使用荧光即时检测（PoC）阵列快速检测金黄色葡萄球菌，为围手术期感染预防提供指导

《Biosensors and Bioelectronics》：Rapid detection of Staphylococcus aureus using a fluorescent PoC array for perioperative guidance for infection

金黄色葡萄球菌分泌体检测的便携式荧光传感器阵列开发及验证。该设备通过20种荧光探针阵列直接检测生物流体中的细菌分泌体，无需预处理或信号放大，40分钟内实现102 CFU/mL的低检测限，并有效区分与其他革兰氏阳/阴性菌。实验在TSB和模拟滑液中进行，验证了其在复杂基质中的适用性，单次成本约5欧元，适用于术中快速诊断和基层医疗场景。

　　这项研究介绍了一种创新的便携式点对点（Point-of-Care, PoC）检测设备，它基于荧光传感器阵列，能够直接从生物液体中快速检测出金黄色葡萄球菌（*Staphylococcus aureus*）。金黄色葡萄球菌是导致人工关节感染（periprosthetic joint infection）的主要病原体之一，尤其是在手术前后，其早期检测对于制定有效的治疗方案和优化患者管理至关重要。传统的培养和诊断测试方法虽然在临床中广泛应用，但它们往往耗时较长，需要大量的人工操作，难以满足快速诊断的需求。此外，这些方法在某些情况下，如细菌载量较低或样本采集不充分时，容易出现漏检或误判的情况。因此，开发一种快速、准确且易于使用的检测工具成为亟需解决的问题。

该研究提出的荧光传感器阵列系统，具有独特的结构和工作原理。它由20种不同的合成荧光探针组成，这些探针被固定在传感器阵列上，能够通过与细菌分泌物中的代谢产物发生非共价相互作用，产生特定的荧光响应模式。这种模式通过化学计量学分析或机器学习模型进行解析，从而实现对目标细菌的快速识别和定量分析。与传统的分子诊断方法（如PCR和基因测序）相比，该系统无需对样本进行预处理或信号放大，简化了检测流程，降低了操作难度，并且显著减少了假阳性的发生率。同时，该设备具有较高的选择性和灵敏度，能够在复杂的生物样本中准确区分金黄色葡萄球菌与其他常见的革兰氏阳性或阴性细菌。

在实验设计方面，研究人员首先对细菌培养物进行了详细的准备。金黄色葡萄球菌在Tryptic Soy Broth（TSB）培养基中培养至指数生长期，随后通过系列稀释获得不同浓度的菌液。为了去除细菌细胞，所有样本均经过离心和0.22微米过滤处理。此外，还准备了不含细菌的TSB作为阴性对照，以排除培养基本身对检测结果的干扰。通过这种标准化的样本处理流程，确保了实验结果的可重复性和可靠性。

接下来，研究人员使用荧光传感器阵列对不同浓度的金黄色葡萄球菌培养液进行了检测。通过测量探针在暴露于细菌分泌物前后的荧光强度变化，并结合化学计量学分析，系统能够在40分钟内完成检测并提供可靠的定量结果。这一检测限达到了102 CFU/mL，意味着即使在细菌载量较低的情况下，该设备也能有效识别目标病原体。实验中还通过机器学习模型对数据进行了处理，进一步提高了检测的准确性和鲁棒性。例如，使用偏最小二乘法（PLS）模型，研究人员能够建立一个与实际检测数据高度吻合的校准曲线，显示出极高的线性相关性（R2 = 0.9992）。

为了验证该设备的选择性，研究人员还对其他几种常见的与骨科手术相关的病原体进行了测试，包括表皮葡萄球菌（*Staphylococcus epidermidis*）、大肠杆菌（*Escherichia coli*）、铜绿假单胞菌（*Pseudomonas aeruginosa*）和粪肠球菌（*Enterococcus faecalis*）。结果显示，这些病原体在相同浓度下的荧光响应模式各不相同，表明该传感器阵列具有良好的区分能力。通过进一步的PLS-DA（偏最小二乘判别分析）模型，研究人员能够将这些细菌与其他样本区分开来，即使在混合样本中也能保持较高的识别准确率。这种多变量分析方法不仅提高了检测的灵敏度，还增强了系统在复杂样本环境下的适用性。

在实际应用方面，该设备的检测性能得到了进一步验证。研究人员将金黄色葡萄球菌培养液加入模拟滑膜液中，模拟了临床环境中可能遇到的复杂样本条件。实验结果显示，即使在含有多种成分的滑膜液中，该设备仍然能够准确检测出金黄色葡萄球菌的存在，并在不同浓度下实现定量分析。这一结果表明，该传感器阵列不仅适用于实验室环境，也适用于临床现场的快速诊断需求。此外，研究人员还指出，该设备的检测成本约为每份样本5欧元，相较于现有的许多分子诊断方法，具有显著的成本优势。这种低成本、高灵敏度和高选择性的特性，使得该设备在资源有限的地区或现场医疗环境中具有广阔的应用前景。

在技术实现方面，该设备的结构和操作流程也体现了其便携性和易用性。整个检测过程由一个包含紫外LED光源、光纤检测系统和CCD光谱检测器的紧凑装置完成。通过MATLAB等软件对检测数据进行自动化处理，不仅提高了分析效率，还减少了人为操作带来的误差。研究人员还提到，该设备的设计理念是“无标记”检测，即不需要对样本进行复杂的化学修饰或标记，从而简化了操作步骤并降低了对专业技术人员的依赖。这一特性使得该设备更适合在非实验室环境中使用，例如手术室、急诊科或基层医疗机构。

尽管该设备在多个方面表现出色，但研究人员也指出了其潜在的局限性。目前，该系统在混合细菌样本中的定量分析能力仍存在一定挑战，尤其是在不同细菌种类共存的情况下，可能会影响检测结果的准确性。为了解决这一问题，研究人员提出可以通过增加探针种类，进一步提升系统的选择性和灵敏度。此外，虽然该设备已经能够在模拟滑膜液中实现有效的检测，但其在真实临床样本中的应用仍需进一步验证。未来的工作将集中在将该检测系统集成到微流控芯片中，以实现更自动化、标准化的检测流程，并提高其在实际临床中的适用性。

总体而言，这项研究提出了一种创新的点对点检测设备，它结合了荧光传感器阵列、化学计量学分析和机器学习技术，能够在不进行样本预处理或信号放大的前提下，快速、准确地检测出金黄色葡萄球菌。该设备不仅具有较高的检测灵敏度和选择性，还具备低成本、便携性和易操作性等优势，使其在临床环境中具有重要的应用价值。特别是在手术前和手术后的快速诊断中，该设备能够为医生提供及时的感染信息，从而帮助制定更有效的治疗策略，减少住院时间、降低治疗成本并提高患者的生存率。未来，随着微流控技术的进一步发展，该设备有望成为一种更加成熟和实用的临床诊断工具，为感染性疾病的早期干预提供强有力的支持。