表面增强拉曼光谱方法在细菌检测中的研究进展.pdf

第 卷第期光散射学报V o l N o 年月THEJ OUR NA LO FL I GHTS C A T T E R I NGJ u n 文章编号:()收稿日期:,修改日期:基金项目:基金支持:安徽省重点研究与开发计划项目(N o d )、国家自然科学基金(N o )、北京市现场物证检验工程技术研究中心开放课题(N o C S E E K F K T )通讯作者:林东岳,(),男,副研究员,主要研究方向:拉曼光谱技术及其在细菌及毒物等检测研究.E m a i l:d y l i n i i m a c c n表面增强拉曼光谱方法在细菌检测中的研究进展孟治材,林东岳,杨良保(安徽大学,安徽合肥 ;中国科学院合肥物质科学研究院健康所医学物理技术中心,安徽合肥 )摘要:表面增强拉曼光谱(S u r f a c e e n h a n c e dR a m a ns p e c t r o s c o p y,S E R S)是一种高灵敏度和高选择性的分析方法,能够在复杂样品环境中对目标物进行定性甚至定量分析,近年来在细菌检测领域得到了广泛的应用.S E R S方法通过表面增强效应和拉曼散射效应的协同作用,能够实现对微量细菌的检测,并且具有快速、高灵敏、无损伤等优点.本文介绍了S E R S方法的基本原理和在细菌检测领域的应用.综述了S E R S方法在细菌检测中的两种策略,包括标记法(l a b e l b a s e d)和无标记法(l a b e l f r e e)的最新研究进展.最后,本文评估了S E R S方法在细菌检测领域存在的挑战和应用的前景,为进一步推动S E R S方法在细菌检测领域的应用提供参考.关键词:表面增强拉曼光谱;细菌检测;标记法;无标记法;基底中图分类号:O 文献标志码:Ad o i:/j i s s n R e s e a r c hP r o g r e s so fS u r f a c e e n h a n c e dR a m a nS p e c t r o s c o p y i nB a c t e r i a lD e t e c t i o nME NGZ h i c a i,L I ND o n g y u e,YANGL i a n g b a o(A n h u iU n i v e r s i t y,A n h u i,H e f e i ,C h i n a;C e n t e r o fM e d i c a lP h y s i c sT e c h n o l o g y,I n s t i t u t e o fH e a l t h,H e f e i I n s t i t u t e s o fP h y s i c a lS c i e n c e,C h i n e s eA c a d e m yo fS c i e n c e s,H e f e i ,C h i n a)A b s t r a c t:S u r f a c e e n h a n c e dR a m a ns p e c t r o s c o p y(S E R S)i sah i g h l ys e n s i t i v ea n ds e l e c t i v ea n a l y t i c a lm e t h o dt h a t e n a b l e sq u a l i t a t i v ea n de v e nq u a n t i t a t i v ea n a l y s i so f t a r g e ts u b s t a n c e si nc o m p l e xs a m p l ee n v i r o n m e n t s I nr e c e n ty e a r s,i th a sb e e nw i d e l ya p p l i e d i nb a c t e r i a l d e t e c t i o nd u e t o i t sa d v a n t a g e so f r a p i dd e t e c t i o n,h i g hs e n s i t i v i t y,a n dn o n d e s t r u c t i v ea n a l y s i s B yu t i l i z i n gt h es y n e r g i s t i ce f f e c to fs u r f a c ee n h a n c e m e n ta n dR a m a ns c a t t e r i n g,S E R Sc a nd e t e c t t r a c ea m o u n t so fb a c t e r i a T h i sa r t i c l e i n t r o d u c e s t h eb a s i cp r i n c i p l eo fS E R Sa n di t sa p p l i c a t i o ni nb a c t e r i a ld e t e c t i o n T h el a t e s tr e s e a r c hp r o g r e s so ft w os t r a t e g i e s,l a b e l b a s e da n d l a b e l f r e e,b a s e do nS E R S t e c h n o l o g y i nb a c t e r i a l d e t e c t i o na r e s u mm a r i z e d F i n a l l y,t h i s a r t i c l ee v a l u a t e s t h e c h a l l e n g e s a n dp r o s p e c t so fS E R St e c h n o l o g y i nt h e f i e l do fb a c t e r i a l d e t e c t i o n,p r o v i d i n gar e f e r e n c e f o r f u r t h e rp r o m o t i o no f i t sa p p l i c a t i o n K e yw o r d s:S E R S;B a c t e r i a l d e t e c t i o n;L a b e l b a s e d;L a b e l f r e e;S u b s t r a t e引言随着社会的发展,由细菌引起的食源性疾病已成为一个严重的问题.