復合磁性納米粒子用于食源性致病菌特異性檢測及滅活

郭寒瓊，吳浩天，齊暢，方遠*，王曉敏

（1.天津科技大學 食品科學與工程學院食品營養(yǎng)與安全國家重點實驗室，天津 300457；2.天津中醫(yī)藥大學 中西醫(yī)結(jié)合學院，天津 301617）

食源性致病菌可以通過污染空氣、水和食物等方式與人類接觸，由其導致的感染會引起各種疾病，如惡心、嘔吐、腹痛和腹瀉等急性胃腸炎癥，重者可出現(xiàn)呼吸、循環(huán)、神經(jīng)等系統(tǒng)并發(fā)癥[1]。因此，構(gòu)建一個簡單有效的細菌即時檢測（point-of-care testing，POCT）和消除平臺具有重要意義。目前，大多數(shù)已開發(fā)的策略僅專注于對食源性致病菌的靈敏檢測而沒有后續(xù)的細菌滅活功能，或者僅專注于對病原菌的高效滅活而沒有早期預警功能，這些獨立的檢測和滅菌方法可能會造成細菌的二次傳播[2-5]。

抗生素作為治療細菌感染的傳統(tǒng)藥物在保護人類健康方面發(fā)揮著重要的作用[6-8]。然而，抗生素的過量和超范圍使用往往會導致耐藥細菌菌株的出現(xiàn)，給人類健康帶來了極大的風險[9-10]。近年來，基于高溫的光熱療法（photothermal therapy，PTT）因其系統(tǒng)毒性低、產(chǎn)生耐藥性的可能性較小而被認為是一種有前途的滅活細菌的新方法[11-13]。另一方面，基于比色法[14]、熒光[15]和電化學發(fā)光[16]的各種生物傳感器已經(jīng)被構(gòu)建用于細菌檢測。然而，比色法和熒光法通常需要外部光源或電源，不利于現(xiàn)場的快速檢測。相比之下，依賴于化學反應的化學發(fā)光（chemiluminescence，CL）可以不受激發(fā)光源的影響，能夠顯著提高信噪比，從而提高了檢測靈敏度[17-19]。

因此，本研究開發(fā)一種集化學發(fā)光檢測和光熱滅活于一體的食源性致病菌檢測及滅活平臺。以革蘭氏陽性的金黃色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）為研究對象，對實驗過程中H2O2濃度、實驗溫度以及孵育時間進行優(yōu)化，從而獲得反應的最佳條件。在此條件下，基于Fe3O4@Van-S.aureus 復合物對魯米諾-過氧化氫（luminol-H2O2）化學發(fā)光體系的抑制作用對S.aureus 進行檢測。原理如圖1 所示。

圖1 Fe3O4@Van 檢測及殺菌原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of detection and sterilization of Fe3O4@Van

如圖1 所示，F(xiàn)e3O4@Van 與S.aureus 細胞壁肽聚糖之間形成氫鍵，形成Fe3O4@Van-S.aureus 復合物，S.aureus 所分泌的過氧化氫酶可有效降低溶液體系中的化學發(fā)光強度，以化學發(fā)光強度作為輸出信號實現(xiàn)對致病菌的靈敏檢測。同時，因Fe3O4@Van 在近紅外區(qū)域具有寬廣的吸收，用808 nm 激光照射磁分離后的Fe3O4@Van 與細菌復合物產(chǎn)生大量熱能，從而實現(xiàn)對致病菌的殺死，可有效防止檢測完成后的二次污染。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

牛奶、礦泉水：市售。FeCl3·6H2O、H2O2、聚乙二醇、醋酸鈉、N-（3-二甲基氨基丙基）-N'-乙基碳二亞胺鹽酸鹽[N-（3-dimethylaminopropyl）-N'-ethylcarbodiimide hydrochloride，EDC]、N-羥基琥珀酰亞胺（N-hydroxysuccinimide，NHS）、嗎啉乙磺酸（2-morpholinoethanesulphonic acid，MES）：國藥集團化學試劑有限公司；乙二醇：天津江天化工技術(shù)股份有限公司；牛血清蛋白、魯米諾、萬古霉素：上海阿拉丁試劑有限公司；金黃色葡萄球菌及其他種類的對照細菌：廣東省微生物菌種保藏中心；胰蛋白胨、瓊脂、酵母提取液：北京索萊寶科技有限公司；牛肉膏：賽默飛世爾科技（中國）有限公司。所用試劑均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

