一种工程化M13噬菌体–rGO电化学生物传感器，用于在复杂基质中快速检测病毒蛋白

为什么快速病毒检测依然重要

COVID-19大流行凸显了快速发现病毒的重要性，不仅在患者身上，也包括废水和食品加工线等场所。现有的实验室检测方法功能强大，但往往耗时、价格高，并依赖于易碎、难以运输和储存的生物试剂。本研究提出了一种新型微小电子传感器，结合了工程化的病毒与一张先进碳材料薄片，能够在不到一秒钟内检测到SARS-CoV-2的关键蛋白，即便在血清、牛奶和废水等复杂的真实样本中也能实现检测。

把无害病毒变成智能探测器

器件的核心是M13，这是一种通常感染细菌的无害噬菌体。它细长的棒状体表面布满许多相同的衣壳蛋白，研究人员可以通过基因工程对其重新编程。团队在其中一种衣壳蛋白上插入了一段定制短肽，使M13颗粒能够识别并结合冠状病毒刺突蛋白的S1片段。另一个携带乱序肽的病毒版本被用作对照，以证明响应来自真实识别而非随机吸附。

构建在原子级碳薄片之上

为了将这种可编程病毒转化为传感器，研究人员将其固定在一层还原氧化石墨烯（rGO）薄膜上，rGO是一种通过化学处理石墨制得的高导电碳材料。他们先将氧化石墨烯涂布在小玻璃芯片上并加热以将其还原为rGO，然后加入一种既能与碳表面结合又能与病毒上的胺基结合的连接分子。这样就在导电薄片上形成了一层致密的M13颗粒。电子显微镜和原子力显微镜证实，每一步制备都会按预期改变表面，而电学测量显示加入连接子再加入病毒会稳步增加电阻，这表明表面被成功覆膜。

将病毒结合读取为电信号脉冲

与许多需要加入化学试剂或机械部件的生物传感器不同，该平台在微小恒定电压下可作为简单的电阻工作。当S1蛋白落在被病毒覆盖的表面并与展示的短肽结合时，会略微改变电荷在石墨烯层中的传输方式。这表现为电流中的短暂峰值：在将一滴样本置于芯片上后约300毫秒出现，然后随着系统稳定而衰减。通过调节施加电压，团队找到了约–0.8毫伏的最佳点，在该点真实的S1结合信号较强，而背景噪声和对无关蛋白（例如牛血清白蛋白）的响应则保持较低。

在复杂真实样本中的表现

随后，研究人员用常常令精细实验试剂失效的复杂混合物对传感器进行了挑战。他们在缓冲液、市政废水、胎牛血清（作为血液替代）和巴氏灭菌奶中进行了测试，有无添加S1蛋白两种条件。使用统计学定义的阈值判定阳性结果时，传感器在简单缓冲液中检测到的蛋白极低——最低约10⁻⁴皮克克/毫升——可与许多基于抗体的系统媲美或更优。在废水中，器件可靠地标记出较高的S1水平，而在血清和牛奶中也能在亚秒级内稳定检测到较低浓度。重要的是，用乱序病毒构建的对照传感器对S1响应很小，这确认了信号依赖于工程化的结合序列。在相同石墨烯平台上使用常规抗体的平行传感器表现出类似性能，这表明基于噬菌体的系统在灵敏度上可以与抗体匹敌，同时在生产成本和便利性上可能具有优势。

这对日常检测意味着什么

抗体作为许多诊断的主力，制造成本高、对温度敏感，并通常需要从工厂到诊所的冷链保存。相比之下，M13噬菌体可在细菌中像普通培养一样生长，能耐受更苛刻的条件，并且可以通过改写其基因序列进行重新编程。将这种稳健性和灵活性与基于石墨烯的快速低功耗电子读出相结合，本研究勾画出一条通往便携、低成本设备的路径，只需更换展示的短肽即可检测多种不同的疾病标志物或污染物。该工作仍处于概念验证阶段，尚未在人体临床样本中测试，但它指向了一个可能的未来：手持式传感器能够在诊所、下水道甚至食品中在几秒内筛查病毒蛋白和其他生物标志物，而无需传统抗体检测的复杂后勤保障。

引用: Alshehhi, H.Y., Tizani, L., Palanisamy, S. et al. An engineered M13 phage–rGO electrochemical biosensor for rapid detection of viral protein in complex matrices. Sci Rep 16, 9279 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37008-w

关键词: 生物传感器, 石墨烯, 噬菌体, SARS-CoV-2, 电化学检测