病原體是許多疾病的主要誘因，對人類健康構成了嚴重威脅。近年來，食品、水源和環境中致病微生物已造成世界上許多流行病的爆發。因此，為了控制病原體的傳播并減少流行病的發生，檢測致病微生物的技術的成熟可行性顯得尤為重要。
培養物細菌分離和鑒定是實驗室檢測病原體的“金標準”方法。該檢測方法雖然足夠靈敏，但耗時較長。目前，后續開發的許多快速檢測方法已克服了這個問題。這些快速檢測方法可分為核酸、抗體和適配體層面檢測，雖然這些快速檢測法在時效上優于培養物檢測法。但是，也有各自的優缺點（表1），仍需要對其進行改進。
表1 各種快速病原細菌檢測法的優劣點和敏感度
提高檢測精確度和縮短檢測時間是研發快速檢測的目標。目前，生物傳感策略可以實現這一目標。根據國際純粹與應用化學聯合會（IUPAC）提出的生物傳感器的定義，“生物傳感器是一種自我控制的設備，它包含生物識別原件（生物探針/生物受體），該傳感器與換能器相連，將生物信號轉換為計算機可讀信號，然后呈現在計算機上并進行分析（圖1）。通常使用的生物探針是噬菌體、酶、細胞、核酸和抗體。下文我們將重點講述噬菌體生物傳感器的原理及發展。
圖1 從不同樣本中檢測病原體細菌的各種生物傳感器的原理
噬菌體是一種病毒，僅在細菌內感染和繁殖。 由于它們與細菌一起進化，因此噬菌體具有極其特殊的機制來識別并感染其宿主細菌進行繁殖。噬菌體的頭部包含遺傳物質，尾巴負責識別并附著在細菌上。由于噬菌體與宿主細菌的特異性，它們被廣泛用于識別細菌和靈敏偵測。作為生物快速識別探針的噬菌體在細菌感測中具有許多優勢⑴對宿主極具特異性；⑵具有產生大量子代噬菌體的能力；⑶可以耐受較廣的環境條件（如室溫，清潔劑和液體中）⑷操作安全；⑸可以區分死細菌和活細菌，因為它們僅在活細菌中增殖；⑹批量生產經濟成本低廉。這些優勢使噬菌體成為領先的生物識別探針，有助于開發用于細菌篩選的生物傳感器。
生物傳感器中可被利用的噬菌體成分：
1．以報告噬菌體為探針
報告噬菌體是經過基因編輯的噬菌體，用于將特定基因導入目標細菌的基因組中。 表達插入宿主細菌的外源基因，使被噬菌體感染的細菌產生熒光，進行細菌篩選。
2．染色噬菌體
用不同熒光染料染色的噬菌體，染色的噬菌體探針在感染和攻擊宿主細菌時可以區分目標細菌。
3．裂解性噬菌體
裂解性噬菌體感染導致細菌裂解，釋放子代噬菌體和細菌碎片，提供了識別靶細菌的基礎。
4．捕捉性噬菌體
固定在固體表面的噬菌體可用于捕獲所含樣品中的特定細菌。 噬菌體在其外部具有許多功能活性基團，例如羥基（-OH），醛基（-CHO），羧基（-COOH）等，從而賦予了它們獨特的特性，使其能夠與其他物質相互作用并與細菌表面受體分子結合。
5．噬菌體受體結合蛋白
噬菌體的尾絲部分對宿主細菌表面的受體具有天然的結合力，這種與受體可以結合的尾絲蛋白稱為受體結合蛋白（RBP），RBP可以用來做特異性宿主菌的檢測探針。
噬菌體成分可被固定在傳感器中的策略：
1. 通過物理吸附、靜電結合和共價鍵結合
固定噬菌體早期常用的方法是物理吸附。 這種方法比較簡單，但是由于剪切，pH值或溫度的變化或介質中離子濃度的降低，吸附的噬菌體可能會再次從底物表面分離。隨后，大多數噬菌體顆粒在pH值為7時帶有凈負電荷，許多研究人員成功地將靜電結合用于噬菌體固定法（圖2）。該方法的缺點是靜電結合力不強，噬菌體會脫離導致分析訊息波動。噬菌體的共價結合提供了更強的附著力，并且不存在噬菌體脫離的風險。
圖2 噬菌體靜電結合固定法
2. 噬菌體展示技術
科學家可以讓特殊基因表達的肽展示在噬菌體表面上。 因此，噬菌體經由表面上表達的肽可以吸附在涂有肽特異性配體的材料表面上（圖3）。
圖3 噬菌體展示技術
3. 噬菌體包裹在多孔基質中
截留在多孔水凝膠聚合瓊脂和藻酸鹽基質中固定的噬菌體，可以長時間保持其功能結構及活性的穩定。是選擇保護噬菌體顆粒免受惡劣環境條件影響的應用工具。
4. 噬菌體逐層組織
研究人員研發出具有相反電荷的電解質交替分層來固定噬菌體，可以提高噬菌體顆粒表面的覆蓋率。
結論
在本文中，我們陳述了噬菌體生物傳感器的原理和開發，也比較了與傳統病原體檢測方法的優劣，并簡要介紹了涉及生物傳感器開發的不同生物探針。此外，我們列舉了用于病原細菌檢測的傳感器開發中使用的噬菌體成分。最后，我們介紹了將噬菌體固定在適當基質上的不同技術，此外，噬菌體傳感器仍需一個有效率的轉導平臺，才能達到我們偵測病原體細菌的目的。
文獻和圖片來源：
【1】 Umer Farooq, Qialli Yang, Muhammad Wajid Ullah and Shenqi Wang. Principle and Development of Phage-Based Biosensors. Chapter 11, of Biosensors for Environmental Monitoring, 2019 http://dx.doi.org/10.5772/intechopen.86419
【2】 Lingwen Zing, Lihua Wan, and Hiao Hu. Current and Emerging Technologies for Rapid Detection of Pathogens. Chapter 2, Biosensing Technologies for the Detection of Pathogens -A Prospective Way for Rapid Analysis. 2018 , http://dx.doi.org/10.5772/intechopen.73187