用于快速提取、SERS檢測(cè)和滅活細(xì)菌的等離子微針陣列貼片
發(fā)布時(shí)間：2024-09-02 瀏覽次數(shù)：38
摘要：食品微生物污染是世界范圍內(nèi)的一個(gè)重要公共衛(wèi)生問(wèn)題，因此迫切需要針對(duì)食源性微生物快速、高效和安全的檢測(cè)策略。在這項(xiàng)工作中，開(kāi)發(fā)了一種等離子微針(MN)陣列貼片，用于快速提取和表面增強(qiáng)拉曼光譜(SERS)檢測(cè)大腸桿菌。首先，在微模具中交聯(lián)[2-(甲基丙烯酰氧基)乙基]三甲基氯化銨(TMA)、丙烯酸2-羧乙酯(CAA)和甲基丙烯酸2-羥乙基酯(HEMA)制備親水性微針貼片。然后，用臭氧處理獲得的微針貼片，并用具有表面增強(qiáng)拉曼光譜(SERS)活性的適配體-金納米爆米花(GNPOP)涂覆。生成的等離子體微針(MN)貼片可以在3分鐘內(nèi)從瓊脂糖模擬物中提取大腸桿菌，并且能夠進(jìn)行表面增強(qiáng)拉曼光譜(SERS)分析，檢測(cè)限為143 CFU/g。所提出的檢測(cè)方法對(duì)大腸桿菌具有很強(qiáng)的特異性，可用于評(píng)估商業(yè)羊肉樣品中的大腸桿菌污染。此外，提取的細(xì)菌可通過(guò)光熱滅菌有效滅活。
等離子體微針(MN)陣列貼片檢測(cè)原理圖
上圖中等離子體微針(MN)陣列貼片檢測(cè)原理圖為：首先在微模具中交聯(lián)[2-(甲基丙烯酰氧基)乙基]三甲基氯化銨(TMA)、丙烯酸2-羧乙酯(CAA)和甲基丙烯酸2-羥乙基酯(HEMA)制備親水性微針(MN)貼片。然后用臭氧處理獲得的親水性微針(MN)貼片，并用修飾有大腸桿菌適配體的金納米爆米花(GNPOP)涂覆獲得等離子微針貼片。等離子體微針(MN)陣列貼片可在瓊脂模擬物中提取大腸桿菌，并進(jìn)行表面增強(qiáng)拉曼光譜(SERS)分析。此外，在真實(shí)羊肉樣品中該貼片也具有良好的應(yīng)用效果。
親水性微針(MN)陣列貼片的合成與表征
圖A闡述了微針(MN)貼片主要是由2-(甲基丙烯酰氧基)乙基]三甲基氯化銨(TMA)，丙烯酸2-羧乙酯(CAA)和甲基丙烯酸羥乙酯(HEMA)單體以及三乙二醇二甲基丙烯酸酯交聯(lián)劑通過(guò)原位交聯(lián)反應(yīng)制得;圖B中可以看出較高比例的甲基丙烯酸羥乙酯(HEMA)能夠增強(qiáng)親水性微針(MN)陣列貼片的機(jī)械性能，在2-(甲基丙烯酰氧基)乙基]三甲基氯化銨(TMA)：丙烯酸2-羧乙酯(CAA)：甲基丙烯酸羥乙酯(HEMA)為1:1:3的情況下，親水性微針(MN)陣列貼片表現(xiàn)出最高的機(jī)械性能;圖C為親水性微針(MN)陣列貼片在不同孵育時(shí)間的溶脹率，從圖中可以得出結(jié)論，在溶脹試驗(yàn)中，親水性微針(MN)貼片在浸入超純水中5分鐘內(nèi)溶脹率快速增加，而在孵育5分鐘后，增加逐漸減緩;圖D為親水性微針(MN)陣列貼片數(shù)字圖像，圖中顯示了由于親水性微針貼片的交聯(lián)作用，其在溶脹試驗(yàn)期間仍保持良好的完整性;圖E為親水性微針(MN)的SEM圖，圖中顯示了等離子體微針(MN)具有圓錐形狀，當(dāng)進(jìn)行圖像放大時(shí)，發(fā)現(xiàn)等離子體微針(MN)表面相對(duì)圓滑。
等離子體微針(MN)陣列貼片的合成和表征
圖A顯示為金納米爆米花以及適配體-金納米爆米花的SEM圖像;圖B通過(guò)紫外-可見(jiàn)光譜顯示，與球形金納米顆粒520 nm的紫外吸收峰相比，適配體-金納米爆米花在600 nm處顯示出特征吸收峰;此外，通過(guò)圖C適配體-金納米爆米花結(jié)構(gòu)的紅外光譜圖像在1082 cm?1 和 954 cm?1振動(dòng)帶的拉伸特性顯示，適配體已經(jīng)成功修飾到了金納米爆米花結(jié)構(gòu)上;圖D為等離子體微針(MN)陣列貼片和未涂層的親水性微針(MN)陣列貼片在熒光顯微鏡下的圖像，可以看出，所獲得的微針(MN)陣列貼片具有有序陣列結(jié)構(gòu)。與親水性微針(MN)陣列貼片相比，等離子體微針(MN)陣列貼片呈現(xiàn)出金色光澤;圖E顯示了等離子體微針(MN)陣列貼片比親水性微針(MN)陣列貼片的機(jī)械性能弱，這是由于吸附在微針(MN)表面上的適配體-金納米爆米花削弱了機(jī)械性能;圖F顯示為等離子體微針(MN)陣列貼片和未涂層的親水性微針(MN)陣列貼片的頂部在熒光顯微鏡下的圖像;圖G為等離子體微針(MN)陣列貼片的SEM圖像，其說(shuō)明了在微針(MN)陣列貼片上成功的吸附了適配體-金納米爆米花結(jié)構(gòu)。
