致病菌广泛存在于环境中，能够通过水体、空气等多种途径传播，具有较强的生存能力和致病性，容易引发呼吸道感染、食源性疾病等多种公共卫生问题。此外，以耐甲氧西林金黄色葡萄球菌为代表的抗性菌株具有多重耐药特性，导致致病菌感染风险和治疗难度显著增加。因此，建立快速、灵敏且准确的环境低浓度致病菌及抗性菌株即时检测技术，对预防感染暴发、保障公共卫生具有重要意义。近年来，以多肽为代表的新型生物识别元件在致病菌检测领域展现出显著优势。多肽分子不仅具有结构设计灵活、制备成本低廉、生化性能稳定等特点，还表现出优异的致病菌识别特异性。得益于这些优势，多肽在致病菌生物传感器的构建中得到了广泛应用。
磁控肽基电位传感技术是一种基于多肽直接动态电位响应的新型电位检测技术。该技术不仅实现了亲水性生物识别分子的电位检测，还通过磁场调控显著提升了传感器的灵敏度和适用性，具有检测直接、操作简单、选择性好等优点。然而，现有的磁控电位传感方法受限于磁珠背景信号干扰、磁珠电荷改变有限以及电极本身响应较小等问题，其灵敏度难以满足低浓度（1 - 100 CFU mL-1）及单细菌水平的致病菌检测需求。此外，抗性细菌的特异性识别探针较少。因此，本论文将通过改变信号读出方式并增大多肽功能化磁珠的电位响应，提高磁控肽基电位传感检测致病菌的灵敏度。本论文设想发展信号读出新方法，利用电位响应过渡时间减小磁珠背景信号的干扰；发展磁珠分散度变化的目标物响应新机制，增大目标物识别前后多肽功能化磁珠的电位变化；引入纳米材料构建高灵敏磁控电位传感器，增大电极的电位响应，用于灵敏识别单颗粒多肽功能化磁珠，进而实现单个致病菌的检测；基于高灵敏磁控电位传感技术，并结合抗生素预处理方法，通过致病菌表面结构的不同实现对致病菌的特异性检测；基于高灵敏磁控电位传感器技术及气溶胶高效收集装置，实现气溶胶致病菌的特异性检测。具体研究内容如下：
1.  基于电位响应过渡时间的磁控电位传感器的构建及在致病菌检测中的应用。
多肽功能化磁珠在不同聚合物膜电极的电位响应存在1 - 2 mV的偏差（相对标准偏差为6.7%），导致传感器的灵敏度和检测限受限。为此，本研究提出了一种基于电位响应过渡时间的新型信号读出方法。研究显示，多肽功能化磁珠电位响应对时间的导数能够准确反映聚合物膜—溶液界面处的离子交换过程，并呈现出明显的过渡时间特征。本研究根据多肽功能化磁珠的电位响应过渡时间，实现磁珠表面电荷密度的直接分析，并基于外膜蛋白酶T对多肽的特异性酶切作用，实现大肠杆菌J96菌株的特异性分析检测（线性范围：1.0 × 102 - 1.0 × 107 CFU mL-1，检测限：1.0 × 102 CFU mL-1）。相比于电位响应信号读出方法，磁控肽基电位传感技术基于多肽功能化磁珠电位响应过渡时间的信号读出方法，显著降低了致病菌检测的检出限。
2. 基于酶诱发自组装的磁控电位传感器的构建及在致病菌酶活分析中的应用。
磁控肽基电位型传感技术基于多肽功能化磁珠电荷密度的变化，已实现多种目标物检测。然而，受限于多肽链长度和磁珠修饰位点数量，磁珠表面电荷密度的变化范围较为有限，导致目标物识别前后的电位响应差异不明显，严重制约了传感器的灵敏度。为此，本研究以铜绿假单胞菌为模型，提出了磁珠分散度变化的目标物响应新机制。该机制通过将酶响应自组装多肽修饰于磁珠表面，利用铜绿假单胞菌分泌的碱性磷酸酶对多肽的去磷酸化，诱导多肽自组装并牵引磁珠团聚。该过程不仅改变了磁珠表面电荷密度，还使磁珠由分散状态转变为团聚状态，导致部分多肽功能化磁珠无法进入聚合物膜相，从而显著降低电位响应。基于该方法检测铜绿假单胞菌的线性范围为10 - 1.0 ×105 CFU mL-1，有效提升了磁控肽基电位型传感器检测致病菌的灵敏度。此外，由于磁珠表面的多肽探针无法穿透细菌细胞壁，本研究能够实现细菌胞外碱性磷酸酶活性的特异性检测，为细菌亚细胞蛋白酶的精准分析开辟了新途径。
