碳点纳米酶：检测金黄色葡萄球菌及抗菌药物敏感性测试的新利器

研究背景

金黄色葡萄球菌（S. aureus）是一种危害性极高的食源性致病菌，能够产生大量肠毒素，对食品安全和人体健康构成严重威胁。快速、灵敏且准确地检测S. aureus对于降低相关风险至关重要。目前，色谱法因无需复杂仪器、依靠溶液颜色变化即可得出结果而具有独特优势。然而，天然酶在应用中常受限于高成本、复杂的生化机制等因素。随着纳米技术的发展，纳米酶逐渐成为替代天然酶的有力候选，尤其是碳点（CDs）纳米酶，因其良好的生物相容性、成本效益、简单的合成过程和较高的催化活性而备受关注。本研究旨在合成具有过氧化物酶（POD）类似活性的金属掺杂绿色发光碳点（Fe-CDs），并探索其在S. aureus检测和抗菌药物敏感性测试中的应用潜力。

Fe-CD 纳米酶的 POD 样活性

图1. TMB、CDs和H₂O₂（红色）；TMB和H₂O₂（蓝色）；TMB和CDs（黄色）；以及TMB（绿色）的紫外-可见光谱

图1：直观地展示了Fe-CDs在催化TMB氧化反应中的关键作用。只有当Fe-CDs、TMB和H₂O₂三者同时存在时，才会产生明显的吸收峰（652 nm），且溶液呈现蓝色，表明Fe-CDs能够有效催化TMB的氧化，生成蓝色产物。而单独的H₂O₂或CDs均无法使TMB发生氧化反应，进一步证实了Fe-CDs的POD类似活性，且通过溶液颜色的变化可直观地判断反应的发生，为后续的比色检测方法提供了依据。

图2. (a) Fe-CDs在不同pH值下的过氧化物酶类似活性 (b) Fe-CDs的催化机制

图2：(a) Fe-CDs在pH 3的醋酸钠缓冲溶液中展现出最强的POD类似活性，随着pH值的升高，催化活性逐渐降低，说明酸性环境有利于Fe-CDs的催化反应，这可能与反应体系中质子浓度对催化过程的影响有关，为后续实验中反应条件的优化提供了重要参考。 (b) 通过引入不同种类的清除剂，发现超氧阴离子（O^2•−）和h⁺在TMB的氧化过程中起关键作用，而羟基自由基（•OH）和溶解氧的贡献较小，揭示了Fe-CDs催化TMB氧化的主要活性物种，有助于深入理解其催化机制。

金黄色葡萄球菌的检测

图3：(a)说明Fe-CDs传感平台能够有效检测S. aureus的存在。当S. aureus与H₂O₂共同孵育后，由于细菌的过氧化氢酶（CAT）分解H₂O₂，抑制了Fe-CDs催化TMB氧化的反应，导致溶液的紫外吸收值降低，且随着细菌浓度的增加，吸光度降低越明显，说明该平台对S. aureus具有良好的响应性。(b) 吸光度差值（ΔA）与S. aureus浓度在2×10³-2×10⁶ CFU/mL范围内呈良好的线性关系，相关系数R²为0.9959，检测限为2×10³ CFU/mL，表明该方法具有较高的灵敏度和定量检测能力，可实现对S. aureus的快速、准确检测。

图4：Fe-CDs传感平台能够有效区分CAT阳性的S. aureus和CAT阴性的L. bulgaricus。随着S. aureus浓度的增加，ΔA值逐渐降低，说明S. aureus的CAT活性对Fe-CDs催化反应的抑制作用增强；而L. bulgaricus的加入对ΔA值几乎无影响，表明该平台具有良好的选择性，能够特异性地检测CAT阳性的S. aureus，避免其他细菌的干扰，提高了检测的准确性。

图3.（a） 基于 Fe-CDs 传感平台收集的紫外吸收光谱，（b） 添加金黄色葡萄球菌前后吸光度差异 （ΔA） 与细菌浓度之间的线性关系，误差线来自三个重复实验。

图4.加入不同浓度的金黄色葡萄球菌或保加利亚乳杆菌前后 Fe-CDs 传感平台中吸光度差异 （ΔA） 的变化，误差来自三个重复实验。

抗菌药物敏感性测试

结果显示，MRSA对万古霉素（Van）敏感，其生长受到抑制，导致CAT活性降低，从而使反应体系的吸光度增加；而MRSA对青霉素G（Pen G）耐药，其CAT活性不受影响，吸光度较低。相比之下，S. aureus对两种抗生素均敏感，其CAT活性在抗生素存在下受到抑制，吸光度变化不明显。

图5.MRSA 和金黄色葡萄球菌在 Van 和 Pen G 存在下的抗生素敏感性。

结论

本研究成功合成了一种具有过氧化物酶类似活性的金属掺杂绿色发光碳点（Fe-CDs），并基于其与细菌过氧化氢酶的协同作用，开发出一种快速、灵敏且直观的比色检测方法，用于检测金黄色葡萄球菌（S.aureus）及进行抗菌药物敏感性测试。

DOI: 10.1021/acs.langmuir.5c00632