表面增强拉曼散射检测细菌及病原体的研究现状及展望.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:()表面增强拉曼散射检测细菌及病原体的研究现状及展望张伟达,彭宇思,林成龙,徐美美,黄政仁,杨 勇,(中国科学院 上海硅酸盐研究所,高性能陶瓷与超微结构国家重点实验室,上海 ;中国科学院大学 材料科学与光电技术学院,北京 )摘要:表面增强拉曼散射(S E R S)技术是一种在单分子水平上通过收集分子光谱信号来识别分子物种的强有力的工具,现已被广泛用于医学诊断、食品安全、生物分析等领域.本文综述了S E R S技术在常见细菌及病原体的研究进展,阐述了通过设计和调控纳米结构的形貌、种类(贵金属和半导体衬底)、掺杂元素、氢化时间和物理条件(温度、p H)等使其具有优异的灵敏度,从而扩大S E R S技术的应用.同时讨论了S E R S技术与现在热门的微流控技术、C R I S R P技术的联用,以及在单分子检测上的优缺点.最后,展望了S E R S生物传感器技术的发展前景.关键词:S E R S细菌病毒C R I S P R微流控中图分类号:O 文献标志码:Ad o i:/j i s s n 收稿日期:,修改日期:基金项目:国家重点研发计划政府间国际科技创新合作项目(Y F E )、国家自然科学 基金面上项目()、上海市科委生物专项(D X )和上海市优秀学术带头人(X D )项目通讯作者:杨勇,二级研究员,博士生导师,中国科学院引进杰出人才和上海市浦江人才、上海市优秀学术带头人,E m a i l:y a n g y o n g m a i l s i c a c c nR e s e a r c ha n dp r o s p e c t i v eo f s u r f a c e e n h a n c e dR a m a nS c a t t e r i n gf o rd e t e c t i o no fb a c t e r i aa n dp a t h o g e n sZ HANG W e i d a,P E NGY u s i,L I NC h e n g l o n g,XU M e i m e i,HUANGZ h e n g r e n,YANGY o n g,(S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fH i g hP e r f o r m a n c eC e r a m i c sa n dS u p e r f i n eM i c r o s t r u c t u r e s,S h a n g h a i I n s t i t u t eo fC e r a m i c s,C h i n e s eA c a d e m yo fS c i e n c e s,S h a n g h a i ,C h i n a;C o l l e g e o fM a t e r i a l sS c i e n c ea n d O p t o E l e c t r o n i c sE n g i n e e r i n g,U n i v e r s i t yo fC h i n e s eA c a d e m yo fS c i e n c e s,B e i j i n g ,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 c a t t e r i n g(S E R S)t e c h n o l o g y i s ap o w e r f u l t o o l t o i d e n t i f ym o l e c u l a r s p e c i e sb yc o l l e c t i n gm o l e c u l a r s p e c t r a l s i g n a l sa t t h es i n g l e m o l e c u l e l e v e l,a n dh a sb e e nw i d e l yu s e d i nm e d i c a ld i a g n o s i s,f o o ds a f e t y,b i o l o g i c a l a n a l y s i sa n do t h e r f i e l d s I nt h i sp a p e r,t h er e s e a r c hp r o g r e s so fS E R St e c h n o l o g yi nc o mm o nb a c t e r i aa n dp a t h o g e n sw a s r e v i e w e d,a n di tw a se x p o u n d e dt h a tt h em o r p h o l o g y,t y p e(p r e c i o u sm e t a la n ds e m i c o n d u c t o rs u b s t r a t e),d o p i n ge l e m e n t s,h y d r o g e n a t i o nt i m e,p h y s i c a lc o n d i t i o n s(t e m p e r a t u r e,p H)o fn a n o s t r u c t u r e sw e r ed e s i g n e da n dr e g u l a t e dt om a k e i th a v ee x c e l l e n t s e n s i t i v i t y,t h u sa m p l i f y i n gt h ea p p l i c a t i o no