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        一步法制備銀溶膠用于臨床嗜麥芽窄食單胞菌的表面增強拉曼光譜快速檢測

        2021-03-25 02:48:46陸偲倩張景皓黃天雄杜一平
        分析測試學(xué)報 2021年3期
        關(guān)鍵詞:譜峰麥芽拉曼

        陸偲倩,張景皓,黃天雄,趙 虎,楊 峰,賈 楠,杜一平*

        (1.上海功能性材料化學(xué)重點實驗室,華東理工大學(xué) 化學(xué)與分子工程學(xué)院,上海 200237;2.復(fù)旦大學(xué) 附屬華東醫(yī)院 檢驗科,上海 200040)

        嗜麥芽窄食單胞菌是一種新型的條件致病菌,其外膜通透性較低,且可生產(chǎn)β-內(nèi)酰胺酶,故對氨基糖苷或β-內(nèi)酰胺等多種抗生素具有抗性[1-2]。近年來,隨著廣譜抗生素和免疫抑制劑的濫用以及侵入性醫(yī)療操作過程的增加,嗜麥芽窄食單胞菌已經(jīng)成為臨床上令人極其頭疼的耐藥致病菌之一。嗜麥芽窄食單胞菌的感染部位多種多樣,包括下呼吸道感染、血流感染、尿路感染、皮膚軟組織感染、心內(nèi)膜炎以及各種術(shù)后造成的器官炎癥感染[3-7]。其中,血流感染是最常見的一種。目前,血流感染的檢測手段層出不窮,有傳統(tǒng)的血培養(yǎng)法(包括衍生出的自動血培養(yǎng)檢測系統(tǒng))[8];有特異性強的生物標志物檢測技術(shù),如以白細胞介素6(IL-6)、內(nèi)毒素等為特征媒介來檢測致病菌的陽性率[9];還有新興的分子生物學(xué)技術(shù),如目前運用廣泛的聚合酶鏈式反應(yīng)(PCR)技術(shù)和質(zhì)譜技術(shù)[10]。但血培養(yǎng)技術(shù)耗時長、靈敏度低,生物標志物技術(shù)應(yīng)用范圍狹窄,分子生物學(xué)技術(shù)所需儀器和試劑成本昂貴,操作繁瑣,且可能存在一定的假陽性結(jié)果[11]。因此,亟需開發(fā)一種快速、簡便且經(jīng)濟的檢測方法來及時診斷和控制嗜麥芽窄食單胞菌的感染,并預(yù)防其進一步擴散。

        表面增強拉曼散射(SERS)是一種高靈敏度、快速、無損、低成本的振動光譜檢測技術(shù),其利用貴金屬納米顆粒作為基底,并以無標記的方式將細菌細胞吸附到貴金屬顆粒之間的“熱點”表面[12]。由于貴金屬納米顆粒粗糙表面所產(chǎn)生的電磁場以及金屬顆粒與所吸附物質(zhì)之間的電荷轉(zhuǎn)移作用,使得入射光的信號被特異性增強,從而輻射出“尖峰”狀的拉曼散射信號[13]。大量文獻表明,SERS被廣泛用于腸道細菌鑒定、尿路感染檢測和血清中細菌分類等研究,是研究帶發(fā)色團的蛋白質(zhì)和核酸的有力工具[11-12]。SERS的基底對檢測結(jié)果的影響巨大,理想的基底需具有高靈敏度、均勻性好、再現(xiàn)性高(RSD(相對標準偏差)≤20%)、背景信號低等特性[14]。SERS基底的制備方法眾多,其中通過化學(xué)還原法制備納米顆粒溶膠是最常用的方法之一,但由于納米顆粒之間的團聚,其使用壽命一般都很短。Chen等[15]通過一步法快速合成了銀溶膠,避免了溶膠壽命短的缺陷,其即制即用的特點能夠在現(xiàn)場檢測中發(fā)揮巨大作用。本文將經(jīng)過改進的一步法制備的銀溶膠應(yīng)用于嗜麥芽窄食單胞菌的快速檢測,展示出良好的應(yīng)用前景。

