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    表面增強(qiáng)拉曼光譜技術(shù)在微生物鑒定中的應(yīng)用進(jìn)展

    2015-07-19 13:05:25賈瀟瀟李晶秦天鄧愛(ài)華劉文軍
    生物工程學(xué)報(bào) 2015年5期
    關(guān)鍵詞:曼光譜拉曼納米

    賈瀟瀟,李晶,秦天,鄧愛(ài)華,劉文軍

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    表面增強(qiáng)拉曼光譜技術(shù)在微生物鑒定中的應(yīng)用進(jìn)展

    賈瀟瀟1,2,李晶1,秦天3,鄧愛(ài)華4,劉文軍1

    1 中國(guó)科學(xué)院微生物研究所病原微生物與免疫學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100101 2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049 3 中國(guó)疾病預(yù)防控制中心傳染病預(yù)防控制所傳染病預(yù)防控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 102206 4 中國(guó)科學(xué)院微生物研究所微生物生理與代謝工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100101

    賈瀟瀟, 李晶, 秦天, 等. 表面增強(qiáng)拉曼光譜技術(shù)在微生物鑒定中的應(yīng)用進(jìn)展. 生物工程學(xué)報(bào), 2015, 31(5): 611–620.Jia XX, Li J, Qin T, et al. Current views on surface enhanced Raman spectroscopy in microbiology. Chin J Biotech, 2015, 31(5): 611–620.

    拉曼光譜自20世紀(jì)20年代被發(fā)現(xiàn)以來(lái),經(jīng)過(guò)近90年的發(fā)展,產(chǎn)生了許多分支。其中表面增強(qiáng)拉曼光譜是利用被測(cè)物質(zhì)與粗糙金屬表面的相互作用來(lái)提高拉曼光譜的信噪比,從而得到敏感度和精確度更高的圖譜,可以將樣品在不經(jīng)過(guò)預(yù)處理的情況下對(duì)其進(jìn)行快速檢測(cè)。本文綜述了表面增強(qiáng)拉曼光譜技術(shù)的原理、分類(lèi)及鑒定特點(diǎn),總結(jié)了該技術(shù)在食品、化學(xué)、醫(yī)藥、工業(yè)、病原等微生物學(xué)科的臨床應(yīng)用,進(jìn)一步闡述了研究該技術(shù)的必要性和應(yīng)用前景,旨在為從事該領(lǐng)域的科研人員提供參考依據(jù)。

    表面增強(qiáng)拉曼光譜,微生物,應(yīng)用

    拉曼散射是光散射現(xiàn)象的一種,單色光束的光子與分子相互作用時(shí)可發(fā)生彈性碰撞和非彈性碰撞,拉曼散射是由光子的非彈性碰撞產(chǎn)生的[1]。發(fā)生彈性碰撞的散射過(guò)程又稱(chēng)為瑞利散射,碰撞過(guò)程中分子和光子之間沒(méi)有發(fā)生能量的交換,碰撞后分子只改變了運(yùn)動(dòng)方向而不改變運(yùn)動(dòng)頻率。與彈性碰撞不同,這種非彈性碰撞過(guò)程中光子與分子之間發(fā)生能量交換,即光子將一部分能量傳遞給了分子,或分子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能量傳遞給光子,因此光子在改變運(yùn)動(dòng)方向的同時(shí)也改變了運(yùn)動(dòng)的頻率。自1928年被印度科學(xué)家拉曼(Raman C.V.) 在實(shí)驗(yàn)中首次發(fā)現(xiàn)[2],隨后逐漸應(yīng)用到物質(zhì)結(jié)構(gòu)的測(cè)定中(表1)。

    拉曼光譜分為表面增強(qiáng)拉曼效應(yīng)[15]、共振拉曼光譜、表面增強(qiáng)共振拉曼光譜、自發(fā)性拉曼光譜、光學(xué)鉗拉曼光譜、空間補(bǔ)償拉曼光譜[16]、同調(diào)anti-Stokes拉曼光譜、拉曼光學(xué)活性[17]、受激拉曼增益光譜、逆拉曼光譜、針尖增強(qiáng)拉曼光譜等。

    隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,一種基于納米結(jié)構(gòu)的表面增強(qiáng)拉曼光譜(Surface enhanced Raman spectroscopy,SERS) 被發(fā)明,這種技術(shù)通過(guò)使用金屬顆粒與被測(cè)分子間的相互作用來(lái)提高圖譜的信噪比,從而使得實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加顯著。SERS技術(shù)作為一種新興的光學(xué)分析手段,已經(jīng)應(yīng)用于環(huán)境分析、材料分析和化學(xué)品檢測(cè)等領(lǐng)域[18],在微生物研究領(lǐng)域初步探索了在食品微生物鑒定中的應(yīng)用,對(duì)病原微生物的相關(guān)研究甚少。

    表1 拉曼光譜發(fā)展關(guān)鍵點(diǎn)

    1 表面增強(qiáng)拉曼光譜

    1.1 表面增強(qiáng)拉曼光譜的定義

    當(dāng)一些分子被吸附到某些粗糙的金屬(金、銀等) 表面,借助于兩者之間的相互作用,可以很大程度地增強(qiáng)拉曼信號(hào),從而得到高信噪比的圖譜,即產(chǎn)生了表面增強(qiáng)拉曼散射效應(yīng),是一種特殊的表面光學(xué)現(xiàn)象。

    1.2 表面增強(qiáng)拉曼光譜的原理及特點(diǎn)

    SERS的基本原理是利用不同的金屬納米顆?;蚝怂岱肿与s交等技術(shù)[19]增強(qiáng)拉曼信號(hào),從而得到更好的檢測(cè)圖譜[20]。由于拉曼光譜強(qiáng)度太弱,且沒(méi)有找到較合適的激發(fā)光源,因此沒(méi)有得到較大范圍的應(yīng)用。直至20世紀(jì)70年代激光作為高強(qiáng)度的激發(fā)光源被應(yīng)用到拉曼光譜的檢測(cè)中,拉曼光譜技術(shù)才逐漸被使用于各專(zhuān)業(yè)的科學(xué)研究中。

    1.3 表面增強(qiáng)拉曼光譜技術(shù)

    表面增強(qiáng)拉曼光譜技術(shù)是基于表面增強(qiáng)拉曼光譜的原理結(jié)合顯微共焦激光拉曼光譜儀等先進(jìn)的儀器設(shè)備將待測(cè)樣品進(jìn)行快速檢測(cè)并進(jìn)行圖像化處理的手段。該技術(shù)的應(yīng)用可以為科研人員提供更多參考依據(jù),在實(shí)驗(yàn)方案的選擇和設(shè)計(jì)上具有啟發(fā)意義。

    2 SERS技術(shù)在食品、化學(xué)、醫(yī)藥、工業(yè)等學(xué)科的應(yīng)用

    由于具有檢測(cè)快速方便、所需樣品少且不損壞樣品以及靈敏度高等特點(diǎn),近些年來(lái)SERS技術(shù)在食品、化學(xué)、醫(yī)學(xué)、工業(yè)等領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。

    2.1 在食品學(xué)科的應(yīng)用

    在我們?nèi)粘z入的食品中,可能存在著多種農(nóng)藥、殺蟲(chóng)劑殘留物,利用SERS技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)這些殘留物的快速檢測(cè)。Müller等[21]使用便攜式拉曼光譜儀對(duì)香蕉和柑橘類(lèi)中可能存在的噻苯咪唑(驅(qū)蟲(chóng)劑) 進(jìn)行了SERS的檢測(cè),結(jié)果顯示市場(chǎng)中噻苯咪唑(驅(qū)蟲(chóng)劑) 在香蕉中的使用量在安全范圍以?xún)?nèi),而在柑橘類(lèi)中的含量超標(biāo)嚴(yán)重。此外,Wijaya等[22]使用未經(jīng)處理的蘋(píng)果表皮和蘋(píng)果汁作為研究對(duì)象,針對(duì)一種新型堿類(lèi)殺蟲(chóng)劑啶蟲(chóng)脒在食品中的殘留量進(jìn)行了SERS的快速檢測(cè)。樣品都未經(jīng)過(guò)預(yù)處理,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在蘋(píng)果汁中至少有3 μg/mL的啶蟲(chóng)脒,而在蘋(píng)果皮中發(fā)現(xiàn)啶蟲(chóng)脒的濃度為2.5 μg/kg,遠(yuǎn)低于最高限定濃度1 000 μg/kg。