fS E R St e c h n o l o g y A t t h es a m e t i m e,t h ec o m b i n a t i o no fS E R St e c h n o l o g ya n dp o p u l a rm i c r o f l u i d i ct e c h n o l o g ya n dC R I S R Pt e c h n o l o g yw e r ed i s c u s s e d,a sw e l l a st h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fS E R St e c h n o l o g yi ns i n g l em o l e c u l ed e t e c t i o n F i n a l l y,t h ed e v e l o p m e n tp r o s p e c t o fS E R Sb i o s e n s o r t e c h n o l o g yw a sp r o s p e c t e d K e yw o r d s:S E R Sb a c t e r i aV i r u sC R I S P R M i c r o f l u i d i c s光散射学报第 卷引言病原体是指可以造成人或动植物感染疾病的微生物(包括细菌、病毒、立克次氏体、真菌)、寄生虫或其它媒介(微生物重组体包括杂技体或突变体),它是能引起疾病的微生物和寄生虫的统称.其中,对人类健康威胁较大的是真菌、病毒以及细菌.致病性细菌和病毒在人体内快速甚至爆炸性增殖,对人类生命健康造成严重威胁.世纪爆发了三次由病毒传播引起的大规模疫情,分别是由 年的S A R S病毒、年的ME R S病毒以及 年的S A R S C o v 病毒在社会上迅速传播而导致大面积感染的现象.大多数病原体可以通过呼吸道飞沫的方式进行传播,同时注意到病原体对环境的污染可能造成接触传播或者气溶胶传播.因此,高效鉴定和监测病原体的方法和技术已引起人们的广泛关注.目前,诊断传染病最好的方法是:实时聚合酶链反应用于分子诊断,电化学发光用于免疫检测,酶联免疫吸附法用于吸附检测 .荧光检测技术目前已广泛应用于病毒和细菌的测量和分析.有机染料或无机量子点组成的荧光标记剂已用于基于荧光测量的生物分析.虽然荧光检测技术有很好的应用,但仍存在一些问题,如灵敏度低或缺乏灵敏度,而这一特征对于特定基因的生物测定是必需的.近年来,一些研究人员提出了一种解决荧光检测问题的新方法 表面增强拉曼散射技术,.表面增强拉曼散射(S u r f a c e e n h a n c e dR a m a ns c a t t e r)是指吸附于纳米尺度的粗糙金属或者非金属化合物衬底上分子的拉曼信号得到增强的现象.通常可以观察到吸附在某些纳米结构表面的分子产生的拉曼光谱强度相比于相同数量的分子产生的拉曼光谱强度得到了数量级的提高.此外,考虑到电磁增强机制具有很高的增强因子,可以达到 ,同时电磁增强机制具有局域性的长程增强效应,因此被检测的分子只要位于散射电场的作用区域内,即距离金属纳米结构表面 范围内,其都能被衬底表面的局域等离子体电场所激发产生S E R S增强效果.年,F l e i s c h m a n n团队在吸附有吡啶分子的粗糙银电极表面观察到被显著增强的吡啶分子拉曼信号,这标志 着S E R S现 象 的 首 次 现 世,年,V a nD u y n e和C r e i g h t o n等人 对从粗糙电极表面获得的强拉曼信号进行了详细的实验证明和理论计算,发现拉曼光谱的表面增强因子约为个数量级,远高于之前认为的数十倍.这种粗糙银电极产生的巨大增强效应使S E R S研究成为可能.而传统的拉曼散射技术由于大部分光子都发生没有能量交换的瑞利弹性散射,而只有约/部分的光子以非弹性的方式散射,这使得拉曼散射光强度十分弱,严重限制了拉曼光谱技术的应用,而S E R S的出现解决了拉曼散射强度弱的问题,扩大了拉曼技术在实际检测中的应用.S E R S在病原体检测的应用 S E R S用于病原体的鉴定与检测 S E R S用于细菌检测金银作为典型的贵金属材料,本身优异的物理化学性质使其具有良好的S E R S增强效果.考虑到金银纳米颗粒本身优异的抗菌性能,尤其是银纳米颗粒,在抗生素投入使用之前,因具有良好的抗菌性能被用来处理烧伤等开放型伤口.正如我们所了解的,S E R S增强效果以及光谱的可分析性与纳米结构本身密切相关,而材料的理化性质对其纳米颗粒的结构有显著的影响,因此电荷分布、尺寸大小、形貌、颗粒组成、表面包覆情况、浓度、团聚、溶解速率和用于合成的还原剂类型等对纳米结构有影响的因素,都会影响最终得到的S E R S光谱.一般来说,获得细菌S E R S光谱的方法有以下三种:直接在细菌表面或内部形成胶体银;通过制备性能良好的S E R S活性基底,将细菌直接放置在S E R S活性基底上;将细菌和胶体均匀混合,将所得混合物放在平面上.在常规的细菌S E R S检测中,为了消除培养基中营养物质对所得到的光谱的干扰,需要对细胞进行清洗/离心循环操作,考虑到渗透失衡的存在,一些菌株的细菌是对渗透压变化敏感的,为了防止溶解的发生我们需要采用缓冲液去清洗.已经有研究表明,硼酸盐溶液是一种不抑制S E R S效应的缓冲,同时硼酸盐缓冲液也没有表现出明显的S E R S光谱.故在单个细菌上形成胶体金或胶体银最常用的方法是将细菌浸泡在N a B H溶液中.为了在细菌表面制备胶体,D i n a和Z h o u等人,通过向细菌样本中先加入硝酸银溶液,m i n之后再加入盐酸羟胺溶液以减少阴离子在细菌细胞壁上的吸附作用,同时在进行S E R S检测前,将悬浮液样本移到玻片上,并指出必须使用多聚赖氨酸覆盖的玻片来固定革兰氏阳性细菌.虽第期张伟达