世界上每年有数以亿计的人们因被病原细菌污染的食物和水而患病.因此在公共卫生、食品安全、医疗诊断领域迫切的需第期孟治材:表面增强拉曼光谱方法在细菌检测中的研究进展要发展一种快速、稳定、可靠的细菌检测技术.目前,最常用的细菌检测方法主要有平板培养法、比色 法,、流 式 细 胞 术、聚 合 酶 链 式 反 应(P C R)、和酶联免疫吸附测定(E L I S A).这些方法具有较高特异性和准确性的特点,但同时也需要复杂的前处理操作步骤和较长的检测时间.表面增强拉曼光谱(S u r f a c e e n h a n c e dR a m a ns p e c t r o s c o p y,S E R S)是一种强大的光谱分析方法,在检测化学物质、爆炸物、疾病标志物等方面具有很强的能力 .S E R S方法是基于拉曼散射效应,在与贵金属纳米颗粒接触后,聚集产生强烈的电磁场增强,形成局域表面等离子体共振,形成“热点”效应.目前,有两种被广泛接受的增强机制:电磁场增强(EM)和化学增强(CM).EM是由J e a n m a i r e和V a nD u y n e首次提出的,主要是基于局域表面等 离子体共 振(L S P R)引 起 的 电 场 增强.由A l b r e c h t和C r e i g h t o n提出的CM是由于电荷转移(C T)效应,即吸附分子和金属衬底之间形成电荷转移络合物从而实现增强效应.当分子吸附在粗糙的贵金属(如金、银)纳米颗粒表面时,在两种增强机制的协同作用下,吸附分子的拉曼散射信号可以被强烈放大到 个数量级,甚至可以进行单分子的检测.因此,S E R S可在复杂环境中捕捉目标物的分子振动信号,提供有关分子的结构、化学成分甚至数量等信息.随着纳米材料和生物技术的进步,S E R S在细菌鉴定、环境监测、食品安全等领域的应用被广泛研究.因其高灵敏度、快速、无损检测、指纹图谱等优点,近年来,S E R S在细菌病原体检测方面的工作不断涌现.自从H o l t和C o t t o n首次报道细菌的S E R S谱以来,S E R S方法就因其在细菌检测中的特异性光谱指纹和无损的数据获取而一直激发着人们的研究兴趣.目前,细菌病原体的检测主要有两种策略:基于标记法(l a b e l b a s e d)和无标记法(l a b e l f r e e)(如图所示).基于标记的S E R S方法被认为是一种间接的方法,在基于标记的细菌检测中,超灵敏的拉曼信号来自S E R S标签的拉曼报告(R a m a nr e p o r t e r)分子,组装的S E R S标签还可以通过特定的识别单元与细菌结合,从而能够通过检测报告分子的拉曼信号来间接检测细菌.基于标记的S E R S方法检测灵敏度高、重现性好,可以用不同的拉曼报告分子实现多菌种检测.与标记法相比,无标记的S E R S方法是一种直接的方法.无标记方法基于固有的振动指纹直接检测细菌细胞或细菌代谢物的原始拉曼信号,这种方法常用于病原体识别,通过使用统计算法处理数据来分析拉曼光谱的差异.无标记检测法简单、易于实施,然而,细菌的原始拉曼信号很弱,加之受复杂介质中生物分子的结构、构象和取向的影响,这使得获得高度重复性的光谱数据成为较大挑战,.随着两种策略在细菌病原体检测方面的不断探索,一些新兴的方法也被陆续开发.基 于 核 酸 适 配 体 开 发 的 适 体 传 感 器 用 于S E R S检测生物的方法,也被叫做均相S E R S传感器,是一种既可以通过适配体识别单元特异性识别细菌,又可以直接检测病原菌细胞原始拉曼信号的细菌均相检测技术.本文主要从用于细菌检测的S E R S基底类型、检测体系、病原菌检测应用等方面概述了近些年来利用标记和无标记的S E R S方法检测病原菌的进展和趋势.首先,从S E R S基底的类型入手,介绍了无标记S E R S基底和标记S E R S基底的组成及检测方法,然后讨论了S E R S在病原菌检测和食品安全 检 测 方 面 的 最 新 进 展.此 外,还 介 绍 了S E R S与其他协同检测技术的结合应用.最后,对S E R S方法在病原菌检测中的应用进行了总结,并对其在实际应用中遇到的挑战提出了自己的看法.用于细菌检测的S E R S基底类型制备灵敏度高、重复性好、稳定性强的S E R S基底是实现细菌高灵敏检测的关键.S E R S可以通过无标记或标记的S E R S基底获得吸附在等离子体纳米材料表面的目标物或报告分子的指纹信息.无标记S E R S检测是采集目标病原菌原始分子指纹信息的光谱,可以同时分析样本中的多个目标.它具有相对简单、快速、实时跟踪等优点,但是,在复杂介质中S E R S的信号往往会受到介质中的微环境、分子间相互作用和局部表面特性等因素的影响,因此直接从S E R S光谱中解析和鉴定样品中的目标病原菌有一定的难度.利用标签进行标记的S E R S方法可以解决这些问题,可以利用具有较大拉曼散射截面的分子作为拉曼报告分 子 对 等 离 子 体 纳 米 粒 子 的 表 面 进 行 修饰,这些具有明显拉曼特征峰的S E R