多重细菌"猎杀"利器:Python驱动SERS芯片实现快速精准检测

1、引言

细菌感染一直是全球公共卫生的主要关切之一。准确快速检测和杀灭致病细菌对于疾病控制至关重要。尽管许多努力都致力于开发更敏感、选择性和快速的细菌检测技术,但很少有能同时检测多种病原体并在现场杀灭它们的方法。相比于单一细菌检测,多重生物分析迫切需求,以应对多种和混合感染的出现。

本研究中,作者设计了一种基于背景干扰消除的表面增强拉曼散射(SERS)芯片,实现对细菌的可靠检测和现场杀灭。该SERS芯片由石墨烯涂覆的苯硼酸改性等离子体金基底(pAu/G/PBA)以及两种核壳式SERS标签组成,可以捕获并检测多种细菌。SERS标签的特征拉曼峰位于无拉曼信号区域,避免了与基质背景信号的重叠,提高了检测灵敏度和准确性。针对细菌尺度较大的特点,我们采用快速拉曼成像技术而非常规点扫描方法,利用Python协助处理全部扫描点的SERS信号,获得更可靠的定量分析。更为重要的是,pAu/G基底具有优异的光热效应,可高效杀灭捕获的细菌,预防二次污染。

方案1. pAu/G/PBA合成过程的示意图，及其在细菌捕获、检测和灭活中的应用

2、结果与讨论

2.1 背景干扰消除的SERS芯片构建

SERS芯片由pAu/G/PBA基底和两种核壳式SERS标签(Au@PB@PLL@Apt和Au@MB@PDA@Apt)组成。其中,pAu/G/PBA可以捕获细菌,SERS标签则通过识别细菌的特异性配体(细菌鉴定用的S. typhimurium和S. aureus特异性核酸适配体)将细菌标记。SERS标签的拉曼报告基团分别为铜铁蓝(PB)和4-巯基苯腈(4-MB),它们在拉曼无信号区(1800-2800 cm⁻¹)具有特征峰,避免了与基质的拉曼指纹信号重叠,消除了背景干扰。SEM和TEM表征证实了SERS芯片的预期结构。

2.2 Python辅助的快速拉曼成像技术

考虑到细菌尺度较大,作者采用拉曼成像技术而非常规点扫描法,收集SERS标签在全部扫描点的信号强度,并通过Python辅助数据处理,获得更可靠的定量结果。该方法可在一次测试中检测多种细菌,避免了常规方法易产生的假阳性或假阴性结果。实验证明,该SERS芯片可在10-10⁷ CFU/mL范围内检测S. typhimurium和S. aureus,并成功应用于检测人血样品中的这两种细菌。

2.3 光热杀灭细菌

pAu/G基底具有优异的光热性能,在近红外照射下能有效杀灭捕获的细菌,达到接近100%的灭活率。该功能可以在检测过程中直接杀灭细菌,防止样品在后续操作和储存过程中的二次污染。

3、结论

本工作设计了一种具有pAu/G/PBA/细菌/SERS标签夹层结构的无背景SERS芯片，可同时对鼠伤寒沙门氏菌和金黄色葡萄球菌进行多重检测和原位光热消除。该检测基于大映射区域内双色SERS标签的拉曼信号，两者在拉曼沉默区都赋予特征并分离带，有效地避免了来自彼此以及来自样本矩阵的潜在干扰，从而获得可靠的结果。采用高亲和力适配体作为识别单元，保证了夹心法的特异性。此外，与传统的点扫描法相比，快速拉曼制图技术和Python的结合不仅保证了检测精度，而且保证了检测效率。特别是pAu/G优异的光热效应，提供了一种现场灭活细菌的方法，其抗菌活性几乎达到100%。利用该SERS芯片，实现了对全血样品中多种细菌的可靠检测和清除。此外，这种方法可以进一步探索同时检测更广泛的细菌及其在不同领域（如临床诊断或环境监测）相关的各种样品基质中的应用。

参考文献

Shuo Zheng, Jinru Xiao, Jing Zhang, Qixiu Sun, Dingbin Liu, Yaqing Liu, Xia Gao, Python-assisted detection and photothermal inactivation of Salmonella typhimurium and Staphylococcus aureus on a background-free SERS chip, Biosensors and Bioelectronics, Volume 247, 2024, 115913, https://doi.org/10.1016/j.bios.2023.115913.