基于 Fe₃O₄-QCS-PEI-Cu 适配体与阶梯分支 HCR 的金黄色葡萄球菌超灵敏检测及灭活新策略

1. 研究背景：细菌感染的迫切挑战

细菌感染每年导致数百万人死亡，金黄色葡萄球菌作为常见病原体，易引发耐药性问题。传统检测方法如琼脂培养耗时（需24-48小时），PCR技术依赖精密仪器，而抗生素疗法面临耐药性瓶颈。因此，开发兼具检测与灭菌功能的多功能平台至关重要。本研究通过整合磁性分离、核酸扩增和光响应材料，构建一种“检测-灭菌”一体化策略。

图1 a Fe₃O₄-季铵盐壳聚糖（QCS）-聚醚酰亚胺（PEI）-铜（Cu）适配体传感器（Fe₃O₄-QCS-PEI-Cu-aptasensor）的合成示意图。b 金黄色葡萄球菌（S. aureus）检测与灭活策略的原理示意图。

2. 核心技术：磁性传感与信号放大机制

平台核心为Fe₃O₄-QCS-PEI-Cu-适配体传感器（图2a），其合成过程包括：

• 材料制备：Fe₃O₄纳米颗粒（NPs）与季铵化壳聚糖（QCS）结合形成磁性载体，再通过戊二醛交联负载聚乙烯亚胺-铜（PEI-Cu）。铜纳米颗粒（CuNPs）提供光热抗菌活性，Fe₃O₄实现磁性分离。

• 检测原理：当S. aureus存在时，适配体优先结合细菌，释放互补链（CP），触发阶梯分支HCR（图2b）。该反应利用多级发夹结构（H1-H6），形成多维核酸纳米结构，实现荧光信号指数级放大（较传统HCR效率提升50%）。

材料表征显示：Fe₃O₄ NPs呈球形（约200 nm），CuNPs为多边形状（约100 nm），复合后CuNPs均匀负载于Fe₃O₄表面（图1e-f）。EDX光谱证实铁、铜元素共存，紫外吸收峰位于436 nm，验证材料稳定性。

图2 四氧化三铁纳米颗粒（Fe₃O₄ NPs）、铜纳米颗粒（CuNPs）及四氧化三铁 - 季铵盐壳聚糖 - 聚醚酰亚胺 - 铜（Fe₃O₄-QCS-PEI-Cu）的扫描电子显微镜（SEM）图与透射电子显微镜（TEM）图：（a）Fe₃O₄ NPs 的 SEM 图（比例尺，100 nm）；（b）Fe₃O₄ NPs 的 TEM 图（比例尺，200 nm）；（c）CuNPs 的 SEM 图（比例尺，200 nm）；（d）CuNPs 的 TEM 图（比例尺，200 nm）；（e）Fe₃O₄-QCS-PEI-Cu 的 SEM 图（比例尺，400 nm）；（f）Fe₃O₄-QCS-PEI-Cu 的 TEM 图（比例尺，500 nm）。

3. 实验结果：超高灵敏度与靶向灭菌

3.1 检测性能优化

在pH 6缓冲液中，适配体与S. aureus结合效率最高。阶梯分支HCR经聚丙烯酰胺凝胶电泳（PAGE）验证：CP触发后形成高分子量条带（图3a），表明多维结构成功组装。荧光光谱显示，S. aureus存在时信号显著增强（图3b），证实策略可行性。

图3 a 阶梯分支杂交链式反应（ladder-branch HCR）的聚丙烯酰胺凝胶电泳图；b 存在与不存在金黄色葡萄球菌（S. aureus）时的荧光响应。金黄色葡萄球菌浓度为 10⁷菌落形成单位 / 毫升（CFU/mL）。

灵敏度与选择性：传感器在3–10⁴ CFU/mL范围内呈线性响应（R²=0.9954），检测限低至3 CFU/mL（图4a-b）。对比其他病原体（如B. cereus和S. epidermidis），平台对S. aureus表现出高特异性（信号强度高5倍），归因于适配体靶向识别（图4c）。

图4 a 生物传感器在不同浓度金黄色葡萄球菌（S. aureus）下的荧光强度（浓度分别为 0、10、10²、10³、10⁴、10⁵、10⁶、10⁷菌落形成单位 / 毫升（CFU/mL））。b 不同浓度金黄色葡萄球菌荧光强度变化的校正曲线（对数坐标）。c 生物传感器对金黄色葡萄球菌及其他细菌的荧光响应。其中，金黄色葡萄球菌浓度为 10⁶菌落形成单位 / 毫升（CFU/mL）。

3.2 高效灭菌活性

磁性分离后，Fe₃O₄-QCS-PEI-Cu在NIR照射（808 nm, 2.0 W/cm²）下实现快速灭菌。浓度0.25 mg/mL时，灭菌效率达99.946%（图5a-b）。扫描电镜显示，NIR处理后细菌膜严重收缩（图5c），而对照组形态完整，证实光热效应破坏细菌结构。

图5 a 不同条件下金黄色葡萄球菌（S. aureus）的菌落图像。b 不同条件下金黄色葡萄球菌的存活率。c 经磷酸盐缓冲液（PBS）和 0.25 毫克 / 毫升（mg/mL）四氧化三铁 - 季铵盐壳聚糖 - 聚醚酰亚胺 - 铜（Fe₃O₄-QCS-PEI-Cu）处理（无近红外照射（NIR (−)）和有近红外照射（NIR (+)））后，金黄色葡萄球菌的扫描电子显微镜（SEM）图像。其中，金黄色葡萄球菌浓度为 10⁶菌落形成单位 / 毫升（CFU/mL）。

4. 应用验证：临床样本可靠性

在加标血清样本中，平台回收率达83.95–97.50%（表1），相对标准偏差（RSD）<7.11%，证明其在复杂基质中的实用性。

表1 采用所构建策略检测血清中的金黄色葡萄球菌

5. 创新意义与未来展望

本研究首次将阶梯分支HCR与光响应材料结合，突破传统检测灵敏度瓶颈（较ELISA提升100倍），同时避免抗生素耐药性。平台优势包括：

• 一体化设计：单次操作完成捕获、检测与灭菌。

• 临床潜力：适用于血液、伤口分泌物等快速筛查。

未来可扩展至其他病原体（如大肠杆菌），推动个性化抗感染诊疗发展。

参考文献：

Ren D, Wang L, Wei H, et al. A novel strategy for ultrasensitive detection and effective inactivation of Staphylococcus aureus based on Fe3O4-QCS-PEI-Cu-aptamer and ladder-branch HCR[J]. Microchimica Acta, 2025, 192(6): 342.