        1 實驗部分

        1.1 試劑、樣品與儀器

        抗壞血酸、色氨酸、酪氨酸(上海笛柏生物科技有限公司),檸檬酸三鈉(上海凌峰化學(xué)試劑有限公司),硝酸銀(上海泰坦科技股份有限公司),羅丹明6G(R6G,阿拉丁試劑公司),苯丙氨酸(上海麥克林生化科技有限公司),氯化鈉、腺嘌呤、胞嘧啶(上海百靈威化學(xué)技術(shù)有限公司),鳥嘌呤(上海畢得醫(yī)藥科技有限公司),胸腺嘧啶(南京健友生物化學(xué)有限公司)。上述試劑均為分析純。

        嗜麥芽窄食單胞菌標準菌株ATCC17666 1株由上海市臨檢中心提供,臨床分離菌株10株由復(fù)旦大學(xué)附屬華東醫(yī)院提供,于2019年1月至3月期間收集,分離自華東醫(yī)院門診部及住院患者的感染體液樣本。4例經(jīng)過基質(zhì)輔助激光解吸電離飛行時間質(zhì)譜(Matrix-assisted laser desorption/ionization time-of-flight mass spectrometry,MALDI-TOF MS)菌種驗證的陽性病人血液樣本和2例陰性血液樣本由華東醫(yī)院收集并提供。

        VERSA TREK血培養(yǎng)系統(tǒng)(美國賽默飛公司),配有需氧瓶和厭氧瓶;VITEK MS基質(zhì)輔助激光解吸飛行時間質(zhì)譜儀(法國生物梅里埃公司),配備48孔靶板;哥倫比亞血瓊脂平板(上??片敿挝⑸锛夹g(shù)有限公司),普通分離膠促凝管(美國BD公司)。i-Raman拉曼光譜儀(美國B&W Tek 公司),配有二極管激光器(激發(fā)波長為785 nm,最大激發(fā)功率為300 mW)以及拉曼顯微檢測平臺( 20×物鏡),分辨率5 cm-1,掃描范圍175~3 200 cm-1。高速離心機(上海力辰邦西儀器科技有限公司);S-3400N掃描電子顯微鏡(日本日立公司)。

        1.2 銀溶膠基底的制備

        通過改進的文獻[15]方法制備銀溶膠:將抗壞血酸和檸檬酸三鈉分別作為還原劑和穩(wěn)定劑,還原硝酸銀溶液制備銀溶膠。為得到性能更好、更穩(wěn)定的銀溶膠,用50 ℃ 水浴法代替手握法進行加熱。稱取0.010 6 g抗壞血酸和0.058 8 g檸檬酸三鈉定容于100 mL容量瓶中,并立刻取5 mL加入到10 mL 玻璃小瓶中(內(nèi)徑18.4 mm,高度65 mm),將玻璃小瓶置于50 ℃ 水浴鍋中,攪拌加熱,并向玻璃瓶內(nèi)加入0.05 mL 0.1mol/L的AgNO3溶液,在不到10 min內(nèi),即可得到灰綠色的銀溶膠,冷卻至常溫,避光保存以備下一步使用。

        1.3 嗜麥芽窄食單胞菌菌懸液的制備

        將嗜麥芽窄食單胞菌接種到哥倫比亞血瓊脂平板上,并置于5% CO2、35 ℃孵育箱中培養(yǎng)18~24 h。選取單個菌落,采用VITEK MS質(zhì)譜儀及配套試劑進行菌種鑒定,操作嚴格按照基質(zhì)輔助激光解吸附質(zhì)譜儀微生物鑒定操作標準進行[16]。將嗜麥芽窄食單胞菌標準菌株ATCC17666和10株臨床菌株分別用DD H2O(無菌水)配制成濃度為1×108菌落形成單位(Colony forming unit,CFU)/mL的菌懸液,置于4 ℃冰箱中保存待用。

        1.4 人體血流感染陽性樣本中嗜麥芽窄食單胞菌的提取

        將4例放置于5% CO2、35 ℃ 孵育箱中的陽性報警病人的血液樣本取出,移取2.5 mL血液至5 mL普通分離膠促凝管中,以3 000 r/min離心10 min,棄去上清液,加入500 μL蒸餾水將分離膠上粘附的嗜麥芽菌體洗脫,并將充分混合的菌液轉(zhuǎn)移至2 mL離心管中,以17 000 r/min離心2 min,棄去上清液,再加入500 μL蒸餾水重懸,離心2 min。重復(fù)上述步驟3次,最后加入200 μL蒸餾水定容備用。2例陰性血液樣本按照上述操作后,作為空白對照組。最終的光譜檢測過程與純培養(yǎng)菌懸液的檢測過程一致。