    不法分子在食品的生產(chǎn)加工過(guò)程中可能摻入多種違禁成分,快速地鑒別食品中是否含有禁止使用的添加成分對(duì)食品安全的保障具有重要意義,SERS技術(shù)的使用滿(mǎn)足了這一檢測(cè)的需求。例如Roy等[23]將金納米顆粒制成20–30 nm作為增強(qiáng)劑,對(duì)牛奶中的三聚氰胺含量進(jìn)行了檢測(cè)。除使用金納米顆粒外,研究發(fā)現(xiàn)在石墨與銀納米顆粒共同作用下可以進(jìn)一步優(yōu)化SERS的效果[24]。通過(guò)這一方法研究人員對(duì)幾種在食品中被禁止使用的色素進(jìn)行了SERS的檢測(cè),證明這種技術(shù)可以將多種混合的色素成分通過(guò)各自的特征峰進(jìn)行快速區(qū)別,這為食品的安全檢測(cè)工作提供了有力的技術(shù)支撐。

    2.2 在化學(xué)學(xué)科的應(yīng)用

    人們較早地將SERS應(yīng)用于化學(xué)領(lǐng)域,隨著納米制備和表征技術(shù)的發(fā)展,研究發(fā)現(xiàn)若干金屬離子可顯著提高拉曼光譜技術(shù)的實(shí)驗(yàn)效果。Dasary等[25]利用SERS技術(shù)對(duì)存在于水和鹽中的碘離子進(jìn)行了高選擇性和高敏感性的測(cè)定,結(jié)果顯示金納米顆粒的表面吸引了眾多帶電的Rh6G分子并且以聚合體的形式顯著誘導(dǎo)了熱點(diǎn)數(shù)量的增加,另外利用過(guò)氧化氫(H2O2) 將I–氧化為I2這一方法被成功用來(lái)進(jìn)行針對(duì)在高濃度下會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重干擾的溴離子(Br–) 的篩選。除金納米顆粒以外,銀溶膠也可以作為表面增強(qiáng)劑應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)中,Temiz等[26]利用4種在大分子邊緣被1,8-萘二甲酰亞胺進(jìn)行了化學(xué)修飾的新合成的聚(丙烯胺) 樹(shù)枝狀分子作為配體進(jìn)行對(duì)重金屬離子的SERS檢測(cè)。在這些大分子和銀溶膠的共同作用下可以檢測(cè)到低濃度重金屬離子的拉曼光譜,得到的數(shù)據(jù)與主成分分析結(jié)果相符。