電子分析天平（BT25S）：賽多利斯科學儀器（北京）有限公司；離心機（H1650-W）：湖南湘儀實驗室儀器開發(fā)有限公司；808 nm 激光器（220VAC）：海特光電有限責任公司；恒溫培養(yǎng)箱（DHP-2042 BS）：美國Thermo 有限公司；紫外可見分光光度計（UV-2600）：日本SHIMADZU 公司；超微弱化學發(fā)光檢測儀（RFL-1）：西安瑞邁分析儀器有限公司；紅外熱成像儀（Fotric 225S）：美國FOTRIC 公司。

1.3 方法

1.3.1 Fe3O4NP s 和Fe3O4@Van 的制備

Fe3O4NPs 的制備參考文獻[20]的方法，稍作修改。將FeCl3·6H2O（1.35 g）溶解于含有乙二醇溶液（40 mL）的燒杯中，攪拌5 min。隨后將醋酸鈉（1.8 g）和聚乙二醇（0.5 g）加入燒杯中并在室溫下攪拌30 min。隨后將燒杯中的液體轉(zhuǎn)移到反應釜中，置于200 ℃的烘箱中加熱6 h。待液體冷卻后，使用超純水和乙醇分別洗滌3 次，獲得Fe3O4NPs。

將1 mL 的Fe3O4NPs（2 mg/mL）溶液用MES 緩沖液（pH5.5）洗滌3 次，加入EDC（4 mg）和NHS（4 mg）后于室溫下振蕩30 min，然后加入萬古霉素（1 mg）振蕩孵育12 h，最后通過MES 緩沖液（pH7.4）洗滌3 次，置于4 ℃冰箱備用。

1.3.2 Fe3O4NPs 和Fe3O4@Van 的表征

將Fe3O4@Van 滴到硅片上，在室溫下進行干燥。將干燥后的硅片轉(zhuǎn)移至粘有導電膠的載物臺上，濺射鍍金，使用掃描電子顯微鏡觀察Fe3O4@Van 形貌。

將Fe3O4NPs 和Fe3O4@Van 溶液（350 μL）分別置于紫外分光光度計中，記錄其在200～900 nm 的吸收光譜。

利用Zeta 電位納米粒度分析儀記錄Fe3O4NPs、Fe3O4@Van 和萬古霉素的電位分布狀況。

1.3.3 Fe3O4@Van 的光熱性能分析

將Fe3O4@Van 置于48 孔板中，在距離孔板1 cm的位置利用808 nm 激發(fā)器添加一束功率密度為1 W/cm2的激光。利用紅外熱成像儀實時監(jiān)測溶液溫度的變化，隨激光輻照時間延長，溶液溫度不斷上升并逐漸到達峰值。然后關(guān)閉激發(fā)器，記錄溶液的降溫數(shù)據(jù)。將Fe3O4@Van 溶液在808 nm 激光輻照/關(guān)閉各5 min，循環(huán)5 次，通過熱學成像儀每隔30 s 記錄溫度數(shù)據(jù)并繪制溫度循環(huán)曲線圖。

1.3.4 致病菌檢測原理驗證

將稀釋至不同濃度的S.aureus 菌液（1 mL）與Fe3O4@Van 孵育3 min，待細菌與Fe3O4@Van 充分結(jié)合后加入H2O2繼續(xù)孵育10 min。隨后吸取0.5 mL 上述混合溶液添加至含有魯米諾的化學發(fā)光體系中，利用超微弱化學發(fā)光檢測儀記錄對應化學發(fā)光強度。

1.3.5 條件優(yōu)化

1.3.5.1 H2O2濃度優(yōu)化

選取H2O2濃度為0.1、0.2、0.5、0.8、1.0、1.5 mmol/L，固定孵育時間為10 min、實驗溫度為25 ℃進行實驗。使用超微弱化學發(fā)光檢測儀記錄每組化學發(fā)光強度，以化學發(fā)光強度的比值為評價標準確定H2O2的最佳使用量，每組實驗重復3 次。