        1.5 SERS光譜檢測

        取50 μL銀溶膠加入2 mL離心管中,再分別加入50 μL菌懸液和25 μL 1%的NaCl溶液,振蕩混合,取混合溶液50 μL于鋁板上,待混合液滴自然干燥后,以100%的激光功率和10 s的積分時間進行SERS檢測,每個樣本采集5次。所有的原始數(shù)據(jù)使用BWSpec 4.03_24_C 2015光譜軟件包進行平滑、基線校正和平均化。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 銀溶膠的表征

        2.1.1 銀溶膠的粒徑分布及與細菌的表面作用利用掃描電子顯微鏡(SEM)對銀溶膠的粒徑以及細菌與銀溶膠作用后的表面形貌進行表征,結(jié)果如圖1所示。銀溶膠的粒徑分布約在70~80 nm(圖1A),納米粒子之間存在一定程度的團聚,有利于“熱點”的產(chǎn)生和相應(yīng)SERS信號的收集。圖1B中,細菌的細胞個體呈長1.5~2 μm,寬0.5 μm的短桿狀。由插圖的局部狀態(tài)可知,菌體上方及周圍分布著大量銀納米顆粒,使得其表面較為粗糙不平整。

        圖1 銀溶膠(A,×1 μm)及細菌與銀溶膠混合溶液(B,×20 μm)的SEM形貌圖

        2.1.2 銀溶膠的SERS性能使用羅丹明6G(R6G)作為表征一步法銀溶膠SERS性能的探針,向銀溶膠中加入不同濃度的R6G后,得到的SERS光譜圖如圖2所示。結(jié)果表明,一步法制備的銀溶膠具有良好的SERS增強性能,能夠檢測到明顯SERS信號的R6G探針的濃度低至1.0×10-9mol/L。

        圖2 一步法銀溶膠中加入不同濃度的R6G后的SERS光譜圖

        2.2 嗜麥芽菌的SERS譜圖分析

        為了探究嗜麥芽窄食單胞菌的生物結(jié)構(gòu)信息,對其標準菌株(圖3A)和臨床菌株(圖3B)分別進行SERS光譜檢測,得到特征指紋譜圖。由圖可見,10個臨床樣本的譜峰一致性較高,且與標準菌株的譜圖非常接近,反映了嗜麥芽窄食單胞菌表面蛋白質(zhì)、核酸和脂質(zhì)等的物質(zhì)信息。由于病人體液環(huán)境不同,分離得到的菌株間存在一定差異,使得特征峰的拉曼位移出現(xiàn)小范圍的波動。其中,730/732、959、1 049/1 051、1 331/1 332 cm-1處產(chǎn)生的高強度、尖銳的拉曼譜峰,可作為后續(xù)方法學(xué)驗證的指示波段。

        分別制備了濃度為0.01 mol/L的色氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸3種會產(chǎn)生特征SERS信號的氨基酸溶液以及腺嘌呤、鳥嘌呤、胞嘧啶和胸腺嘧啶4種DNA堿基溶液作為細菌生物信息譜峰歸屬的確證標志物,最終得到對比譜圖如圖3C和圖3D所示,結(jié)果與參考文獻所記錄的光譜信號基本一致[17-19]。

        由圖3C可知,839、878、1 549 cm-1處的拉曼譜峰對應(yīng)于色氨酸,896、1 137 cm-1處對應(yīng)于酪氨酸,而1 053 cm-1處則是3種氨基酸的共有峰,對應(yīng)C—C骨架呼吸振動。1 206、1 246 cm-1處的拉曼譜峰分別對應(yīng)于酪氨酸和苯丙氨酸,通過查閱文獻,推測這兩處峰反映了酰胺Ⅲ帶的信號[19]。圖3D中,628、734和1 333 cm-1處的拉曼譜峰對應(yīng)于腺嘌呤,1 139、1 635 cm-1處的譜峰對應(yīng)于胞嘧啶,660 cm-1處的譜峰則包含了鳥嘌呤、胞嘧啶和胸腺嘧啶3種堿基的結(jié)構(gòu)信息。至于957 cm-1和1 053 cm-1處的譜峰,則是DNA堿基的共有峰。其中957 cm-1對應(yīng)于堿基的脫氧核糖,1 053 cm-1對應(yīng)于堿基的C—C骨架呼吸振動。1 373 cm-1處的微弱峰反映了堿基(T/A/G)的鏈振轉(zhuǎn)狀態(tài)。此外,指紋譜圖上還有一些糖類和脂質(zhì)的信息,但是與它們相關(guān)的特征峰信號并沒有氨基酸和堿基那么強,根據(jù)文獻[20-23]對其分別進行歸屬,18組拉曼特征峰的歸屬結(jié)果如表1所示。

