综述：利用磁性纳米材料富集食源性病原体：实现快速检测的关键步骤

《TRENDS IN FOOD SCIENCE & TECHNOLOGY》：Magnetic Nanomaterials-Enabled Enrichment of Foodborne Pathogens: A Critical Step toward Rapid Detection

　　董永珍|陈一平
中国辽宁省大连市大连理工大学食品科学与技术学院食品交叉科学研究院海洋食品加工与安全控制国家重点实验室，116034

**摘要**
背景
快速准确地检测食源性病原体仍然是全球食品安全监测面临的关键挑战。一个根本性的瓶颈在于从含有大量干扰物质（如蛋白质、脂肪和颗粒物）的复杂食品基质中高效预浓缩微量细菌细胞。这一限制严重影响了后续快速检测方法的灵敏度和可靠性。

**范围与方法**
本文认为，改进富集步骤不仅是一个初步的改进措施，更是决定整个检测工作流程性能的关键因素。我们系统地研究了磁性纳米材料的合理设计（核心合成、表面涂层、亲和配体的功能化）、磁性富集的操作机制（直接捕获与间接捕获、性能参数、基质挑战），以及富集与下游检测平台（核酸扩增、免疫测定、生物传感器、微流控技术）的无缝集成。最后，本文指出了标准化、成本和基质效应等持续存在的挑战，并概述了向多功能纳米杂化物、自动化微流控集成和智能系统发展的未来方向。

**主要发现与结论**
高效的磁性富集技术在多种食品基质中始终能够实现超过80%的捕获效率。亲和配体的选择对特异性、稳定性和基质兼容性有重要影响。要与检测平台成功集成，需要将富集和检测视为一个耦合系统，并使输出特性符合平台要求。持续存在的挑战包括基质干扰、非特异性结合、洗脱困难、标准化差距和可扩展性。我们得出结论，改进富集步骤是实现真正快速、灵敏且可在现场应用的食源性病原体检测的最直接途径。

**引言**
食源性疾病对全球公共卫生和经济稳定构成了普遍而严重的威胁（Li等人，2026b）。据估计，每年有6亿人因受污染的食物而生病，导致大量发病率、死亡率和贸易损失（Wang等人，2025b）。在众多污染源中，沙门氏菌属、单核细胞增生李斯特菌和大肠杆菌O157:H7等食源性病原体被认为是食源性疾病的主要原因（Fang等人，2024；Guo等人，2025b；Hanson等人，2026）。这些病原体分布广泛、传播迅速，并且在食品链中的含量通常较低，这加剧了其预防和控制的难度（Jha等人，2026）。例如，沙门氏菌属常与家禽、鸡蛋和乳制品相关；单核细胞增生李斯特菌与即食肉类和鱼类相关；大肠杆菌O157:H7与碎牛肉和绿叶蔬菜相关。了解这些病原体与食品之间的关联对于设计特定基质的富集策略至关重要。这一重大负担凸显了迫切需要快速、灵敏且现场可用的检测方法来监测食品供应链中的病原体污染物。

传统的金标准检测方法主要依赖于培养基方法，其分析时间较长，限制了它们在实时决策中的实用性。包括聚合酶链反应（PCR）、酶联免疫吸附测定（ELISA）和各种生物传感器在内的快速检测技术的发展有望弥补这一时间差距（Chandross-Cohen等人，2025；Gao等人，2024；Wang等人，2026a）。这些方法提供了更高的速度和特异性。然而，它们直接应用于实际食品样品时受到普遍存在的灵敏度瓶颈的限制。目标病原体通常存在于非常低的浓度下（每克仅1-10 CFU），并且存在于脂肪、蛋白质和碳水化合物等复杂的食品成分背景中，这严重限制了即使是最先进的分析仪器的灵敏度和可靠性（Ni等人，2026）。因此，有效的分离、纯化和浓缩策略对于充分发挥快速检测的潜力至关重要。因此，富集步骤超越了其作为简单样品制备程序的传统角色，成为决定整个检测工作流程灵敏度、速度和可靠性的关键因素。