1.3.5.2 實驗溫度優(yōu)化

在Fe3O4@Van-S.aureus 復合物中添加H2O2后，將上述混合溶液分別置于4、25、37、45、50 ℃下固定孵育時間為10 min。隨后使用超微弱化學發(fā)光檢測儀記錄每組化學發(fā)光強度，以化學發(fā)光強度的比值為評價標準確定最適宜的實驗溫度，每組實驗重復3 次。

1.3.5.3 孵育時間優(yōu)化

將Fe3O4@Van 與S.aureus 振蕩孵育后，將上述Fe3O4@Van-S.aureus 復合物與H2O2分別孵育1、2、5、10、15 min。隨后使用超微弱化學發(fā)光檢測儀記錄每組化學發(fā)光強度，以化學發(fā)光強度的比值為評價標準確定最佳孵育時間，每組實驗重復3 次。

1.3.6 細菌的檢測

通過對實驗體系中H2O2濃度、實驗溫度以及孵育時間進行優(yōu)化，確立反應的最優(yōu)條件。固定H2O2濃度為0.8 mmol/L，實驗溫度為25 ℃，孵育時間為10 min。

在該反應條件下，F(xiàn)e3O4@Van 分別與不同濃度（10、50、102、5 ×102、103、5 ×103、104、5 ×104、105CFU/mL）的S.aureus 孵育。將Fe3O4@Van-S.aureus 復合物與H2O2在室溫下孵育10 min 后，吸取上述混合溶液添加至化學發(fā)光體系中，利用超微弱化學發(fā)光檢測儀記錄對應化學發(fā)光強度。重復上述操作3 次，確定化學發(fā)光強度與細菌濃度的關(guān)系，實現(xiàn)對S.aureus 的定量檢測。

1.3.7 實際樣品的加標回收實驗

取5 mL 無菌牛奶于離心管中，離心10 min（8 000 r/min），離心后棄去上層的乳脂肪泡沫，此過程重復3 次。隨后將離心管中剩余液體混合均勻進行稀釋處理；礦泉水樣品預處理：取1 mL 市售礦泉水過膜，然后用超純水稀釋100 倍待使用。所有樣品均預先經(jīng)高壓滅菌（121 ℃，20 min），再進行樣品加標實驗。

通過測量菌懸液在600 nm 處的吸光度確定菌液濃度。對培養(yǎng)至對數(shù)期的菌懸液進行梯度稀釋，使得待測樣液中所含細菌數(shù)量分別為1×103、1×104、1×105CFU/mL。隨后使用超微弱化學發(fā)光檢測儀記錄混合溶液的化學發(fā)光強度，將實際樣品中加標回收的檢測值與線性范圍內(nèi)S.aureus 的理論值進行數(shù)據(jù)分析，最后根據(jù)公式計算樣品加標回收率，重復上述操作3 次。

1.3.8 光熱抗菌

利用涂布平板法來探究Fe3O4@Van 在808 nm 激光照射下的光熱抗菌能力，通過計算細菌菌落存活數(shù)量來評估Fe3O4@Van 對S.aureus 的破壞效果。實驗過程按以下4 組方式進行處理：1） 超純水處理的菌體不加激光照射；2）超純水處理的菌體加激光照射（808 nm，1.0 W/cm2）；3）經(jīng)磁分離后Fe3O4@Van 偶聯(lián)的菌體加激光照射（808 nm，1.0 W/cm2）；4）經(jīng)磁分離后Fe3O4@Van偶聯(lián)的菌體不加激光照射。以上4 組經(jīng)過不同處理后，取適量菌懸液于固體營養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基上，用滅菌涂布棒進行涂布，隨后置于37 ℃恒溫恒濕培養(yǎng)箱中培養(yǎng)12 h，通過平板菌落計數(shù)法計算4 種處理方式中Fe3O4@Van 的抗菌效率。

