磁性编码纳米颗粒：构建多种致病菌同时检测方法的新机遇

原创

来源：冯燕梅

2024-08-28 11:00:31

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核心提示：金属有机框架（MOF）材料孔隙度丰富且配位灵活。通过将不同数量的磁性Fe3O4纳米颗粒包埋进典型MOF中，可以获得具有不同磁性强度的复合材料，在其表面连接不同细菌对应的适配体，可构建磁性编码纳米颗粒实现不同细菌的有效分离和特异性捕获富集。

多重分析相比于单重分析，具有提高效率，节省成本等优点。更重要的是，多重分析能够更全面地分析和更深入地了解复杂的生物系统和过程。目前该领域的研究主要集中于设计和制备各种检测标签，以产生可区分的信号。其中，荧光标记以其响应快、灵敏度高、检出限低等特点得到广泛应用。然而，荧光分析常常面临光谱串扰的问题，影响其检测的准确性和可靠性。此外，多色标签的有限可用性限制了可以同时检测的分析物的数量。利用染料编码纳米颗粒为扩大多重荧光标记的范围提供了一种有潜力的策略。但这些方法需要流式细胞仪等复杂的仪器来区分和分类不同的荧光信号，增加了分析过程的复杂性。

磁性编码荧光纳米颗粒的应用为实现多种分析物的检测提供了新的机遇。江西师范大学谭宏亮教授报道了一种使用磁性纳米颗粒编码的基于多重适配体的荧光检测方法用于通过单色荧光标记同时检测多种致病菌。该研究借助沸石咪唑酸骨架-90（ZIF-90）的配位灵活性，将不同数量的Fe₃O₄纳米颗粒包埋进ZIF-90中，从而形成具有不同磁性强度的复合材料。通过将特定适配体附着在功能化复合材料的表面，能够以顺序的方式从混合样品中特异和精确地分离出每个目标菌种。在此基础上，通过在ZIF-90中负载罗丹明6G，然后表面修饰4-羧基苯硼酸（PBA）合成荧光ZIF-90复合物（RZB）。将其引入检测系统，PBA和细胞壁上的糖脂之间的相互作用使得RZB能够与目标细菌结合。因此，多个目标病原菌可同时被特异性捕获并富集分离，实现同时对多个目标菌的荧光定量分析，从而产生最小的光谱串扰干扰并提高准确性。适配体和PBA双识别元件使得该方法对目标细菌的鉴别和定量具有较高的选择性和准确性。

图1 磁性编码FZ复合材料对目标细菌的顺序分离示意图。使用RZB作为单色荧光标记进行荧光分析。

研究要点：

（1）制备Fe₃O₄纳米颗粒及磁性强度编码的Fe₃O₄@ZIF-90（FZ）复合物。包封0.03 mg的Fe₃O₄命名为WFZ（弱磁性），0.12 mg的Fe₃O₄命名为MFZ（中磁性），0.48 mg的Fe₃O₄命名为SFZ（强磁性）。三种目标菌（金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、铜绿假单胞菌）对应的适配体通过席夫碱反应分别修饰在FZ复合物表面。然后分别用三种不同荧光染料进行修饰。

（2）制备荧光ZIF-90复合物（RZB）。

（3）细菌的特异性磁分离验证，验证和评估每种FZ复合材料的富集能力以及从混合样品中顺序分离的能力。

（4）单色荧光标签用于不同细菌鉴别。

（5）多种细菌同时定量分析的可行性验证，证明其抗干扰能力及选择性。

（6）应用于牛奶样品中多种细菌的鉴定，证明方法的适用性和精确度。

研究结果：

图1（a）磁性编码FZ复合材料的制备示意图及使用特定适配体对其进行表面改性。（b）磁性编码标签WFZ、MFZ和SFZ的SEM和TEM图像。（c）ZIF-90、Fe₃O₄纳米颗粒、WFZ、MFZ和SFZ的粉末XRD谱图。（d）WFZ、MFZ和SFZ的饱和磁化曲线。

图2（a）Cou@MFZ（λex=345 nm）、Acr@WFZ（λex=443 nm）和VR@SFZ（λex=520 nm）的发射光谱。（b）相同外磁场下Acr@WFZ、Cou@MFZ和VR@SFZ的捕获效率。（c）不同时间点（30、120、360 s）Acr@WFZ、Cou@MFZ、VR@SFZ混合物磁分离后的发射光谱。

图3（a）目标菌顺序分离鉴定示意图。（b）孵育24小时后琼脂板的图像，依次收集由FZ复合材料或适配体修饰的FZ复合材料沉淀。（c）磁分离后不同时间点（30，120，360 s）混合菌样的SEM图像。（d）在适配体修饰染料@ZIF-90存在下，由适配体修饰的FZ复合材料依次收集沉淀得到Acr、Cou和VR的发射光谱。

图4（a）在目标菌不存在（虚线）和存在（实线）的情况下，适配体修饰染料@FZ复合材料和RZB的双发射。（b）不同细菌组合双识别反应中RZB的荧光变化。每种组合具有相同的细菌总浓度（1×10⁴ CFU/mL）和相同的体积，但种类组成和比例不同。组合1为金黄色葡萄球菌、大肠杆菌和铜绿假单胞菌（各200 μL）。组合2为大肠杆菌和铜绿假单胞菌（各300 μL）。组合3为金黄色葡萄球菌和铜绿假单胞菌（各300 μL）。组合4为金黄色葡萄球菌和大肠杆菌（各300 μL）。

图5（a）不同浓度金黄色葡萄球菌存在时，多重免疫测定获得的RZB的发射光谱。（b）多重免疫分析法对不同细菌的荧光反应。

研究结论

本研究成功制备了磁性编码的FZ复合材料，并证明其具有开发多重适配体荧光分析的潜力，可以同时检测多种细菌。方法成功应用于牛奶样品中金黄色葡萄球菌、大肠杆菌和铜绿假单胞菌的精确测定，证明了该多重分析方法在复杂样品分析中的潜力。该研究有助于磁性编码纳米颗粒的进一步开发和发展，为其在医疗保健、食品安全和环境监测等各个领域的应用开辟更广阔的途径。

论文链接：https://doi.org/10.1021/acs.analchem.3c03628