磁性分离技术已成为解决这一预浓缩挑战的优秀方案，相比离心或过滤等传统方法具有明显优势（Wang和Lin，2020）。该方法的核心是工程化的磁性纳米材料，通常由氧化铁（如磁铁矿Fe3O4）或其他磁性元素组成，它们具有独特的物理化学性质组合。首先，它们的超顺磁行为使得在外加磁场下可以方便且可逆地操作而不会永久聚集，从而在整个富集过程中实现高效收集和重新分散。其次，它们的高表面积与体积比提供了丰富的结合位点，用于大量固定捕获配体，直接提高了结合能力和捕获效率。第三，其可调的表面化学性质允许使用多种涂层和生物分子进行稳健的功能化，确保在复杂生物基质中的胶体稳定性并最小化非特异性相互作用。这些特性使磁性纳米材料能够被设计成针对目标病原体的高特异性“捕获探针”。通过在其表面修饰亲和配体（如抗体和适配体），磁性纳米材料可以在异质样品悬浮液中选择性地识别并结合目标病原体（Kang等人，2022）。即使在存在竞争性背景微生物群落和食品基质成分的情况下，这种结合也能快速且高特异性地发生。捕获后，利用外部磁场进行磁性收集可以快速分离和浓缩结合的细菌，有效地将它们从大而复杂的体积转移到适合下游分析的小而干净的缓冲液中。这一过程通过去除干扰物质大大降低了样品复杂性，并显著提高了目标病原体的有效浓度。因此，后续检测的信噪比显著提高，直接解决了长期困扰快速检测方法的核心灵敏度限制。通过这种机制，基于磁性纳米材料的富集将复杂样品转化为适合高性能检测的形式，成为原始食品基质与分析读数系统之间的关键纽带。

**以往综述**
以往的综述全面调查了磁性颗粒在生物分离中的广泛应用（Eivazzadeh-Keihan等人，2021；Xiao等人，2022；Wang等人，2025a）。本文采用了一种聚焦且批判性的视角，认为富集步骤的效率是实现快速、灵敏且现场可用的食源性病原体检测的关键因素（图1）。我们认为，基于磁性纳米材料的富集不仅仅是一项独立技术，而是原始样品与分析设备之间不可或缺的接口。为了支持这一论点，本文系统地研究了磁性纳米材料如何被战略性地设计以克服富集瓶颈。关键主题包括材料设计原则、功能化策略以及控制捕获性能的操作机制。讨论进一步扩展到优化富集协议如何与主要检测平台集成，并解决了不同食品基质中的特定应用挑战。最后，我们将批判性地评估当前的限制，并对未来向多功能和集成系统发展的趋势进行分析。通过将富集视为一个关键的预备步骤，本文旨在为开发下一代食品安全检测的研究人员和技术专家提供战略路线图。

**部分摘录**
**常见的磁性核心**
磁性纳米材料在病原体富集中的性能从根本上取决于其核心组成、物理性质和合成路线。在各种磁性材料中，氧化铁（特别是磁铁矿Fe3O4和磁赤铁矿γ-Fe2O3）是最广泛用于生物分离应用的磁性核心（Le等人，2023）。这种优势源于它们强大的磁响应性、优异的生物相容性和易于表面修饰的特点。

**食品基质中的富集机制与应用**
食源性病原体的磁性富集通过不同的机制发挥作用，这些机制决定了其在不同样品类型中的有效性。工程化磁性纳米材料在富集工作流程中的性能不仅取决于其设计，还关键取决于这些机制如何应用于不同的实际食品基质。因此，必须将富集策略理解为实际应用结果的决定因素，而不仅仅是孤立地考虑。

**从高效富集到灵敏检测**
富集输出与所选检测平台之间的无缝集成至关重要。磁性富集的目标是实现灵敏检测。要实现这一目标，需要富集输出与所选检测平台之间的无缝集成。本章探讨了富集目标如何与下游分析平台接口，重点关注将捕获效率转化为可测量信号的集成策略。

**当前挑战**
尽管经过数十年的发展，与材料相关的挑战仍然存在。纳米颗粒合成的批次间差异影响了可重复性，特别是对于复杂的核壳结构或多功能探针而言。商业磁性珠子提供了稳定性，但成本可能过高，不适合常规筛查应用；而实验室合成的材料虽然具有灵活性，但牺牲了可重复性。功能化纳米颗粒在储存期间的稳定性也是一个问题。

**结论**
磁性纳米材料通过解决从复杂食品基质中高效预浓缩的长期挑战，彻底改变了病原体检测方式。通过实现微量目标的有效富集，它们显著提高了下游检测方法的灵敏度。富集不仅仅是一个预备步骤，而是整个检测性能的关键决定因素。任何检测系统的灵敏度、特异性和可靠性从根本上受到……

**未引用的参考文献**
Mi等人，2023a；Timonen和Grzybowski，2017。

**作者声明**
董永珍：研究的概念和设计、数据获取、数据分析和解释、文章起草
陈一平：研究的概念和设计、对重要学术内容的批判性修订、最终批准提交版本。

**利益冲突声明**
作者声明没有竞争性财务利益。

**致谢**
我们感谢国家自然科学基金（32502336）的财政支持。