用于快速提取、SERS检测和灭活细菌的等离子微针阵列贴片
原创 发布时间:2022-09-22 浏览次数: 38 来源: 曹璐璐

核心提示:开发的微针(MN)阵列贴片涂覆适配体-金纳米爆米花结构,利用亲水性微针(MN)阵列贴片能够提取基质中致病菌的能力,结合适配体-金纳米爆米花结构对大肠杆菌的特异性捕获,表面增强拉曼光谱(SERS)活性以及光热消融特性,实现对基质中大肠杆菌的提取、特异性识别和靶向消融。


  摘要:食品微生物污染是世界范围内的一个重要公共卫生问题,因此迫切需要针对食源性微生物快速、高效和安全的检测策略。在这项工作中,开发了一种等离子微针(MN)阵列贴片,用于快速提取和表面增强拉曼光谱(SERS)检测大肠杆菌。首先,在微模具中交联[2-(甲基丙烯酰氧基)乙基]三甲基氯化铵(TMA)、丙烯酸2-羧乙酯(CAA)和甲基丙烯酸2-羟乙基酯(HEMA)制备亲水性微针贴片。然后,用臭氧处理获得的微针贴片,并用具有表面增强拉曼光谱(SERS)活性的适配体-金纳米爆米花(GNPOP)涂覆。生成的等离子体微针(MN)贴片可以在3分钟内从琼脂糖模拟物中提取大肠杆菌,并且能够进行表面增强拉曼光谱(SERS)分析,检测限为143 CFU/g。所提出的检测方法对大肠杆菌具有很强的特异性,可用于评估商业羊肉样品中的大肠杆菌污染。此外,提取的细菌可通过光热灭菌有效灭活。

  等离子体微针(MN)阵列贴片检测原理图


  图中等离子体微针(MN)阵列贴片检测原理图为:首先在微模具中交联[2-(甲基丙烯酰氧基)乙基]三甲基氯化铵(TMA)、丙烯酸2-羧乙酯(CAA)和甲基丙烯酸2-羟乙基酯(HEMA)制备亲水性微针(MN)贴片。然后用臭氧处理获得的亲水性微针(MN)贴片,并用修饰有大肠杆菌适配体的金纳米爆米花(GNPOP)涂覆获得等离子微针贴片。等离子体微针(MN)阵列贴片可在琼脂模拟物中提取大肠杆菌,并进行表面增强拉曼光谱(SERS)分析。此外,在真实羊肉样品中该贴片也具有良好的应用效果。

  亲水性微针(MN)阵列贴片的合成与表征


  图A阐述了微针(MN)贴片主要是由2-(甲基丙烯酰氧基)乙基]三甲基氯化铵(TMA),丙烯酸2-羧乙酯(CAA)和甲基丙烯酸羟乙酯(HEMA)单体以及三乙二醇二甲基丙烯酸酯交联剂通过原位交联反应制得;图B中可以看出较高比例的甲基丙烯酸羟乙酯(HEMA)能够增强亲水性微针(MN)阵列贴片的机械性能,在2-(甲基丙烯酰氧基)乙基]三甲基氯化铵(TMA):丙烯酸2-羧乙酯(CAA):甲基丙烯酸羟乙酯(HEMA)为1:1:3的情况下,亲水性微针(MN)阵列贴片表现出最高的机械性能;图C为亲水性微针(MN)阵列贴片在不同孵育时间的溶胀率,从图中可以得出结论,在溶胀试验中,亲水性微针(MN)贴片在浸入超纯水中5分钟内溶胀率快速增加,而在孵育5分钟后,增加逐渐减缓;图D为亲水性微针(MN)阵列贴片数字图像,图中显示了由于亲水性微针贴片的交联作用,其在溶胀试验期间仍保持良好的完整性;图E为亲水性微针(MN)的SEM图,图中显示了等离子体微针(MN)具有圆锥形状,当进行图像放大时,发现等离子体微针(MN)表面相对圆滑。

