介电泳交叉频率与光学密度及菌落计数之间的相关性在评估金黄色葡萄球菌浓度分析中的应用

《Scientific Reports》：Correlation of dielectrophoretic crossover frequency with optical density and plate counts for assessing Staphylococcus aureus concentration analysis

　　

摘要

快速准确地评估细菌浓度至关重要，但传统方法存在检测灵敏度低、处理时间长的问题。光密度（OD???）检测在较高浓度下，即\(10^{7}到10^{8}\) CFU/mL时，检测灵敏度约为93%。在类似细菌浓度条件下，平板计数法的灵敏度为62%，且需要超过24小时进行培养和菌落计数。在本研究中，我们引入基于介电泳的交叉频率（f_x0）方法作为一种定量的、基于频率的指标，用于快速评估细菌浓度。我们测试了初始浓度为\(10^{5}到10^{8} CFU/ml\)的1:10、1:100和1:1000稀释比例的样本。初始浓度为1.5×10? CFU/mL时，其OD???值为0.12，平均平板计数为320 CFU，f_x0值为4.5 MHz，对应最密集的细菌群体。当浓度稀释至1:10时，这些数值分别降至OD???=0.08，220 CFU，f_x0=3.23 MHz。进一步稀释至1:100时，OD???值为0.05，186 CFU，f_x0=2.50 MHz；而浓度最低的1:1000稀释样本中，OD???值为0.011，80 CFU，f_x0=0.71 MHz，反映出细胞密度和导电性的降低。通过对OD???、平板计数及f_x0的响应归一化方程进行分析，其检测灵敏度分别为53.6%、59.15%和60.69%。根据各种方法对应的OD???、平板计数及基于DEP的f_x0值的变化趋势，我们绘制了线性拟合曲线：OD???的拟合度为R2=0.963，平板计数的拟合度为R2=0.949，基于DEP的f_x0的拟合度为R2=0.981。这些拟合曲线可作为在特定介质电导率（σ?）条件下，OD???、平板计数及基于DEP的f_x0值的参考值，用于后续的评估测试。我们在评估测试中设置了较高的电导率值，分别为0.8 S/m、0.6 S/m、0.4 S/m和0.2 S/m，以及较低的电导率值，分别为0.08 S/m、0.06 S/m、0.04 S/m和0.02 S/m，以此观察预期趋势线与实际测量值之间的差异。我们计算了预期值与测量值之间的偏差，结果显示OD???的均值偏差为116%，平板计数的均值偏差为49%，基于DEP的f_x0的均值偏差为60%，且p值小于0.05，这表明各种方法的预期值与实际测量值之间存在较强的线性关系，即在所测试的电导率范围内趋势一致，但在较高电导率条件下会出现非线性偏差。本文旨在通过评估不同方法在相同实验条件下的检测灵敏度、可靠性，以及基于线性回归的预期值与测量值对比，研究基于DEP的f_x0、OD???值与平板计数值之间的相关性，以用于金黄色葡萄球菌浓度的检测。研究结果表明，基于DEP的f_x0方法在检测灵敏度方面具有潜在优势，这一优势可通过线性回归分析得到电导率相关的验证。