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English| 發(fā)布日期：2024-05-31 |
SERS在多種抗生素快速富集和超靈敏檢測(cè)中的應(yīng)用
前言
抗生素對(duì)幾種革蘭氏陰性和陽性細(xì)菌具有廣泛的活性。它們被廣泛用于治療細(xì)菌感染，并可用于口服。然而，抗生素在人體組織中新陳代謝后，主要以母體化合物的形式在尿中排泄。它們的過度使用和濫用可能與對(duì)人類的多種健康危害有關(guān)，如骨髓抑制、肝毒性、致癌和遺傳毒性等。通常來說，幾種抗生素同時(shí)服用以獲得較強(qiáng)的治療活性，如阿莫西林(AMO)、環(huán)丙沙星(CIP)和四環(huán)素(TTC)。因此快速、高效、同時(shí)監(jiān)測(cè)尿液中的多種抗生素對(duì)于正確指導(dǎo)抗生素的使用至關(guān)重要，并成為一個(gè)主要的癥結(jié)。
圖1.抗生素圖片
蘭州大學(xué)的研究人員制備了表面增強(qiáng)拉曼散射（SERS）紙芯片，使用如海拉曼設(shè)備實(shí)現(xiàn)了快速富集和超靈敏抗生素檢測(cè)的雙重功能。
實(shí)驗(yàn)方法
通過原位生成方法，使用纖維素濾紙（CFP）制備了涂有三層等離子體金屬（Ag@Au@Ag）的三維ZnO納米花。該基質(zhì)被創(chuàng)建為表面增強(qiáng)拉曼散射（SERS）紙芯片，使用紙芯片和手機(jī)-拉曼光譜儀集成系統(tǒng)，也可以高精度地識(shí)別ppb水平的人體尿液抗生素。
圖2.實(shí)驗(yàn)流程圖
實(shí)驗(yàn)結(jié)果
在該研究中，便攜式拉曼光譜儀（激光波長為785 nm）與普通手機(jī)連接以進(jìn)行便攜式檢測(cè)（圖4A）。使用設(shè)備探針上的 3D 打印支架將紙芯片固定，以找到并固定最佳聚焦位置（圖 4A 的插圖）。固定位置后，操作人員只需將新的紙片插入支架中即可進(jìn)行下一次測(cè)量。
圖3顯示了從10ppm-10ppb濃度的抗生素（AMO、CIP和 TTC）SERS光譜。
圖3.抗生素（AMO、CIP和 TTC）SERS光譜
如圖4B所示，AMO、CIP和TTC的可檢測(cè)濃度分別為0.01、0.1和0.1ppm。檢測(cè)能力可滿足歐盟等國家食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）對(duì)食品中抗生素最大殘留限量（MRL，100 ppb）的需求。預(yù)計(jì)用3D ZnO NF和三層等離子體納米結(jié)構(gòu)裝飾的紙芯片在不久的將來在各種有害物質(zhì)的現(xiàn)場(chǎng)分析中具有用于即時(shí) (POC)檢測(cè)的巨大潛力。
在此，將三種抗生素（AMO、CIP和TTC）混合在溶液中。集成的SERS光譜如圖4C所示。AMO（1353 cm?1）、CIP（748、789?1和1391 cm?1）和TTC（460?1和1282 cm?1）的特征帶可以明顯區(qū)分。然而，從SERS光譜中人工識(shí)別這三種抗生素是很困難的。將其與PCA-LDA分析相結(jié)合，可幫助快速鑒定三種抗生素。PCA 是降低相關(guān)多元數(shù)據(jù)維度時(shí)最廣泛使用的多元統(tǒng)計(jì)技術(shù)之一。對(duì)SERS光譜（初始維度= 1625）進(jìn)行PCA分析以降低維度。前29個(gè)主成分作為LDA的輸入進(jìn)行分類，結(jié)果如圖4D所示。AMO、CIP和TTC的SERS光譜可分為三個(gè)獨(dú)立且無干擾的簇。判別準(zhǔn)確率接近100%。顯然，借助 PCA-LDA 分析，可以從SERS光譜中快速有效地識(shí)別出三種抗生素的成分。
圖4.便攜式拉曼分光光度計(jì)-手機(jī)一體化系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果
總結(jié)
開發(fā)了 SERS 紙芯片利用便攜式拉曼分光光度計(jì)-手機(jī)一體化系統(tǒng)，無需任何預(yù)處理，即可成功檢測(cè)出ppb級(jí)抗生素。通過PCA-LDA分析可以有效地識(shí)別具有相似SERS信號(hào)的三種抗生素。
文獻(xiàn)來源
產(chǎn)品推薦
RMS3000微型拉曼光譜儀
RMS3000（Raman Minimal System）是一款微型的785 nm同軸共聚焦拉曼光譜儀，其采用全空間光設(shè)計(jì)，優(yōu)化散熱接口，采用N.A0.11數(shù)值孔徑激發(fā)采集光路。支持Windows、Linux和Windows多種操作平臺(tái)和主控系統(tǒng)，隨機(jī)配備手機(jī)端（Andorid）和電腦端采集分析軟件。具備非凡的分辨率、靈敏度、穿透能力和抑制熒光干擾能力。既可以單獨(dú)使用也可以作為核心部件集成進(jìn)拉曼自動(dòng)化系統(tǒng)，滿足科研院所、相關(guān)監(jiān)管機(jī)構(gòu)與企業(yè)在無機(jī)/有機(jī)材料、生物生命、化學(xué)/化工、藥物分析、食品安全、刑偵鑒定、環(huán)境污染檢測(cè)等研究中的需求。
? 體積小巧，重量輕，只有103×83×26 mm和305 g；
? 空間光、微型共聚焦設(shè)計(jì)，最小光斑≤30 μm；
? 高分辨率（~6 cm-1），高抑制熒光能力，能夠輕松測(cè)量高熒光樣品，獲取拉曼光譜；
? 高靈敏度，500 ms即可實(shí)現(xiàn)常規(guī)化學(xué)品的拉曼光譜，最低可以檢測(cè)0.3%的分析純酒精；
? 可配置線掃式探頭，可以采集4.5 mm*1 mm的線掃光斑，降低樣品照射功率密度；
? 可配置外觸發(fā)手柄，方便工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集；
? 支持手機(jī)和電腦雙平臺(tái)，方便戶外現(xiàn)場(chǎng)直接測(cè)量；
? 超低功耗，無須額外電源供電，通過USB手機(jī)可以直接實(shí)現(xiàn)光譜采集分析；
? 強(qiáng)大的軟件分析功能，支持常規(guī)的HQI，峰位檢索，深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等算法；
? 可以適配顯微鏡組成顯微共聚焦拉曼。