瓊脂糖模擬物中檢測(cè)大腸桿菌的表面增強(qiáng)拉曼光譜(SERS)圖
圖A顯示了在瓊脂糖模擬物中檢測(cè)大腸桿菌的表面增強(qiáng)拉曼光譜(SERS)圖像，在圖中715、960、1140、1270、1457和1585cm?1處的信號(hào)強(qiáng)度隨著大腸桿菌含量的增加而顯著增強(qiáng)，通過(guò)分析，將1270 cm?1的信號(hào)作為主要的特征峰，715、960、1140、1457和1585cm?1處的信號(hào)作為額外的參考;圖B顯示為以1270 cm?1的特征峰作為信號(hào)時(shí)，信號(hào)強(qiáng)度與大腸桿菌濃度的線性關(guān)系圖。圖中信號(hào)強(qiáng)度與菌濃度的線性方程為：Y=72.14X-86.31，線性相關(guān)系數(shù)為0.970。
圖A顯示為在瓊脂糖模擬物中分別檢測(cè)大腸桿菌，波羅的海希瓦氏菌，金黃色葡萄球菌以及對(duì)照組的表面增強(qiáng)拉曼光譜(SERS)圖像，圖中表明波羅的海希瓦氏菌，金黃色葡萄球菌的表面增強(qiáng)拉曼光譜與對(duì)照組相似，而大腸桿菌的表面增強(qiáng)拉曼光譜在1270 cm?1的特征峰值要明顯高于其它三組;圖B顯示了以1270 cm?1特征峰值作為檢測(cè)信號(hào)時(shí)，大腸桿菌的信號(hào)強(qiáng)度遠(yuǎn)高于波羅的海希瓦氏菌，金黃色葡萄球菌以及對(duì)照組。
在真實(shí)羊肉中對(duì)大腸桿菌的表面增強(qiáng)拉曼光譜(SERS)檢測(cè)
圖A為等離子體微針(MN)陣列貼片在羊肉中的取樣圖片，圖中的微孔說(shuō)明微針(MN)陣列貼片具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度插入到羊肉樣品中;圖B為羊肉樣品在插入等離子體微針(MN)陣列貼片(下)和不插入等離子體微針(MN)陣列貼片(上)的蘇木精&伊紅染料的染色圖，可以看出，不插入貼片的羊肉樣品具有相對(duì)緊密的組織結(jié)構(gòu)，而插入貼片的樣品具有由微針(MN)滲透引起的顯著空腔;圖C顯示為插入羊肉樣品后等離子微針(MN)陣列貼片仍保持其完整性的SEM圖像，表明其具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度;圖D顯示為在對(duì)羊肉樣品中大腸桿菌進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，可以觀察到大腸桿菌的特征峰。
微針(MN)貼片上細(xì)菌的光熱消融圖
圖A為紅光照射期間微針(MN)陣列貼片的熱成像;圖B為紅光照射期間微針(MN)貼片的溫度變化，圖中顯示出了具有大量金納米爆米花結(jié)構(gòu)的微針(MN)陣列貼片具有很好的光熱轉(zhuǎn)換能力;圖C為紅光照射前后等離子微針(MN)陣列貼片上大腸桿菌的SEM圖像，圖中顯示出紅光照射后的等離子微針(MN)陣列貼片上可以觀察到大腸桿菌的形態(tài)溶解和變形以及細(xì)菌碎片，表明等離子微針(MN)陣列貼片具有良好的光熱消融能力。
結(jié)論：
1、 開(kāi)發(fā)的等離子微針(MN)陣列貼片能夠3min內(nèi)快速提取大腸桿菌，這為進(jìn)行后續(xù)的快速檢測(cè)奠定了基礎(chǔ);
2、 該方法對(duì)瓊脂糖模擬物中大腸桿菌的檢出限為143 CFU/g，具有優(yōu)越的特異性;
3、 該方法在真實(shí)羊肉樣品中仍表現(xiàn)出對(duì)大腸桿菌良好的檢測(cè)性能;
4、 在紅光照射下，等離子微針(MN)陣列貼片能夠消融大腸桿菌。
因此，該研究提供了一個(gè)對(duì)大腸桿菌提取、檢測(cè)、消融一體化的微針陣列貼片，為微生物分析開(kāi)辟了新道路，簡(jiǎn)化了前處理和檢測(cè)要求，使其在現(xiàn)場(chǎng)分析中具有巨大的潛力。
參考文獻(xiàn)：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.
來(lái)源：微生物安全與健康網(wǎng)，作者~曹璐璐
