日常生活中，我们购买的生鲜肉从新鲜到腐败，会经历一个复杂的生化过程。而工业生产中，产酸菌又是许多重要产品的发酵引擎。如何既能实时追踪食品腐败的“元凶”——微生物代谢，又能高通量筛选出性能优越的产酸菌株？传统方法往往顾此失彼，难以两全。
近日，河南科技大学的研究团队在食品科学领域顶刊《Food Chemistry》上发表了一项创新研究，开发了一种名为AXE的新型荧光探针，成功将实时监测与高通量筛选两项艰巨任务合二为一，为我们提供了一个“一石二鸟”的智慧解决方案。下面，就让我们一探究竟。
难点在哪？为什么要有新探针？
在介绍这款“神器”之前，我们先来看看现实中的技术瓶颈：
1. 环境太复杂，传统探针“水土不服”：食品渗出液或发酵液是名副其实的“大杂烩”，含有高浓度盐分、蛋白质等干扰物。传统的商业荧光探针在其中要么信号不稳定，光稳定性差（有的连续照射30分钟，荧光就衰减过半），要么分辨率低，无法精确定位。
2. 监测与筛选，难以兼顾的“鱼与熊掌”：传统方法中，要实时监测，通常缺乏时效性，无法反映动态变化；要高通量筛选，往往成本高、通量低，且需要繁琐的基因改造或外加底物标记。两者很难在一个平台上同时实现。
3. 探针标准极高：它必须在微生物代谢最活跃的核心pH范围（5.5-8.0）内有高灵敏度、快速响应，还要对细菌毫无毒性，堪称“多面手”要求。
如何破局？AXE探针登场
研究团队巧妙地设计并合成了一款基于喹啉的荧光探针——AXE。它的核心设计思路是“质子化开关”。
工作原理：AXE分子含有可被质子化的氮原子。当环境pH发生变化时，它会经历可逆的质子化/去质子化，从而像一个“分子开关”一样，控制着分子内电荷转移（ICT）效率，进而改变其荧光强弱（图1A）。简单说，环境越酸，荧光越弱；环境越碱，荧光越强。
关键特性：
快！ 对pH变化的响应时间小于2分钟（图2F）。
准！ 在核心区间（pH 5.5-8.0）内，荧光强度与pH值呈现近乎完美的线性关系（R² > 0.99，图2D）。
稳！ 对多达26类干扰物（包括金属离子、蛋白质等）有极高的耐受性。
无毒！ 对测试的芽孢杆菌生长无显著影响（图4AB）。
图1 (A) AXE的合成路线；(B) 固体状态下的AXE；(C) DMSO溶液中的AXE；(D) 不同pH值PBS缓冲液中的AXE显色与荧光变化
图2 (A) 吸收光谱；(B) 荧光发射光谱；(C) pKa拟合曲线；(D) 线性关系；(E) pH循环可逆性；(F) 响应时间；(G) DFT计算揭示的电子结构变化
实战一：盯梢猪肉腐败的“V”形曲线
研究团队将AXE应用于新鲜猪肉的保鲜监测。他们将猪肉分别储存在4°C和-20°C下，并用AXE探针和传统的pH电极同时记录了10天的pH变化（图3AB）。
结果非常惊人：
· -20°C冷冻组：pH值始终维持在5.9±0.3的稳定水平，肉类颜色保持鲜红，抑菌效果完美。
· 4°C冷藏组：AXE探针清晰地捕捉到一条“V字形”的pH轨迹！先是从6.2下降至5.8（微生物产酸主导），随后又开始回升，最终超过了6.8的腐败阈值。这个pH反弹点恰与肉眼可见的变褐、异味产生的时间点相吻合。更重要的是，AXE探针在pH开始回升的第三天就能发出预警，比肉眼观察到明显腐败（第七天）足足早了4-5天！
图3 (A) 探针AXE实时监测猪肉腐败过程pH变化；(B) 荧光法与电极法的统计验证；(C) -20°C与4°C下猪肉的感官变化（颜色与气味）
实战二：海选“产酸小能手”
AXE的另一大亮点在于其强大的筛选能力。研究团队将其与液滴微流控技术联用，构建了一个高通量筛选平台。
