在抗生素与细菌长达 70 余年的对抗中，日益严峻的抗菌素耐药性问题正推动科研走向纵深。最新研究发现，细菌释放的挥发性有机化合物（VOCs）——这些由代谢活动生成的“分子指纹"，为精准识别菌种、破解耐药机制提供了关键线索！Longshorewell Institute 研究团队通过vAPCI-CMS 质谱联用方案，成功捕获细菌代谢释放的挥发性有机物（VOCs），仅需 24 小时即可 100% 区分大肠杆菌与金黄色葡萄球菌，2 小时即显示部分区分能力！

技术亮点

快速检测：仅需2分钟完成样本分析

高灵敏度：区分大肠杆菌（E.coli）与金黄色葡萄球菌（Staphylococcusaureus）

实时监测：非破坏性采样，支持长时间动态监测，追踪细菌生长过程中的VOC变化

实验成果

24小时内实现100%灵敏度与特异性区分；

仅需2小时即可部分区分细菌种类；

通过代谢组学分析，揭示细菌生长与VOC释放的动态关系。

实验方法

细菌平板制备流程

采用OD600值在0.2-0.5 AU（吸光度单位）的液体培养基菌液，制备细菌平板（见图1）。所有接种平板均以一式三份制备，接种后置于37°C恒温箱培养，确保数据可重复性。同步制备三组空白琼脂平板，与接种平板共同培养，精准排除培养基背景干扰。

图 1：(A) 大肠杆菌培养的琼脂平板；(B) 金黄色葡萄球菌培养的琼脂平板；以及两者同时生长的平板。

vAPCI-MS细菌VOCs分析全流程

仪器配置：

     采用 AIS expression CMS 质谱仪，搭载 vAPCI 离子源（图2）

图 2：vAPCI-CMS，用于采集挥发性有机化合物。

定制化平板采样器（图3）恒温 37°C，与 100°C 加热传输线直连。

图 3：为 90mm 琼脂平板设计的定制 VOC 采样器，直接连接到 vAPCI

核心参数：

     离子源气体温度：350°C；

     毛细管温度：250°C；

     传输线温度：100°C；

     动态采样传输线流速：600 mL/min；

     质荷比范围：m/z 30-300；

     单次扫描时间：400毫秒；

     接种后2/6/24/48/72/96小时取样，单次分析仅需2分钟对大肠杆菌进行24小时不间断采样，动态捕捉VOCs代谢指纹演变。

实验结果

细菌VOCs的检测

每个样本通过 150 次质谱扫描叠加，生成高信噪比特征光谱。图 4 显示了空白琼脂板和接种 24 小时的大肠杆菌平板，差异峰直观呈现菌株特异性代谢指纹。

图 4：空白琼脂平板（左）和接种 24 小时后的大肠杆菌平板的光谱

细菌VOC特征的区分

使用 SIMCA 软件包（Umetrics，版本 14.1）进行多变量分析。利用从 m/z 30 到 300 的每个 m/z 响应生成统计模型，分别使用偏最小二乘判别分析（PLS-DA）和主成分分析（PCA）。对空白、大肠杆菌和金黄色葡萄球菌在 2 至 96 小时的每个时间点的聚类进行了评估。24 小时后空白组/大肠杆菌/金葡菌实现 100% 敏感度&特异性分离。在 2 小时时观察到部分分离，金黄色葡萄球菌的灵敏度为 100%，特异性为 91.3%，而大肠杆菌的灵敏度为 87.5%，特异性为 73.9%（图 5），提示代谢指纹在菌种潜伏期已具差异性！

图 5：接种后 2 小时（左）和 48 小时（右）的空白琼脂、大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的 PCA 分析得分图

细菌生长动态追踪

大肠杆菌是一种产生吲哚（m/z 118）的细菌，这是大肠杆菌光谱中的主要离子。通过在 24 小时内监测 m/z 118 的变化，可以确定大肠杆菌的生长曲线（图 6）

图 6：连续 24 小时监测吲哚（m/z 118）的大肠杆菌生长曲线

多菌株同步检测

基于多变量分析（MVA）筛选的特征标记物，可以实现大肠杆菌（E.coli）与金黄色葡萄球菌（S.aureus）的同步精准鉴别。图7展示混合菌株的特征质谱峰叠加图谱。

图 7：金黄色葡萄球菌（A）和单一平板上同时存在金黄色葡萄球菌和大肠杆菌（B）的谱图

总结

基于 vAPCI 离子源与 AIS expression 质谱仪的联用技术，体外细菌培养物挥发性有机物（VOCs）检测方案已通过实验验证。该技术具备以下核心优势：

非破坏性采样

支持对细菌代谢特征的长期动态监测，避免样本损耗，适用于连续培养研究

智能菌株鉴别

24小时实现菌株100%精准区分（灵敏度与特异性双达标）;

2小时早期预警：部分菌株（如金黄色葡萄球菌）鉴别准确率超91%