通过时间-频率分析，利用功能化磁性纳米粒子实现对大肠杆菌的超灵敏和特异性电化学检测

《ANALYTICAL AND BIOANALYTICAL CHEMISTRY》：Ultrasensitive and specific electrochemical detection of Escherichia coli via functionalized magnetic nanoparticles by time–frequency analysis

基于功能化磁性纳米颗粒的aptamer传感器结合贝叶斯优化-XGBoost模型，实现了大肠杆菌的高灵敏度定量检测（1 CFU/mL），检测范围10?-10? CFU/mL，R2达0.990。

　　

摘要

及时准确地识别病原菌对于遏制感染传播至关重要。传统的检测方法存在诸多局限性，例如处理时间长、样品预处理复杂、仪器成本高昂以及灵敏度不足，无法满足快速现场筛查的需求。为了解决这些问题，研究人员开发了一种基于功能化磁性纳米颗粒（MNPs）的适配体（Apt）传感器，用于检测大肠杆菌（Escherichia coli）。通过逐步改性制备了Fe₃O₄@Au纳米颗粒，随后通过Au–S键将适配体与纳米颗粒结合，形成Fe₃O₄@Au@Apt复合结构。通过将适配体与特异性的大肠杆菌识别位点结合，并利用磁性固相萃取技术，实现了目标细菌的有效捕获与分离。为了提高细菌浓度的预测准确性，构建了一种基于时频域特征的XGBoost模型。从等效电路模型（ECM）中提取了六个频域特征参数，从松弛时间分布（DRT）中提取了六个时域特征参数，并采用贝叶斯优化（BO）算法进行自动超参数搜索以减少预测误差。此外，Shapley Additive exPlanations（SHAP）分析表明，时频特征融合对于提升预测精度至关重要。实验结果表明，经过Fe₃O₄@Au@Apt改性的磁性玻璃碳电极（MGCE）能够在10⁰–10⁷ CFU/mL的浓度范围内实现对大肠杆菌的定量检测，检测限低至1 CFU/mL。基于BO-XGBoost的智能检测框架表现出优异的预测性能，其R²值为0.990，平均绝对误差（MAE）为0.087 CFU/mL，均方根误差（RMSE）为0.158 CFU/mL。该方法在食品安全和环境监测领域的大肠杆菌监测应用中展现出巨大潜力。