3. 高灵敏电位型传感器的构建及在单细菌检测中的应用。
单细菌的检测在疾病早期诊断、食品质量监控及微生物生理生化研究中具有重要意义。尽管上述发展的磁控电位传感技术显著提高了致病菌检测的灵敏度，但仍无法实现单细菌的灵敏检测。为此，本研究构建了一种小型化的高灵敏磁控电位传感平台，该平台由单颗粒磁珠加样系统及高灵敏磁控电位检测系统组成。研究采用单孔雾化装置实现了单个多肽功能化磁珠的精准加样，并通过在电极表面修饰金纳米管，显著增大了聚合物敏感膜的形变空间，从而大幅提升了多肽功能化磁珠的电位响应。这一设计实现了单颗粒多肽功能化磁珠的电位检测，为高灵敏生物传感技术的发展提供了新思路。基于所发展的高灵敏磁控电位传感技术，本研究实现单细菌的电位检测。研究发现，细菌的结合显著降低多肽功能化磁珠的电荷密度，同时阻碍磁珠进入聚合物膜相，使得部分多肽分子无法与膜内离子交换剂相互作用，单个多肽功能化磁珠的电位响应因此降低。通过系统分析固定数量多肽功能化磁珠的电位响应特征，本研究无需细菌培养等前处理步骤，以单细菌灵敏度实现样本中极少量特定致病菌（20个以内）的精准定量。该技术不仅显著提升了单细菌检测的准确性和效率，更为单细菌水平的相关研究提供了强有力的技术支撑。
4. 单个抗性细菌的精准检测。
抗性细菌（抗生素耐药菌）的出现为临床感染治疗带来了严峻挑战。耐药菌不仅难以通过常规抗生素治疗，还会显著增加败血症、肺炎等严重感染的死亡率。因此，开发抗性细菌的精准检测技术尤为重要。然而，目前针对抗性细菌的特异性识别探针较为匮乏，且缺乏简便高效的单菌体识别技术。为此，本研究开发了基于高灵敏磁控电位传感技术的耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）特异性检测方法。该方法利用特异性识别金黄色葡萄球菌的多肽探针作为识别分子，并结合10倍MIC浓度的抗生素处理后耐药菌株与敏感菌株表面结构的差异，实现了对单细菌灵敏度MRSA的特异性识别。抗生素处理后，MRSA因具有耐药性，其表面结构保持不变，而敏感菌株则在抗生素胁迫下形成生物膜。研究表明，多肽功能化磁珠能够精准捕获混合细菌样本中的MRSA，并通过高灵敏磁控电位传感平台实现MRSA的特异性检测。该方法在2小时内便能够实现对抗性细菌的特异性检测，未来可用于抗菌药物的快速筛选和耐药机制的深入研究。
5. 气溶胶中特定致病菌的精准检测。
气溶胶是指悬浮在气体介质（如空气）中的固态或液态微小颗粒组成的分散体系。因其携带包括细菌、病毒等在内的多种活体微生物，气溶胶可能成为疾病传播的载体。因此，气溶胶致病菌的即时检测对于预防呼吸道疾病传播、降低空气传播疾病风险具有重要意义。然而，传统的气溶胶致病菌检测方法受限于收集效率低、检测灵敏度不足等技术瓶颈，难以满足实际应用需求。本研究基于高灵敏磁控电位传感平台，并结合气溶胶致病菌的高效收集装置，实现空气中特定致病菌的快速、精准检测。收集装置通过优化气溶胶捕获机制，显著提高了致病菌的收集效率。高灵敏磁控电位传感平台则利用多肽功能化磁珠对目标致病菌的特异性捕获，以单细菌灵敏度实现对所收集气溶胶致病菌的精准计数。该技术克服了传统技术中气溶胶收集效率低、检测难度大的问题，为气溶胶中特定致病菌的快速检测提供了新方法。