1.4 數(shù)據(jù)處理

定量數(shù)據(jù)以平均數(shù)±標準差表示，每組樣本不低于3 個。統(tǒng)計學比較采用方差分析和獨立樣本t 檢驗。P＜0.05 表示統(tǒng)計學上差異顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 材料表征

實驗材料合成后，使用掃描電子顯微鏡以及Zeta電位納米粒度分析儀來驗證Fe3O4@Van 的成功制備，結(jié)果見圖2。

圖2 驗證Fe3O4@Van 的成功制備Fig.2 Verification of Fe3O4@Van preparation

由圖2A 可知，F(xiàn)e3O4@Van 在掃描電子顯微鏡圖像中顯示出了飽滿的球狀形態(tài)，經(jīng)統(tǒng)計平均粒徑為499.8 nm。由圖2B 可知，F(xiàn)e3O4NPs 和萬古霉素的表面分別攜帶負電和正電，由于Fe3O4NPs 與萬古霉素發(fā)生電位中和反應，F(xiàn)e3O4@Van 表面的負電荷低于Fe3O4NPs。以上數(shù)據(jù)證實了Fe3O4@Van 的成功制備。

隨后使用紫外可見分光光度計分別對Fe3O4NPs和Fe3O4@Van 進行表征，驗證Fe3O4NPs 和Fe3O4@Van的光學性質(zhì)，結(jié)果見圖3。

圖3 Fe3O4 NPs 和Fe3O4@Van 的紫外特征吸收光譜Fig.3 Characteristic UV absorption spectra of Fe3O4 NPs and Fe3O4@Van

Fe3O4NPs 和Fe3O4@Van 的紫外可見吸收光譜在400～900 nm 范圍內(nèi)均顯示出了強烈的寬吸收，表明兩者均具有出色的光熱轉(zhuǎn)換潛力，可高效殺滅細菌。

2.2 實驗原理驗證

S.aureus 是一種常見的革蘭氏陽性菌，使用超微弱化學發(fā)光檢測儀對Fe3O4@Van 在檢測S.aureus 過程中的化學發(fā)光強度進行監(jiān)測，對Fe3O4@Van 的檢測原理進行了驗證。細菌數(shù)量與化學發(fā)光強度的對應關(guān)系見圖4。

圖4 細菌數(shù)量與化學發(fā)光強度的對應關(guān)系Fig.4 Changes in chemiluminescence intensity with the number of bacteria

由圖4 可知，隨著實驗體系中細菌數(shù)量的增加，所分泌的過氧化氫酶逐漸增加，對含有H2O2和luminol化學發(fā)光體系的抑制作用就越強。

2.3 Fe3O4@Van 光熱性能研究

通過近紅外的激光（808 nm）照射研究Fe3O4@Van的光熱性能，結(jié)果見圖5。

圖5 Fe3O4@Van 溶液的光熱性能Fig.5 Photothermal properties of Fe3O4@Van solution

從圖5A 中可以看出，F(xiàn)e3O4NPs 和Fe3O4@Van 的溫度隨著激光照射時間的延長而增加。所制備的Fe3O4@Van 可以抵抗長時間的激光照射，在5 個加熱/冷卻過程的循環(huán)后溶液的最高溫度并未發(fā)生明顯變化（圖5B），表明其具有優(yōu)異的光熱穩(wěn)定性。

2.4 條件優(yōu)化

為了提高實驗體系的靈敏度，以金黃色葡萄球菌為代表，在其添加量為103CFU/mL 時對H2O2濃度、實驗溫度以及復合物與H2O2的孵育時間進行了優(yōu)化。

2.4.1 H2O2濃度優(yōu)化

由于細菌分泌的過氧化氫酶會分解溶液中的H2O2，外源加入H2O2的濃度會影響實驗體系的化學發(fā)光強度，因此對實驗中外源H2O2濃度進行優(yōu)化，結(jié)果見圖6。