  等离子体微针(MN)阵列贴片的合成和表征

  图A显示为金纳米爆米花以及适配体-金纳米爆米花的SEM图像;图B通过紫外-可见光谱显示,与球形金纳米颗粒520 nm的紫外吸收峰相比,适配体-金纳米爆米花在600 nm处显示出特征吸收峰;此外,通过图C适配体-金纳米爆米花结构的红外光谱图像在1082 cm−1 和 954 cm−1振动带的拉伸特性显示,适配体已经成功修饰到了金纳米爆米花结构上;图D为等离子体微针(MN)阵列贴片和未涂层的亲水性微针(MN)阵列贴片在荧光显微镜下的图像,可以看出,所获得的微针(MN)阵列贴片具有有序阵列结构。与亲水性微针(MN)阵列贴片相比,等离子体微针(MN)阵列贴片呈现出金色光泽;图E显示了等离子体微针(MN)阵列贴片比亲水性微针(MN)阵列贴片的机械性能弱,这是由于吸附在微针(MN)表面上的适配体-金纳米爆米花削弱了机械性能;图F显示为等离子体微针(MN)阵列贴片和未涂层的亲水性微针(MN)阵列贴片的顶部在荧光显微镜下的图像;图G为等离子体微针(MN)阵列贴片的SEM图像,其说明了在微针(MN)阵列贴片上成功的吸附了适配体-金纳米爆米花结构。

  琼脂糖模拟物中检测大肠杆菌的表面增强拉曼光谱(SERS)图


  图A显示了在琼脂糖模拟物中检测大肠杆菌的表面增强拉曼光谱(SERS)图像,在图中715、960、1140、1270、1457和1585cm−1处的信号强度随着大肠杆菌含量的增加而显著增强,通过分析,将1270 cm−1的信号作为主要的特征峰,715、960、1140、1457和1585cm−1处的信号作为额外的参考;图B显示为以1270 cm−1的特征峰作为信号时,信号强度与大肠杆菌浓度的线性关系图。图中信号强度与菌浓度的线性方程为:Y=72.14X-86.31,线性相关系数为0.970。

  


  图A显示为在琼脂糖模拟物中分别检测大肠杆菌,波罗的海希瓦氏菌,金黄色葡萄球菌以及对照组的表面增强拉曼光谱(SERS)图像,图中表明波罗的海希瓦氏菌,金黄色葡萄球菌的表面增强拉曼光谱与对照组相似,而大肠杆菌的表面增强拉曼光谱在1270 cm−1的特征峰值要明显高于其它三组;图B显示了以1270 cm−1特征峰值作为检测信号时,大肠杆菌的信号强度远高于波罗的海希瓦氏菌,金黄色葡萄球菌以及对照组。

  在真实羊肉中对大肠杆菌的表面增强拉曼光谱(SERS)检测


  图A为等离子体微针(MN)阵列贴片在羊肉中的取样图片,图中的微孔说明微针(MN)阵列贴片具有足够的机械强度插入到羊肉样品中;图B为羊肉样品在插入等离子体微针(MN)阵列贴片(下)和不插入等离子体微针(MN)阵列贴片(上)的苏木精&伊红染料的染色图,可以看出,不插入贴片的羊肉样品具有相对紧密的组织结构,而插入贴片的样品具有由微针(MN)渗透引起的显著空腔;图C显示为插入羊肉样品后等离子微针(MN)阵列贴片仍保持其完整性的SEM图像,表明其具有足够的机械强度;图D显示为在对羊肉样品中大肠杆菌进行检测时,可以观察到大肠杆菌的特征峰。

  微针(MN)贴片上细菌的光热消融图


  图A为红光照射期间微针(MN)阵列贴片的热成像;图B为红光照射期间微针(MN)贴片的温度变化,图中显示出了具有大量金纳米爆米花结构的微针(MN)阵列贴片具有很好的光热转换能力;图C为红光照射前后等离子微针(MN)阵列贴片上大肠杆菌的SEM图像,图中显示出红光照射后的等离子微针(MN)阵列贴片上可以观察到大肠杆菌的形态溶解和变形以及细菌碎片,表明等离子微针(MN)阵列贴片具有良好的光热消融能力。

  结论

  1、 开发的等离子微针(MN)阵列贴片能够3min内快速提取大肠杆菌,这为进行后续的快速检测奠定了基础;

  2、 该方法对琼脂糖模拟物中大肠杆菌的检出限为143 CFU/g,具有优越的特异性;

  3、 该方法在真实羊肉样品中仍表现出对大肠杆菌良好的检测性能;

  4、 在红光照射下,等离子微针(MN)阵列贴片能够消融大肠杆菌。

  因此,该研究提供了一个对大肠杆菌提取、检测、消融一体化的微针阵列贴片,为微生物分析开辟了新道路,简化了前处理和检测要求,使其在现场分析中具有巨大的潜力。

  参考文献:

  Wang Y B, Ni H J, Li H, et al. Plasmonic microneedle arrays for rapid extraction, SERS detection, and inactivation of bacteria. Chemical Engineering Journal, 442. DOI: https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.136140.

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