    2.3 在醫(yī)藥、工業(yè)中的應(yīng)用

    SERS技術(shù)在醫(yī)藥、工業(yè)領(lǐng)域中也發(fā)揮重要的作用,研究人員可通過(guò)對(duì)藥品快速檢測(cè),來(lái)鑒定其中是否含有違禁成分,同時(shí)也可以對(duì)藥品進(jìn)行篩選來(lái)保證市場(chǎng)中藥物的安全。Zhang等[27]利用銀溶膠為基底的SERS技術(shù)對(duì)中國(guó)傳統(tǒng)專(zhuān)利藥品中的違禁成分進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)了鹽酸羅格列酮、鹽酸苯乙雙胍、鹽酸二甲雙胍、鹽酸吡格列酮和鹽酸西布曲明等非法藥物成分,這些藥物成分可以使患者的病癥短時(shí)間內(nèi)得到好轉(zhuǎn),但是會(huì)帶來(lái)不可預(yù)測(cè)的副作用。此外SERS技術(shù)也被用于疾病如尿道疾病、癌癥診斷和體外癌細(xì)胞的檢測(cè),MUC4作為早期胰腺癌的一個(gè)血清標(biāo)記[28],可以利用表面拉曼增強(qiáng)光譜進(jìn)行定量檢測(cè),而對(duì)多種生物標(biāo)記物的檢測(cè)使得人們對(duì)肺癌的診斷更加準(zhǔn)確[29]。另外,通過(guò)建立DNA-金納米顆粒探測(cè)技術(shù),人們?cè)?種不同的乳腺癌細(xì)胞系中都發(fā)現(xiàn)了CD44+/CD24-細(xì)胞,表明SERS技術(shù)可以通過(guò)檢測(cè)細(xì)胞表面標(biāo)記蛋白來(lái)鑒定乳腺癌干細(xì)胞中CD44+/CD24-的含量[30]。在工業(yè)學(xué)科領(lǐng)域,芽胞桿菌由于它強(qiáng)大的生產(chǎn)胞外酶的能力而備受關(guān)注,因而對(duì)其進(jìn)行快速鑒別就顯得尤為重要。Deng等[31]利用SERS將從中國(guó)西藏分離得到的14種芽胞桿菌進(jìn)行了檢測(cè),多元分析清晰地將這些菌株分為了3類(lèi)(圖1),這與它們的16S rRNA的系統(tǒng)發(fā)育學(xué)分析結(jié)果完全一致。

    圖1 工業(yè)微生物中14株芽胞桿菌SERS分離鑒定[31]

    3 SERS技術(shù)在病原微生物學(xué)科中的研究

    3.1 在病原細(xì)菌學(xué)中的研究

    3.1.1 利用SERS對(duì)混合菌種進(jìn)行鑒定

    SERS技術(shù)在病原微生物中的一個(gè)重要應(yīng)用是在不依賴(lài)培養(yǎng)基的情況下對(duì)從環(huán)境中或患者體內(nèi)直接分離的病原菌進(jìn)行快速檢測(cè)和鑒定,從而提高效率、節(jié)省成本。該方法不僅可以進(jìn)行單一菌種的鑒定,也可以對(duì)混合菌種進(jìn)行準(zhǔn)確地篩選。Xu等[32]發(fā)現(xiàn)由于細(xì)菌細(xì)胞膜表面有大量的生化成分,它們可以作為菌種快速識(shí)別和鑒定的標(biāo)志。他們利用SERS對(duì)從美國(guó)華盛頓臨床病人和環(huán)境中分離獲得的4種基因型的7株副溶血弧菌進(jìn)行了鑒定,結(jié)果顯示7株細(xì)菌都有可區(qū)別于其他菌株的特征峰。他們還將編號(hào)為551和3652的兩株菌按照2∶1、1∶1、1∶2的體積比分別混合進(jìn)行SERS的檢測(cè),發(fā)現(xiàn)兩種細(xì)菌從各自的特征峰圖中被明顯區(qū)分出來(lái),其中551號(hào)副溶血弧菌的特征峰出現(xiàn)在1 002 cm–1、 1 177 cm–1、1 532 cm–1處,而3652號(hào)副溶血弧菌的特征峰則出現(xiàn)在525 cm–1、738 cm–1、1 319 cm–1、1 639 cm–1處,表明該方法在單個(gè)菌種樣品和多菌種混合物樣品中都能得到良好的鑒定結(jié)果。呂璞等[33]將大腸桿菌和志賀氏菌與納米銀顆?;旌虾笥肧ERS進(jìn)行了檢測(cè),發(fā)現(xiàn)這兩種細(xì)菌產(chǎn)生了完全不同的特征圖譜,大腸桿菌的拉曼振動(dòng)峰出現(xiàn)在658 cm–1、728 cm–1、960 cm–1等處,而志賀氏菌的振動(dòng)峰出現(xiàn)在670 cm–1、820 cm–1、1 330 cm–1等處。實(shí)驗(yàn)分別進(jìn)行了3次重復(fù),檢測(cè)結(jié)果均具有良好的重現(xiàn)性。研究人員發(fā)現(xiàn)在使用化學(xué)計(jì)量法的基礎(chǔ)上,SERS可以用于區(qū)分細(xì)菌的種類(lèi)和血清型,他們用銀納米顆粒作為基底對(duì)綠豆芽中的古沙門(mén)氏菌、斯坦利沙門(mén)氏菌、表皮葡萄球菌等6種食源性致病菌進(jìn)行了SERS的鑒定和區(qū)分[34]。