1. 液滴封装：将待筛选的细菌和一定浓度的AXE探针一同封装在皮升级的微小液滴中（图4CE）。
2. 培养与识别：培养24小时后，产酸菌会降低液滴内pH，导致AXE荧光淬灭；而不产酸菌所在液滴则保持高荧光。
3. 海选分拣：利用荧光激活液滴分选（FADS）系统（图4FG），在2,238,782个液滴中，精准地识别并分拣出16,714个低荧光的目标液滴（阳性率0.75%）。
4. 精筛与验证：经过MISS cell系统二次培养和96孔板验证，最终分离出11株产酸能力最强的芽孢杆菌（图5）。其中，代表菌株22C展现出了惊人的产酸能力，在6小时内将培养基pH从7.6降至4.6，降低了整整3.0个pH单位！（图6D）。
图4 (A&B) DMSO和探针AXE的细胞毒性评估；(C) AXE荧光衰减与产酸的关系；(D&E) 液滴中细菌培养前后对比；(F) FADS分选直方图；(G) 分选散点图
图5 96孔板高通量验证：筛选出的11株高产酸菌株导致荧光强度显著降低
图6 11株高产酸菌株的生长与产酸动力学曲线
总结与展望
这项研究的核心成果是成功开发了一个集“实时pH监测”与“高通量菌株筛选” 于一体的双功能平台。其创新性在于：
· 一探两用：同一款AXE探针，既能用于食品链条的“监测端”，也能用于工业菌种的“挖掘端”；
· 性能卓越：其超强抗干扰、快速响应和免标记筛选的特点，解决了长久以来的技术痛点；
· 潜力巨大：理论上，该平台可拓展用于其他产酸微生物（如乳酸菌）的监测和筛选，有望成为食品质量监控和工业微生物育种领域的有力工具。
这项研究不仅为理解食品腐败的微观机制提供了“实时直播”般的窗口，也为高产工业菌株的开发提供了“大海捞针”式的高效利器。未来，随着技术的进一步优化，相信它将在保障食品安全、推动生物制造产业升级方面发挥重要作用。
日常生活中，我们购买的生鲜肉从新鲜到腐败，会经历一个复杂的生化过程。而工业生产中，产酸菌又是许多重要产品的发酵引擎。如何既能实时追踪食品腐败的“元凶”——微生物代谢，又能高通量筛选出性能优越的产酸菌株？传统方法往往顾此失彼，难以两全。
近日，河南科技大学的研究团队在食品科学领域顶刊《Food Chemistry》上发表了一项创新研究，开发了一种名为AXE的新型荧光探针，成功将实时监测与高通量筛选两项艰巨任务合二为一，为我们提供了一个“一石二鸟”的智慧解决方案。下面，就让我们一探究竟。
难点在哪？为什么要有新探针？
在介绍这款“神器”之前，我们先来看看现实中的技术瓶颈：
1. 环境太复杂，传统探针“水土不服”：食品渗出液或发酵液是名副其实的“大杂烩”，含有高浓度盐分、蛋白质等干扰物。传统的商业荧光探针在其中要么信号不稳定，光稳定性差（有的连续照射30分钟，荧光就衰减过半），要么分辨率低，无法精确定位。
2. 监测与筛选，难以兼顾的“鱼与熊掌”：传统方法中，要实时监测，通常缺乏时效性，无法反映动态变化；要高通量筛选，往往成本高、通量低，且需要繁琐的基因改造或外加底物标记。两者很难在一个平台上同时实现。
3. 探针标准极高：它必须在微生物代谢最活跃的核心pH范围（5.5-8.0）内有高灵敏度、快速响应，还要对细菌毫无毒性，堪称“多面手”要求。
如何破局？AXE探针登场
研究团队巧妙地设计并合成了一款基于喹啉的荧光探针——AXE。它的核心设计思路是“质子化开关”。
工作原理：AXE分子含有可被质子化的氮原子。当环境pH发生变化时，它会经历可逆的质子化/去质子化，从而像一个“分子开关”一样，控制着分子内电荷转移（ICT）效率，进而改变其荧光强弱（图1A）。简单说，环境越酸，荧光越弱；环境越碱，荧光越强。
关键特性：
