硼酸功能化 Fe₃O₄纳米颗粒：低丰度致病菌富集检测新突破

一、技术原理：双功能协同作用机制

研究采用溶剂热法合成Fe₃O₄核心（图2A），通过硅烷化引入双键后，与功能单体3-甲基丙烯酰胺苯硼酸（MAAPBA）及交联剂聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）共聚（图2B），形成粒径约252.5 nm的核壳结构。

图 1 硼酸功能化 Fe₃O₄纳米颗粒（Fe₃O₄@poly (PEGDA-co-MAAPBA) NPs）的合成步骤及其在低丰度致病菌富集与诊断中的应用示意图。

图2 Fe₃O₄@聚（PEGDA-co-MAAPBA）纳米颗粒（NPs）的合成方法示意图。硼酸功能化 Fe₃O₄纳米颗粒通过两步法制备：（A）双键功能化 Fe₃O₄纳米颗粒的制备；（B）双键功能化 Fe₃O₄纳米颗粒、交联剂聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）与功能单体 3 - 甲基丙烯酰胺基苯硼酸（MAAPBA）的共聚反应。

二、性能验证：革兰氏阳性菌特异性捕获

通过浊度测定、菌落计数及电镜分析证实（图3）：

•选择性：对金黄色葡萄球菌（S. aureus）、溶血葡萄球菌（S. haemolyticus）等革兰氏阳性菌捕获效率＞95%，而对大肠杆菌（E. coli）等革兰氏阴性菌无显著结合。

•灵敏度：将培养法检测限从30 CFU/mL降至0.4 CFU/mL（图4C）。

•重现性：5次循环使用后仍保持50%以上捕获能力（图4D）。

图3 （A）S4 纳米颗粒（NPs）添加量为 0-8 mg 时的浊度变化曲线。（B）S4 捕获细菌并通过平板培养法测定悬浮液中剩余细菌数量的实验流程，以及经 Fe₃O₄@聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）纳米颗粒或 Fe₃O₄@聚（PEGDA-co-3 - 甲基丙烯酰胺基苯硼酸（MAAPBA））纳米颗粒处理后，细菌上清液平板计数结果的图像。（C）革兰氏阳性菌与（D）革兰氏阴性菌的平板计数结果。（E）Fe₃O₄纳米颗粒、（F）Fe₃O₄@聚（PEGDA-co-MAAPBA）纳米颗粒、（G）Fe₃O₄@聚（PEGDA-co-MAAPBA）纳米颗粒存在时金黄色葡萄球菌细胞表面、（H）Fe₃O₄@聚（PEGDA-co-MAAPBA）纳米颗粒存在时大肠杆菌细胞表面的扫描电子显微镜（SEM）图像。

图4（A）S4 纳米颗粒（NPs）捕获细菌并通过平板培养法测定纳米颗粒上细菌数量的实验流程，以及培养细菌平板计数结果的图像。（B）未经过 S4 纳米颗粒处理的细菌溶液、（C）S4 纳米颗粒捕获革兰氏阳性菌后直接培养 24 h 的平板计数结果。与初始低浓度细菌溶液（对照组）相比，所有经 S4 处理的组别均呈现出显著更高的计数结果。（D）S4 纳米颗粒的可重复使用性。经过 5 次循环后，其捕获能力从 1.34×10³ CFU/mg 降至 6.75×10² CFU/mg。（E）几种温和洗脱剂的洗脱效率。辣根过氧化物酶（HRP）、葡萄糖、菊糖和蔗糖的洗脱率分别为 30.0%、15.8%、12.5% 和 13.6%。洗脱率的差异可能归因于硼酸亲和材料与不同洗脱剂之间亲和力的差异。

三、临床应用：复杂样本精准诊断

在模拟肠液及真实尿液样本中验证（图5-6）：

1.抗干扰能力：含40 CFU/mL大肠杆菌的尿液中，成功富集0.4 CFU/mL金黄色葡萄球菌。

2.富集倍数：在肠液中达118-318倍富集效率（图5）。

3.诊断价值：突破临床尿检阴性阈值（＜10⁴ CFU/mL），实现极早期感染诊断。

图5 Fe₃O₄@聚（PEGDA-co-MAAPBA）纳米颗粒（NPs）在肠液中对革兰氏阳性菌的富集能力。

图6 Fe₃O₄@聚（PEGDA-co-MAAPBA）纳米颗粒（NPs）在含大肠杆菌（E. coli，浓度约 40 CFU/mL）的尿液中，对金黄色葡萄球菌（S. aureus，浓度约 0.4 CFU/mL）或溶血葡萄球菌（S. haemolyticus，浓度约 0.4 CFU/mL）的富集能力与选择性。

四、技术优势与展望

相较于现有技术（表1），该研究开发的硼酸功能化 Fe₃O₄纳米颗粒，以低成本、高稳定性、可复用性等优势，为临床低丰度致病菌早期诊断提供新工具。

表1 纳米材料用于细菌的提取与检测（结果汇总）

团队计划开展血液样本验证，推动其在脓毒症早期诊断中的应用。该技术有望将病原菌诊断窗口期提前24-48小时，显著降低重症感染死亡率。

参考文献：

Chen J, Li S, Deng B, et al. Boronic acid-functionalized Fe 3 O 4 nanoparticles for activity-preserved enrichment of low-abundance bacteria from real samples[J]. RSC advances, 2025, 15(7): 5507-5522.