    Meisel等[35]對(duì)19種主要的食源性致病菌進(jìn)行了SERS的檢測(cè),得到的數(shù)據(jù)被分等級(jí)鑒定,第一等級(jí)為將測(cè)定菌分為革蘭氏陰性菌和革蘭氏陽(yáng)性菌,再通過(guò)另外兩個(gè)重要的節(jié)點(diǎn)區(qū)分病原細(xì)菌的種屬,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明每級(jí)的鑒定結(jié)果準(zhǔn)確度在90.6%–99.5%的范圍內(nèi)。

    3.1.2 利用SERS對(duì)常見(jiàn)病原菌的快速檢測(cè)

    金黃色葡萄球菌是最常見(jiàn)的病原菌之一,Lu等[36]利用微流體芯片與SERS技術(shù)結(jié)合對(duì)耐甲氧西林金黃色葡萄球菌進(jìn)行了快速鑒定,黃玉坤等[37]也利用金納米顆粒與樣品混合對(duì)食品中的金黃色葡萄球菌、表皮葡萄球菌、白色葡萄球菌等進(jìn)行了SERS的快速檢測(cè),研究表明整個(gè)檢測(cè)過(guò)程耗時(shí)非常短,檢測(cè)過(guò)程只需要十幾秒的時(shí)間,并且與傳統(tǒng)的聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)、菌落分離、血清學(xué)鑒別實(shí)驗(yàn)等方法得到同樣準(zhǔn)確的結(jié)果,可以作為食品衛(wèi)生監(jiān)管中的快速診斷方法。

    尿路感染是一種常見(jiàn)的病癥,目前對(duì)于感染病菌檢測(cè)的金標(biāo)準(zhǔn)是傳統(tǒng)的培養(yǎng)法[38],但這種方法耗時(shí)較長(zhǎng)。Klo?等[38]針對(duì)尿道感染的患者樣本進(jìn)行了SERS與化學(xué)計(jì)量學(xué)結(jié)合的檢測(cè),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明SERS技術(shù)可在2 h內(nèi)不需要培養(yǎng)基的情況下對(duì)患者體內(nèi)的尿液樣本進(jìn)行準(zhǔn)確檢測(cè),并且可以確定感染的主要菌群,精確度可以達(dá)到92%以上。

    大腸桿菌、葡萄球菌、沙門(mén)氏菌等常見(jiàn)的病原菌的快速鑒定和區(qū)分也都相繼應(yīng)用SERS技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。將菌體與銀納米顆粒共同作用后的SERS可以達(dá)到單細(xì)胞檢測(cè)的水平。Fan等[39]利用銀納米顆粒對(duì)常見(jiàn)的食源性致病菌如大腸桿菌O157:H7、表皮葡萄球菌、單核細(xì)胞增多性李斯特菌和腸球菌等進(jìn)行了SERS的鑒定,結(jié)果發(fā)現(xiàn)在500–1 800 cm–1區(qū)間不同菌種的峰圖差別最明顯。Wang等[40]利用反向微乳液法 (溴化十六烷基三甲銨為表面活性劑、原硅四乙酯為二氧化硅先導(dǎo)) 制成直徑100 nm內(nèi)的二氧化硅包裹的磁性探針,為了驗(yàn)證它的敏感度,研究人員將金黃色葡萄球菌混于PBS緩沖液中,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)探針能檢測(cè)到的最低濃度為102CFU/mL,證明這種基于SERS的探針具有高度的敏感性。Sundaram等[41]利用銀納米顆粒對(duì)鼠傷寒、大腸桿菌、金黃色葡萄球菌以及李斯特菌進(jìn)行了SERS的檢測(cè),發(fā)現(xiàn)革蘭氏陽(yáng)性和陰性菌菌體細(xì)胞壁和細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)沒(méi)有明顯區(qū)別,而主要的區(qū)別在于核苷酸和氨基酸,各自的特征峰主要集中在1 200–1 700 cm–1和400–700 cm–1之間。

