菌(A. tumefaciens) T-DNA，线性范围为1.0×10^?13–1.0×10^?9M，检测限为0.87×10^?13M。此外，电化学传感器也被用于量化维持植物健康的有益生物肥料。便携式扩展栅场效应晶体管(EG-FET)传感系统集成丝网印刷金扩展栅电极，通过单克隆抗体功能化，用于缓冲食品样本中肠出血性大肠杆菌O157:H7的特异性检测，校准线性范围为10⁴–10¹⁰CFU/mL，特异性优异，对常见食源性病原体（如金黄色葡萄球菌、鼠伤寒沙门氏菌与单核细胞增生李斯特菌）的交叉反应响应仅为靶标信号的13%（p<0.001）。

3.3 水质与环境监测

水源性细菌污染由大肠杆菌、沙门氏菌属、志贺氏菌属、小肠结肠炎耶尔森菌、弯曲杆菌属、霍乱弧菌、其他弧菌属（如副溶血性弧菌）、铜绿假单胞菌、嗜肺军团菌与分枝杆菌属等引起，仍是饮用水安全、废水处理与水生生态系统的核心威胁。电化学传感器为霍乱弧菌、大肠杆菌与嗜肺军团菌等致病菌提供了快速现场检测方案。最新创新包括自清洁电极、自主传感平台与可在恶劣水环境中长期运行的部署系统，纳米结构电极与仿生识别元件的应用显著提升了检测灵敏度与抗生物污损能力。例如，便携式双工无标记非法拉第电化学传感平台可在5分钟内快速特异性检测饮用水中的鼠伤寒沙门氏菌与大肠杆菌O157，检测限分别为0.8 CFU/mL与0.9 CFU/mL，浓度范围为10¹–10⁵CFU/mL，通过抗体-抗原识别实现特异性，并评估了两种菌之间的交叉反应性，但种内致病株与非致病株的区分仍有待深入验证。另有微流控系统采用RNA切割DNA酶(RCDs)结合微凝胶磁珠，释放电活性DNA条形码，用于冷却塔水样中嗜肺军团菌的特异性电化学检测，缓冲液与水样的检测限分别为1.4×10³CFU/mL与1.9×10³CFU/mL，虽检测限略高于其他生物传感器，但在试剂稳定性、成本效益与便携式微流控集成潜力上具有优势。比率DNA酶电化学传感器结合DNA酶与MOF的电化学信号，通过交流伏安法(ACV)分析，用于城市水样中鼠伤寒沙门氏菌的特异性检测，检测限为1×10⁵CFU/mL，虽灵敏度中等，但化学稳健性强、可编程性高，具备信号放大与现场部署潜力。

双功能磁性纳米颗粒(MNP)（IgG抗体与二茂铁共轭）电化学传感器用于水源中大肠杆菌的特异性检测，通过方波伏安法(SWV)可在10¹–10⁷cells/mL范围内实现剂量依赖性检测。细胞印迹聚合物功能化不锈钢微丝(CIP-MWs)集成微流控装置，用于水中大肠杆菌的特异性阻抗检测，检测限与定量限分别为2×10²CFU/mL与1.4×10⁴CFU/mL，动态范围为10²–10⁷CFU/mL。基于IgY的无标记电化学免疫传感器采用硼氮共掺杂石墨烯量子点(B, N-doped GQDs)，用于水样中大肠杆菌检测，线性工作范围为0.5×10¹–10⁷CFU/mL，检测限为1.69 CFU/mL。实时电化学水质监测系统可提供污染事件预警，支持主动水资源管理与公共卫生防护。

除水系统外，电化学传感器在环境细菌污染监测中也发挥关键作用，可检测大肠杆菌、沙门氏菌属、嗜肺军团菌