圖6 H2O2 濃度優(yōu)化Fig.6 Optimization of H2O2 concentration

由圖6 可知，當H2O2濃度為0.8 mmol/L 時，檢測體系中化學發(fā)光強度的比值達到最大值，此時檢測效果最佳。因此，選用H2O2濃度為0.8 mmol/L 開展后續(xù)實驗?；瘜W發(fā)光強度比值用1-（I/I0）來表示，其中I 表示在含有不同濃度H2O2的檢測體系中加入濃度為103CFU/mL 的金黃色葡萄球菌時，所對應的化學發(fā)光強度值；I0則表示在含有不同濃度H2O2的檢測體系中未添加細菌時所對應的化學發(fā)光強度值。

2.4.2 實驗溫度優(yōu)化

由于實驗過程中涉及了活細菌和不同的材料，進一步考察實驗溫度對檢測過程的影響，結(jié)果見圖7。

圖7 實驗溫度優(yōu)化Fig.7 Optimization of test temperature

從圖7 可以看出，在不同實驗溫度下溶液中的化學發(fā)光強度比值接近，說明實驗溫度對于細菌檢測的影響并不明顯。因此為了檢測過程的方便及快速，最終選擇接近于室溫的25 ℃作為檢測時的實驗溫度。化學發(fā)光強度比值用1-（I/I0）來表示，其中I 表示在不同溫度下，當檢測體系中含有濃度為103CFU/mL 的金黃色葡萄球菌時所對應的化學發(fā)光強度值；I0則表示在不同溫度下，當檢測體系中未添加細菌時所對應的化學發(fā)光強度值。

2.4.3 孵育時間優(yōu)化

Fe3O4@Van 與細菌形成巨大的復合物后，復合物中的細菌仍會逐步分解H2O2，復合物與H2O2的孵育時間也會影響實驗的化學發(fā)光強度。孵育時間優(yōu)化的結(jié)果見圖8。

圖8 孵育時間優(yōu)化Fig.8 Optimization of incubation time

從圖8 可以看出，化學發(fā)光強度比值隨著孵育時間的延長，整體呈現(xiàn)上升趨勢。在10 min 時到達平臺期，為了保證最佳的檢測效果，同時節(jié)省實驗時間，因此本實驗選用的孵育時間為10 min。化學發(fā)光強度比值用1-（I/I0）來表示，其中I 表示在不同孵育時間下，當檢測體系中含有濃度為103CFU/mL 的金黃色葡萄球菌時所對應的化學發(fā)光強度值；I0則表示在不同孵育時間下，當檢測體系中未添加細菌時所對應的化學發(fā)光強度值。

綜上所述，選用H2O2濃度為0.8 mmol/L、實驗溫度為25 ℃和孵育時間為10 min 進行后續(xù)的細菌檢測和滅活實驗。

2.5 細菌檢測

不同濃度的細菌分泌的過氧化氫酶也有所差異，通過化學發(fā)光監(jiān)測降解H2O2的速度可以間接計算細菌的數(shù)量?；瘜W發(fā)光強度與S.aureus 數(shù)量的線性關(guān)系見圖9。

圖9 化學發(fā)光強度與S.aureus 數(shù)量的線性關(guān)系Fig.9 Linear relationship between chemiluminescence intensity and the number of S.aureus

將Fe3O4@Van 與不同濃度的S.aureus 孵育，隨后將Fe3O4@Van-S.aureus 的復合沉淀物分散在H2O2中。細菌所分泌的過氧化氫酶可分解體系中的H2O2，待反應完全后，吸取上述混合溶液加入化學發(fā)光體系中，利用超微弱化學發(fā)光檢測儀記錄對應化學發(fā)光強度。在一定范圍內(nèi)，細菌數(shù)量越多，所產(chǎn)生的過氧化氫酶就越多，對化學發(fā)光體系的抑制作用就越強。因此，可以根據(jù)此變化建立化學發(fā)光強度與細菌濃度的變化關(guān)系。如圖9A 所示，S.aureus 濃度在10～105CFU/mL 之間與化學發(fā)光強度存在良好的線性關(guān)系，其R2=0.985 6。同時可使用智能手機記錄化學發(fā)光的變化情況，對應細菌數(shù)量下的化學發(fā)光強度變化（圖9B）。