        圖3 嗜麥芽窄食單胞菌的SERS譜圖

        表1 嗜麥芽窄食單胞菌SERS譜峰歸屬表

        圖4 嗜麥芽窄食單胞菌標準菌株在不同濃度下的SERS譜圖

        圖5 一步法銀溶膠檢測嗜麥芽窄食單胞菌方法重現(xiàn)性結(jié)果圖

        2.3 方法學(xué)驗證

        2.3.1 靈敏度在臨床患者的體液樣本中,致病的嗜麥芽窄食單胞菌的濃度往往較低。通過采集標準菌株在不同濃度下的SERS信號發(fā)現(xiàn),當(dāng)菌液的濃度下降至5×106CFU/mL時,可以觀察到730、1 051 cm-1處的特征譜峰;而當(dāng)濃度進一步下降至2×106CFU/mL時,只有1 051 cm-1處有極其微弱的光譜信號(圖4)。因此認為,該方法所檢測到的致病菌最低濃度為5×106CFU/mL。常用的病原體檢測技術(shù),如MALDI-TOF要求的最低檢測濃度為105~106CFU/mL,甚至是107CFU/mL[24]。文獻中也曾明確提到[25],只有在濃度≥105CFU/mL時,才能保證可靠的鑒定結(jié)果。因此,本方法基本能滿足臨床需要。

        2.3.2 重現(xiàn)性在相同條件下制備了3批銀溶膠基底,選擇5株嗜麥芽窄食單胞菌臨床樣本作為檢測對象,在相同儀器參數(shù)設(shè)置下采集拉曼信號,并將上述4組峰信號較強的特征峰730、959、1 051、1 333 cm-1作為指示峰,以評估重現(xiàn)性。結(jié)果如圖5所示,其相對標準偏差(RSD)為6.8%~16%,基本滿足實際分析的要求。

        2.3.3 與傳統(tǒng)銀溶膠的比較本研究將采用傳統(tǒng)方法——檸檬酸還原法[26]制備的銀溶膠作為比較對象,得到的光譜對比圖如圖6所示。實驗結(jié)果表明,傳統(tǒng)法制備的銀溶膠的SERS增強效果略優(yōu)于一步法銀溶膠,但是這兩種基底所形成的嗜麥芽窄食單胞菌的光譜形狀基本相同,且特征峰的相對強度差距不大。然而,一步法具有制備速度快、操作簡單等獨特優(yōu)勢,整個過程僅需10 min,傳統(tǒng)的還原法則需60 min左右。因此,一步法銀溶膠基底對臨床的快速診斷具有更大的應(yīng)用價值。

        2.4 陽性血液樣本中嗜麥芽窄食單胞菌的檢測

        采用4例陽性病人和2例陰性病人血液樣本,進一步驗證本文方法在臨床檢測上的可行性。如圖7所示,從陽性血液樣本中提取到的細菌展示出與純培養(yǎng)菌株非常相似的拉曼信號,特別是在730、959、1 331 cm-1處,說明4個陽性樣本的譜峰基本與純培養(yǎng)菌株相吻合,陰性樣本則沒有明顯的拉曼特征信號。

        圖7 陽性血液樣本的SERS光譜圖

        圖6 嗜麥芽窄食單胞菌用一步法銀溶膠與傳統(tǒng)法銀溶膠測試的SERS光譜對比圖

        3 結(jié) 論

        本研究利用一步法快速合成的銀溶膠為基底,對臨床上常見的條件致病菌嗜麥芽窄食單胞菌進行SERS檢測,得到的陽性血樣中嗜麥芽窄食單胞菌的拉曼譜圖與純培養(yǎng)菌株相似,證明本方法有望作為檢測病人體液中致病菌的臨床手段。本方法耗時短、操作簡便、儀器便攜且成本較低,在醫(yī)院及檢驗檢疫中心進行現(xiàn)場快速診斷方面具有應(yīng)用推廣價值。

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