磁性螺旋复合材料：光热灭菌与荧光检测

1. 引言

食源性病原体，如大肠杆菌和金黄色葡萄球菌，在食品生产、加工和运输过程中构成严重污染风险。现有的灭菌方法存在耗时和环境问题，因此需要开发高效、环保的新型灭菌方法。光热转化材料，尤其是聚多巴胺（PDA），因其优异的光热效应而被提倡用于病原菌的高效、环保杀菌。同时，灵敏的检测方法也至关重要。碳点（CDs）因其优异的荧光特性，在生物成像和病原体检测中得到了广泛应用。磁性纳米颗粒提供了快速富集的优势，而磁性螺旋藻可以提高纳米颗粒的分散性和比表面积，从而增强污染物的富集和去除能力。

本研究报道了一种多功能磁性复合材料MSp@PDA，通过在螺旋藻表面化学沉积Fe3O4，赋予其超顺磁性（MSp），然后将具有光热和荧光猝灭特性的聚多巴胺（PDA）涂覆在MSp表面。进一步使用APTES进行表面氨基修饰。在MSp@PDA的应用中，将识别分子4-MPBA修饰在其表面，以捕获大肠杆菌和金黄色葡萄球菌。4-MPBA中的硼酸与细菌细胞壁上的肽聚糖结合，使得在磁响应下可以快速识别和结合细菌。捕获后，MSp@PDA的PDA外壳在近红外光照射下对两种细菌进行光热杀菌。此外，研究人员将大肠杆菌和金黄色葡萄球菌适体偶联在具有蓝色和黄色荧光的碳点（bCD-apt 1和yCD-apt 2）表面。这些碳点通过静电吸附负载到胺修饰的MSp@PDA表面，导致荧光猝灭。在两种细菌存在时，适体优先与目标细菌结合，使MSp@PDA材料表面脱离，碳点的荧光恢复，从而实现对两种细菌的同时检测。

方案1. 大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的材料制备(a)及快速捕获、光热灭菌(b)和同时荧光检测(c)示意图。

2. 结果与讨论

MSp@PDA表征及性质研究

研究人员通过扫描电镜（SEM）研究了磁性复合材料的形貌和结构。原始螺旋藻（Sp）呈长螺旋结构，表面光滑。经过磁化处理后，磁性螺旋藻（MSp）表面变得粗糙。MSp@PDA在保持螺旋结构的同时，表面清晰地观察到PDA壳层。FTIR和Zeta电位分析证实了Sp表面的磁壳和PDA壳的顺序修饰，表明MSp@PDA的成功制备。

图1. 多功能磁性复合材料的表征。

通过振动样品磁强计（VSM）分析了MSp和MNPs的超顺磁性能，结果显示两者均具有较强的磁性能。MSp@PDA在外加磁场下表现出快速的磁响应，能够在30秒内从复杂样品中磁分离目标物质。在近红外照射下，MSp@PDA的光热转换效率为54.8%，高于MNP@PDA的45.6%。MSp@PDA的温度升高更显著，且其光热性能在多个使用周期内保持稳定。这些特性使其适用于快速杀灭细菌，提高食品环境安全。

图2. 多功能磁性复合材料性能的探索。

MSp@PDA-MPBA快速细菌捕获和光热灭菌的优化

研究人员探索了4-MPBA修饰的MSp@PDA和MNP@PDA对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的捕获效率。结果显示，当MSp@PDA-MPBA的添加量为50 μg时，大肠杆菌的捕获效率达到90.3%，金黄色葡萄球菌的捕获效率为90.6%。与MNP@PDA-MPBA相比，MSp@PDA-MPBA在孵育15分钟后表现出更高的捕获效率，分别为91.6%和94.2%。这归因于MSp@PDA的螺旋结构和更大的表面积。

利用近红外辐照捕获细菌悬浮液，并记录温度变化。结果显示，光照时间延长后，细菌在琼脂板上的菌落计数显著减少。4-MPBA修饰的MSp@PDA-MPBA复合材料在光照下诱导局部高温，实现了对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的快速灭菌。在食品加工设备外表面应用该复合材料后，近红外照射4分钟即可完全消毒，验证了其作为光热灭菌剂的有效性。

图3. 利用复合材料的光热性能对捕获的大肠杆菌和金黄色葡萄球菌进行灭菌。

dCD-apt-MSp@PDA的表征及荧光检测的可行性验证

通过溶剂热法制备了双色荧光碳点（CDs），呈球形且分散性好。蓝色和黄色荧光CDs的平均直径分别为4.68 nm和3.74 nm。荧光光谱表明，两种CDs在350 nm和410 nm激发下，最大发射波长分别为432 nm和563 nm，荧光信号可区分且无干扰。在365 nm紫外线照射下，CDs表现出优异的光学稳定性，连续120分钟后荧光强度保持稳定。

图4. 双色碳点的表征

通过碳二亚胺法将适配体与双色碳点（bCD和yCD）偶联，Zeta电位分析表明偶联成功。激光共聚焦扫描显微镜证实了适配体对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的特异性靶向。孵育后，观察到由相应适配体修饰的碳点发出的蓝色和黄色荧光信号。这种特异性结合使得通过监测不同颜色碳点的荧光强度，可以同时检测两种食源性病原体。

图5. 可行性验证

荧光检测条件优化及性能研究

该双色荧光碳点探针，用于同时定量检测大肠杆菌和金黄色葡萄球菌。通过调整碳点的混合比例和MSp@PDA的添加量，实现了荧光猝灭和恢复的最佳条件。该方法在10¹~10⁷cfu mL^-1范围内呈现良好的线性关系，检出限分别为2和3cfu mL^-1。检测结果表明该方法具有高灵敏度和特异性，适用于复杂食品样品的快速检测。

图6. 检测条件的优化与性能

3. 总结

本研究设计了一种基于聚多巴胺包覆磁性螺旋可切换复合材料用于光热灭菌和食源性病原体的双色荧光检测。研究人员通过在MSp@PDA上切换不同的识别分子，实现了病原体捕获、杀菌和检测的多场景应用。杀菌主要依赖于MSp@PDA的光热性质和4-MPBA对细菌的不加区分的吸附。在最佳条件下，大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的捕获率分别为91.6%和94.2%，仅需4分钟即可完全灭菌。利用MSp@PDA的荧光猝灭能力和特异性识别，实现了对两种细菌的荧光检测，线性范围为10¹ ~ 10⁷ cfu mL^-1，检出限分别为2和3 cfu mL^-1。在实际样品中，大肠杆菌的加标回收率为97.4 ~ 101.1%，金黄色葡萄球菌的回收率为98.2 ~ 101.4%。这项研究不仅提出了一种无需高温灭菌设备或化学试剂的光热照射高效、无损的灭菌方法，还为现场实时检测提供了快速、灵敏的方法基础。通过匹配相应的识别分子，该方法有望扩展到检测更多种类的致病菌，从而有助于建立食品和环境检测过程的安全控制系统。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.snb.2024.136935