快！ 对pH变化的响应时间小于2分钟（图2F）。
准！ 在核心区间（pH 5.5-8.0）内，荧光强度与pH值呈现近乎完美的线性关系（R² > 0.99，图2D）。
稳！ 对多达26类干扰物（包括金属离子、蛋白质等）有极高的耐受性。
无毒！ 对测试的芽孢杆菌生长无显著影响（图4AB）。
图1 (A) AXE的合成路线；(B) 固体状态下的AXE；(C) DMSO溶液中的AXE；(D) 不同pH值PBS缓冲液中的AXE显色与荧光变化
图2 (A) 吸收光谱；(B) 荧光发射光谱；(C) pKa拟合曲线；(D) 线性关系；(E) pH循环可逆性；(F) 响应时间；(G) DFT计算揭示的电子结构变化
实战一：盯梢猪肉腐败的“V”形曲线
研究团队将AXE应用于新鲜猪肉的保鲜监测。他们将猪肉分别储存在4°C和-20°C下，并用AXE探针和传统的pH电极同时记录了10天的pH变化（图3AB）。
结果非常惊人：
· -20°C冷冻组：pH值始终维持在5.9±0.3的稳定水平，肉类颜色保持鲜红，抑菌效果完美。
· 4°C冷藏组：AXE探针清晰地捕捉到一条“V字形”的pH轨迹！先是从6.2下降至5.8（微生物产酸主导），随后又开始回升，最终超过了6.8的腐败阈值。这个pH反弹点恰与肉眼可见的变褐、异味产生的时间点相吻合。更重要的是，AXE探针在pH开始回升的第三天就能发出预警，比肉眼观察到明显腐败（第七天）足足早了4-5天！
图3 (A) 探针AXE实时监测猪肉腐败过程pH变化；(B) 荧光法与电极法的统计验证；(C) -20°C与4°C下猪肉的感官变化（颜色与气味）
实战二：海选“产酸小能手”
AXE的另一大亮点在于其强大的筛选能力。研究团队将其与液滴微流控技术联用，构建了一个高通量筛选平台。
1. 液滴封装：将待筛选的细菌和一定浓度的AXE探针一同封装在皮升级的微小液滴中（图4CE）。
2. 培养与识别：培养24小时后，产酸菌会降低液滴内pH，导致AXE荧光淬灭；而不产酸菌所在液滴则保持高荧光。
3. 海选分拣：利用荧光激活液滴分选（FADS）系统（图4FG），在2,238,782个液滴中，精准地识别并分拣出16,714个低荧光的目标液滴（阳性率0.75%）。
4. 精筛与验证：经过MISS cell系统二次培养和96孔板验证，最终分离出11株产酸能力最强的芽孢杆菌（图5）。其中，代表菌株22C展现出了惊人的产酸能力，在6小时内将培养基pH从7.6降至4.6，降低了整整3.0个pH单位！（图6D）。
图4 (A&B) DMSO和探针AXE的细胞毒性评估；(C) AXE荧光衰减与产酸的关系；(D&E) 液滴中细菌培养前后对比；(F) FADS分选直方图；(G) 分选散点图
图5 96孔板高通量验证：筛选出的11株高产酸菌株导致荧光强度显著降低
图6 11株高产酸菌株的生长与产酸动力学曲线
总结与展望
这项研究的核心成果是成功开发了一个集“实时pH监测”与“高通量菌株筛选” 于一体的双功能平台。其创新性在于：
· 一探两用：同一款AXE探针，既能用于食品链条的“监测端”，也能用于工业菌种的“挖掘端”；
· 性能卓越：其超强抗干扰、快速响应和免标记筛选的特点，解决了长久以来的技术痛点；
· 潜力巨大：理论上，该平台可拓展用于其他产酸微生物（如乳酸菌）的监测和筛选，有望成为食品质量监控和工业微生物育种领域的有力工具。
这项研究不仅为理解食品腐败的微观机制提供了“实时直播”般的窗口，也为高产工业菌株的开发提供了“大海捞针”式的高效利器。未来，随着技术的进一步优化，相信它将在保障食品安全、推动生物制造产业升级方面发挥重要作用。
