磁性诱导聚集辅助纳米平台，实现大肠杆菌双模式检测与协同消杀

食源性致病菌，特别是大肠杆菌O157:H7的污染，对公共卫生构成严重威胁。尽管目前已开发出多种基于纳米材料的高灵敏度、高特异性生物传感检测方法（如荧光、比色、电化学、光电化学等），但这些方法通常仅具备诊断功能，无法在检测后立即对目标病原体进行原位灭活。单原子碳点因其原子级分散的金属中心和优异的过氧化物酶样活性，能够催化产生活性氧，在抗菌应用中表现出色。然而，单独的ROS杀菌效果有限。为了在复杂的食品基质中实现对微量目标细菌的特异性富集并放大检测信号，一个高效的磁分离模块至关重要。

本研究构建了基于磁性纳米棒的高效磁分离组件，并通过修饰支链聚谷氨酸和特异性小分子配体4-氨基苯基-α-D-甘露吡喃糖苷，实现了对大肠杆菌O157:H7的高效、选择性捕获。该设计的核心创新在于将适配体修饰的MPDA/Pd单原子碳点复合探针与高效的磁分离模块进行整合，形成一个既能进行比色-光热双模式检测，又能在阳性结果后立即启动两阶段协同杀菌的多功能平台。其中，磁诱导的空间聚集效应显著缩短了杀菌活性成分与病原体之间的作用距离，而探针的光热效应与酶催化活性则协同发挥作用，最大化杀菌效能，从而为控制食源性病原体提供了一种创新的“检测-杀菌”一体化解决方案。

研究内容

图1.MPDA/PdSA@DA-CDs/Apt的合成与表征

通过两步法成功合成了钯单原子纳米酶PdSA@DA-CDs，TEM显示其为直径约4nm的单分散球形纳米颗粒，HAADF-STEM图像证实了Pd原子的单原子分散状态。选择具有优异负载能力、光热转换效率和生物相容性的MPDA作为载体，通过π-π堆积和静电作用自组装负载PdSA@DA-CDs，形成了MPDA/PdSA@DA-CDs复合材料。TEM和元素映射分析证实PdSA@DA-CDs成功填充到MPDA的介孔通道中。XPS和UV-Vis光谱进一步验证了复合材料的成功制备。

图2.MPDA/PdSA@DA-CDs的类酶活性

MPDA/PdSA@DA-CDs复合材料的催化活性源于其PdSA@DA-CDs组分。以TMB为显色底物的测试表明，该纳米酶在H₂O₂存在下可催化TMB氧化产生特征吸收峰，证明其主要具有过氧化物酶样活性。与未掺杂的DA-CDs相比，PdSA@DA-CDs的酶活性显著提高，而复合材料的活性略有下降，可能与MPDA部分屏蔽活性位点有关。电子顺磁共振分析证实催化过程中产生的主要自由基是·OH。

图3.MPDA/PdSA@DA-CDs的光热性能

在808nm近红外激光照射下，MPDA/PdSA@DA-CDs表现出显著的光热转换性能。与单独的MPDA相比，复合材料的光热升温略有下降，这可能是由于PdSA@DA-CDs的接枝对热扩散产生了轻微影响。然而，接枝带来的益处显著：高活性的POD样催化反应产生的·OH不仅能用于检测，还能协同增强光热杀菌效果。光热强度与复合材料浓度及激光功率密度呈正相关。经过四次激光开关循环测试，材料表现出优异的光热稳定性，计算得到的光热转换效率为35.14%。此外，研究还发现，光热过程产生的热量可以促进芬顿样反应动力学，增强ROS生成，从而在较低ROS浓度和较温和温度下实现高效协同杀菌。

图4.传感平台的检测性能评估

当样品中存在大肠杆菌O157:H7时，它会与MPDA/PdSA@DA-CDs/Apt探针和MNRs/PGA/AM磁分离模块形成夹心复合物。经磁分离和重悬后，该复合物可产生比色和光热双模信号。在10²至10⁸cfu/mL的线性范围内，两种模式的信号强度均随细菌浓度增加而增加。比色模式的检测限为8.6×10¹cfu/mL，光热模式的检测限为4.6×10¹cfu/mL。特异性测试表明，该平台对大肠杆菌O157:H7具有高特异性，对8种非目标食源性病原体和4种非O157:H7大肠杆菌菌株的信号与空白对照组无显著差异。

图5.两阶段协同作用增强的抗菌和抗生物膜活性

研究开发了一种新型的两阶段协同杀菌策略。一方面，磁分离组件诱导的空间聚集效应显著缩短了相互作用距离；另一方面，靶向探针吸附在细菌表面，其光热效应加速了PdSA@DA-CDs催化剂产生活性氧。生存率分析和平板计数显示，单独使用低浓度H₂O₂或近红外照射效果甚微，而结合纳米探针、H₂O₂和近红外的协同处理组杀菌效果显著。当进一步引入MNRs/PGA/AM进行磁富集后，实现了100%的杀菌率，且在72小时后无再生。CLSM和SEM观察证实了协同处理对细菌形态的严重破坏。对核酸、蛋白质和乳酸脱氢酶释放量的定量分析表明，该协同平台通过物理膜熔化和化学氧化损伤的双重途径，导致细菌膜通透性急剧增加、胞质内容物泄漏和不可逆的结构损伤。此外，该平台对生物膜也表现出显著的根除能力，能够破坏生物膜的胞外聚合物基质，为解决顽固的生物膜感染提供了新策略。

本研究成功构建了一个集高灵敏度检测与即时高效杀菌于一体的多功能纳米平台，以应对致病性大肠杆菌O157:H7的威胁。其核心创新在于巧妙整合了适配体修饰的复合纳米探针和高效的磁分离模块。探针结合了Pd单原子碳点的高POD样催化活性和MPDA的优异光热性能，实现了对目标细菌的比色-光热双模式视觉检测。双信号模式相互验证，有效降低了假阳性/假阴性风险。总之，该平台创新性地整合了特异性识别/捕获、双信号检测和磁诱导聚集辅助协同杀菌，不仅为大肠杆菌O157:H7的快速现场检测提供了可靠工具，还能在确认阳性后立即进行高效靶向灭菌，显著降低了交叉污染风险并规避了抗生素耐药性问题，为开发下一代“检测-杀菌”一体化智能生物传感器提供了新思路。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.bios.2026.118522