隨后考察了該檢測方法對于不同菌種的特異性。細菌特異性檢測見圖10。

圖10 細菌特異性檢測Fig.10 Bacterial specificity

由圖10 可知，只有當S.aureus、耐甲氧西林金黃色葡萄球菌（MRSA）等革蘭氏陽性菌存在時才會使得化學發(fā)光強度明顯降低，而當大腸桿菌（E.coli）、耐卡那霉素大腸桿菌（KREC）以及沙門氏菌（Salmonella）等革蘭氏陰性菌存在時對化學發(fā)光強度的影響并不明顯。這是由于Fe3O4@Van 中所修飾的萬古霉素對革蘭氏陽性菌具有特異性識別能力，在實際檢測過程中可有效區(qū)分革蘭氏陰性與陽性細菌，實現(xiàn)對革蘭氏陽性細菌的特異性檢測。

2.6 實際樣品中的細菌檢測

為了進一步評估Fe3O4@Van 在實際樣品中檢測S.aureus 的準確性和可靠性，對牛奶以及礦泉水進行加標回收實驗，結(jié)果見表1。

表1 牛奶和礦泉水中S.aureus 的檢測Table 1 Detection of S.aureus in milk and mineral water

由表1 可知，F(xiàn)e3O4@Van 對牛奶中S.aureus 的回收率為93%～103%，對礦泉水中S.aureus 的回收率為98%～103%。以上實驗數(shù)據(jù)表明本方法對檢測牛奶以及礦泉水等實際樣品中的S.aureus 具有較好的可行性。

2.7 光熱殺菌

為了檢驗Fe3O4@Van 的光熱殺菌效果，采用傳統(tǒng)的平板涂布法通過菌落計數(shù)的方式探究其對S.aureus 的抗菌能力。Fe3O4@Van 對S.aureus 的抗菌能力見圖11。

圖11 Fe3O4@Van 對S.aureus 的抗菌能力Fig.11 Inhibitory effect of Fe3O4@Van on S.aureus

由圖11A 可知，S.aureus 在有/無近紅外808 nm激光照射下，其菌落數(shù)量并無明顯差異，說明實驗條件溫和，激光照射本身并不影響S.aureus 的生物活性。在無近紅外808 nm 激光照射的情況下，經(jīng)磁分離得到的S.aureus+Fe3O4@Van 復合物經(jīng)培養(yǎng)后可以在營養(yǎng)瓊脂平板上觀察到大量的菌落，其菌落數(shù)量與空白組相差無幾，表明Fe3O4@Van 對S.aureus 的生長幾乎沒有抑制作用。但經(jīng)過近紅外808 nm 激光照射后，S.aureus+Fe3O4@Van 組中的S.aureus 幾乎全部被殺死。由圖11B 可知，通過統(tǒng)計分析不同處理后的菌落數(shù)量，計算得出Fe3O4@Van 對S.aureus 的光熱抗菌效率為98.6%，表明具備優(yōu)異光熱性能的Fe3O4@Van 可以實現(xiàn)對S.aureus 的滅活，可有效避免細菌的二次污染。

3 結(jié)論

本研究在Fe3O4NPs 的基礎(chǔ)上進一步修飾革蘭氏陽性菌特異性識別分子萬古霉素，形成Fe3O4@Van，從而增強Fe3O4@Van 與細菌的結(jié)合能力，通過優(yōu)化H2O2濃度、實驗溫度以及孵育時間確定了以Fe3O4@Van 的化學發(fā)光強度為信號對S.aureus 檢測的最佳條件，研究結(jié)果顯示，F(xiàn)e3O4@Van 對S.aureus 檢測的最優(yōu)條件：H2O2濃度為0.8 mmol/L、實驗溫度為25 ℃以及孵育時間10 min。在該條件下，常見的食源性致病菌S.aureus在濃度10～105CFU/mL 之間與化學發(fā)光強度存在良好的線性關(guān)系。在對牛奶以及礦泉水的加標回收實驗中回收率為93%～103%，表明其在實際樣品中具有較好的應用性。同時，具備優(yōu)異光熱性能的Fe3O4@Van 可實現(xiàn)對S.aureus 的原位殺死，抗菌效率高達98.6%。本平臺的成功構(gòu)建為食品安全檢測與質(zhì)量控制研究提供了新的策略。