利用壳聚糖包覆磁性纳米粒子进行广谱细菌捕获：在环境胁迫、竞争条件及食品基质下的性能

《Microchemical Journal》：Broad-spectrum bacterial capture using chitosan-coated magnetic nanoparticles: Performance under environmental stress, competitive conditions, and food matrices

　　

• 成功合成了壳聚糖包覆 Fe?O? 磁性纳米颗粒，优化了合成参数，并通过全面的物理化学表征系统地阐明了细菌捕获机制。
• 细菌捕获效率取决于纳米颗粒浓度和 pH 值。
• 实现了广谱细菌捕获。
• 在食品基质样品中展示了有效的细菌回收。
• 在环境胁迫条件下保持了高捕获效率。

引言
食源性病原体仍然是全球主要的公共卫生关注点。仅在美国，据估计每年约有 4800 万人遭受食源性疾病困扰，导致约 12.8 万人住院和 3000 人死亡 [1], [2]。同样，在欧洲，每年也有数百万病例报告，沙门氏菌、单核细胞增生李斯特菌和大肠杆菌等病原体是导致严重感染和爆发的主要原因 [3], [4], [5]。除了对人类健康的影响外，这些病原体还因医疗费用、食品召回和消费者信心下降而造成巨大的经济损失 [6]。即食和最少加工食品消费的增加进一步加剧了污染风险，需要快速、灵敏且可靠的检测方法。传统的基于培养的技术虽然被认为是金标准，但耗时且通常与易腐食品产品的短保质期不兼容 [7]。相比之下，基于生物传感器的平台和分子检测方法提供了更快、更灵敏的替代方案；然而，它们的性能通常受限于复杂食品基质中目标细菌浓度低 [8]。因此，检测前通常需要有效的预浓缩步骤以提高灵敏度和可靠性。

传统的细菌分离方法，如离心和过滤，依赖于大小和密度差异，但在复杂的食品和临床基质中往往效率有限，通常需要多个步骤或富集 [9]。磁性纳米颗粒（MNPs）提供了一个有前景的替代方案，由于其超顺磁行为、大表面积和对外部磁场的快速响应，即使在复杂基质中也能实现有效的分散和回收 [7], [10]。此外，它们的表面易于功能化，允许设计可适应各种分析应用的生物界面 [11]。MNPs 已被广泛纳入生物传感平台，因为它们能够实现磁富集、目标隔离、纯化、生物分子固定和信号增强，从而提高下游分析方法的灵敏度和可靠性。然而，大多数报道的基于磁性纳米颗粒的检测系统依赖于特定的生物识别元件（如抗体或适配体）来选择性捕获目标微生物 [12]。虽然这些方法提供了高特异性，但它们增加了检测的复杂性、成本和表面功能化要求，同时通常只针对有限数量的细菌物种。相比之下，非特异性磁捕获策略利用物理化学相互作用来实现广谱细菌预浓缩，无需生物识别元件，这使得它们作为通用样品制备平台特别具有吸引力。

其中，基于壳聚糖的涂层因其生物相容性和丰富的官能团化学而引起了广泛关注 [13]。壳聚糖提供氨基和羟基，通过静电吸引、氢键和其他非特异性力促进与细菌细胞表面的相互作用 [14], [15]。虽然这种非特异性结合缺乏基于抗体或适配体系统的选择性，但它提供了一个关键优势，即能够同时捕获多种细菌物种，使其非常适合作为通用预浓缩步骤。在这种情况下，非特异性捕获不应被视为局限性，而是一种战略优势，因为它允许在下游检测前进行快速富集。磁分离后，浓缩的细菌部分可以使用电化学传感器、光学方法、PCR 或测序等选择性技术进行分析，特异性在后期阶段引入 [16]。然而，控制非特异性细菌捕获的机制，以及环境胁迫和种间相互作用的影响，仍未得到充分理解。解决这些方面对于提高捕获效率和确保实际应用的可靠性能至关重要。

在本研究中，合成了壳聚糖包覆磁性纳米颗粒（CS-MNPs）并优化了制备条件，以开发用于食源性细菌的广谱、非特异性预浓缩平台。对其物理化学性质进行了全面表征，并在环境胁迫、竞争条件和代表性食品基质下，使用不同细菌物种系统评估了捕获性能。与主要关注简化实验室条件或目标特异性磁捕获系统的先前研究不同 [17], [18]，这项工作提供了在实际食品分析相关条件下非特异性细菌捕获的全面评估。研究结果证明了所提出的 CS-MNP 平台作为鲁棒且通用的预浓缩步骤的潜力，可以与下游生物传感、分子和基于培养的检测方法集成。此外，还讨论了通过表面功能化引入目标特异性的未来前景。

章节片段
材料
所有化学品均为分析纯。FeCl?·6H?O、乙二醇、醋酸钠和壳聚糖（50,000–190,000 Da, ≥75% 脱乙酰度）用于纳米颗粒合成。超纯水（II 型）和 PBS（pH 7.4）用于制备和清洗。TSA、EMB 和 XLD 琼脂用于培养和计数。在食品分析中，BPW 和 RVS 用于预富集和选择性富集，MRD 用于稀释。使用磁架进行磁分离。

细菌菌株
培养物为

壳聚糖包覆磁性纳米颗粒细菌捕获优化
二次模型的适用性通过方差分析（ANOVA）进行评估，结果见表 S1。壳聚糖浓度和相互作用时间影响捕获效率，而细菌载量没有明显的线性效应。增加壳聚糖会降低效率，而较长的相互作用时间会提高效率。变量与捕获效率之间的关系由二阶多项式模型描述如下：
捕获效率%=71.2–40.6A?2.105B+12.58C?4.

结论与未来展望
本研究证明 CS-MNPs 是食源性细菌非特异性预浓缩的有效且可扩展的平台。该系统无需生物识别元件即可实现快速捕获，提供了一种简单且成本效益高的样品制备方法。细菌捕获主要由静电相互作用驱动，允许在不同环境胁迫条件下保持稳定性能。值得注意的是，捕获效率在很大程度上独立于细菌活力，

人工智能使用声明
作者使用基于人工智能的工具进行语言编辑和精简。所有科学内容、解释和结论均由作者开发，手稿已由其全面审查和批准。

CRediT 作者贡献声明
Damla Eren：写作 – 初稿，可视化，调查，形式分析，数据整理。Esma Eser：写作 – 审阅与编辑，监督，项目管理，方法论，形式分析，概念化。Mustafa Kemal Sezgintürk：写作 – 审阅与编辑，监督，方法论。

利益冲突声明
作者声明他们没有任何已知的可能影响本报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢
本研究得到土耳其科学技术研究委员会（TüB?TAK）项目号 124Z510 的支持，以及恰纳卡莱 18 马蒂大学科学研究项目协调单位（项目编号：FYL-2025-5075）的支持。

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