在抗生素與細菌長達 70 余年的對抗中，日益嚴峻的抗菌素耐藥性問題正推動科研走向縱深。最新研究發(fā)現(xiàn)，細菌釋放的揮發(fā)性有機化合物（VOCs）——這些由代謝活動生成的“分子指紋"，為精準識別菌種、破解耐藥機制提供了關鍵線索！Longshorewell Institute 研究團隊通過vAPCI-CMS 質(zhì)譜聯(lián)用方案，成功捕獲細菌代謝釋放的揮發(fā)性有機物（VOCs），僅需 24 小時即可 100% 區(qū)分大腸桿菌與金黃色葡萄球菌，2 小時即顯示部分區(qū)分能力！

技術亮點

快速檢測：僅需2分鐘完成樣本分析

高靈敏度：區(qū)分大腸桿菌（E.coli）與金黃色葡萄球菌（Staphylococcusaureus）

實時監(jiān)測：非破壞性采樣，支持長時間動態(tài)監(jiān)測，追蹤細菌生長過程中的VOC變化

實驗成果

24小時內(nèi)實現(xiàn)100%靈敏度與特異性區(qū)分；

僅需2小時即可部分區(qū)分細菌種類；

通過代謝組學分析，揭示細菌生長與VOC釋放的動態(tài)關系。

實驗方法

細菌平板制備流程

采用OD600值在0.2-0.5 AU（吸光度單位）的液體培養(yǎng)基菌液，制備細菌平板（見圖1）。所有接種平板均以一式三份制備，接種后置于37°C恒溫箱培養(yǎng)，確保數(shù)據(jù)可重復性。同步制備三組空白瓊脂平板，與接種平板共同培養(yǎng)，精準排除培養(yǎng)基背景干擾。

圖 1：(A) 大腸桿菌培養(yǎng)的瓊脂平板；(B) 金黃色葡萄球菌培養(yǎng)的瓊脂平板；以及兩者同時生長的平板。

vAPCI-MS細菌VOCs分析全流程

儀器配置：

     采用 AIS expression CMS 質(zhì)譜儀，搭載 vAPCI 離子源（圖2）

圖 2：vAPCI-CMS，用于采集揮發(fā)性有機化合物。

定制化平板采樣器（圖3）恒溫 37°C，與 100°C 加熱傳輸線直連。

圖 3：為 90mm 瓊脂平板設計的定制 VOC 采樣器，直接連接到 vAPCI

核心參數(shù)：

     離子源氣體溫度：350°C；

     毛細管溫度：250°C；

     傳輸線溫度：100°C；

     動態(tài)采樣傳輸線流速：600 mL/min；

     質(zhì)荷比范圍：m/z 30-300；

     單次掃描時間：400毫秒；

     接種后2/6/24/48/72/96小時取樣，單次分析僅需2分鐘對大腸桿菌進行24小時不間斷采樣，動態(tài)捕捉VOCs代謝指紋演變。

實驗結果

細菌VOCs的檢測

每個樣本通過 150 次質(zhì)譜掃描疊加，生成高信噪比特征光譜。圖 4 顯示了空白瓊脂板和接種 24 小時的大腸桿菌平板，差異峰直觀呈現(xiàn)菌株特異性代謝指紋。

圖 4：空白瓊脂平板（左）和接種 24 小時后的大腸桿菌平板的光譜

細菌VOC特征的區(qū)分

使用 SIMCA 軟件包（Umetrics，版本 14.1）進行多變量分析。利用從 m/z 30 到 300 的每個 m/z 響應生成統(tǒng)計模型，分別使用偏最小二乘判別分析（PLS-DA）和主成分分析（PCA）。對空白、大腸桿菌和金黃色葡萄球菌在 2 至 96 小時的每個時間點的聚類進行了評估。24 小時后空白組/大腸桿菌/金葡菌實現(xiàn) 100% 敏感度&特異性分離。在 2 小時時觀察到部分分離，金黃色葡萄球菌的靈敏度為 100%，特異性為 91.3%，而大腸桿菌的靈敏度為 87.5%，特異性為 73.9%（圖 5），提示代謝指紋在菌種潛伏期已具差異性！

圖 5：接種后 2 小時（左）和 48 小時（右）的空白瓊脂、大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的 PCA 分析得分圖

細菌生長動態(tài)追蹤

大腸桿菌是一種產(chǎn)生吲哚（m/z 118）的細菌，這是大腸桿菌光譜中的主要離子。通過在 24 小時內(nèi)監(jiān)測 m/z 118 的變化，可以確定大腸桿菌的生長曲線（圖 6）

圖 6：連續(xù) 24 小時監(jiān)測吲哚（m/z 118）的大腸桿菌生長曲線

多菌株同步檢測

基于多變量分析（MVA）篩選的特征標記物，可以實現(xiàn)大腸桿菌（E.coli）與金黃色葡萄球菌（S.aureus）的同步精準鑒別。圖7展示混合菌株的特征質(zhì)譜峰疊加圖譜。

圖 7：金黃色葡萄球菌（A）和單一平板上同時存在金黃色葡萄球菌和大腸桿菌（B）的譜圖

總結

基于 vAPCI 離子源與 AIS expression 質(zhì)譜儀的聯(lián)用技術，體外細菌培養(yǎng)物揮發(fā)性有機物（VOCs）檢測方案已通過實驗驗證。該技術具備以下核心優(yōu)勢：

非破壞性采樣

支持對細菌代謝特征的長期動態(tài)監(jiān)測，避免樣本損耗，適用于連續(xù)培養(yǎng)研究

智能菌株鑒別

24小時實現(xiàn)菌株100%精準區(qū)分（靈敏度與特異性雙達標）;

2小時早期預警：部分菌株（如金黃色葡萄球菌）鑒別準確率超91%