    目前利用SERS針對(duì)病原菌的快速檢測(cè)主要集中在腸道病原菌,但是針對(duì)呼吸道病原菌的快速區(qū)別鑒定研究還較少,并且也缺少一個(gè)完善的可供參考的數(shù)據(jù)系統(tǒng)。

    3.2 在病原微生物中病毒學(xué)及其他學(xué)科中的研究

    在SERS技術(shù)的優(yōu)化方面,除與金屬離子共同作用之外,利用SERS技術(shù)也可以實(shí)現(xiàn)病毒的檢測(cè)。Cao等[19]采用核酸分子雜交技術(shù)同時(shí)檢測(cè)了A/B型肝炎病毒、艾滋病病毒、埃博拉病毒、天花病毒和炭疽桿菌抗原等6種病原微生物。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的單個(gè)球形金納米顆??杀挥糜诙康目乖瓩z測(cè),而二聚化的金納米顆??梢越档蜋z測(cè)濃度的最低限度。Lee等[42]利用雙功能病毒SERS探針在一端作為抗體,與金納米顆粒結(jié)合的方式共同用于SERS的檢測(cè)。

    Zhao等[43]利用銀納米顆粒作為基底,對(duì)流感病毒的3種不同毒株A/HKx31、A/WSN/33和A/PR/8/34進(jìn)行了SERS的鑒定。在病毒樣品體積小于5 μL的情況下拉曼光譜儀1 min內(nèi)完成了收集,并且根據(jù)峰圖之間的區(qū)別 (圖2灰色區(qū)域) 可以清楚地鑒別出不同種毒株,結(jié)果顯示SERS可以用來(lái)鑒別同一病原菌的不同種毒株。

    除了常見(jiàn)的致病細(xì)菌及病毒外,一些支原體、衣原體等微生物也對(duì)農(nóng)業(yè)等發(fā)展產(chǎn)生了嚴(yán)重危害。目前美國(guó)家禽中的支原體檢測(cè)主要依靠技術(shù)工人,并且不能保證檢驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。Hennigan等[44]利用NA-SERS對(duì)家禽中的萊式無(wú)膽甾原體、雞敗血性支原體、滑液支原體、泰樂(lè)菌素等進(jìn)行了快速檢測(cè),結(jié)果表明此方法對(duì)檢測(cè)條件要求較低并且比標(biāo)準(zhǔn)PCR和Real-time PCR檢測(cè)效果更好。

    圖2 流感病毒不同毒株的SERS鑒定[43]

    SERS在判斷正常結(jié)腸組織與惡性腫瘤中也可以發(fā)揮重要作用,Lopes等[45]對(duì)11個(gè)人體結(jié)腸樣本進(jìn)行了測(cè)定,獲得55張圖譜,觀察到了蛋白質(zhì)、脂質(zhì)、氨基酸的峰圖,其中根據(jù)條帶強(qiáng)度差異所得到的差別較大的條帶可能是關(guān)鍵的區(qū)別點(diǎn)。隨后對(duì)條帶強(qiáng)度和強(qiáng)度比率進(jìn)行的線性分析表明此方法的精確度達(dá)到了81%。目前針對(duì)結(jié)腸癌主要傾向于利用一些小分子進(jìn)行靶向治療。對(duì)靶向分子及其代謝物的探測(cè)一般都需要攜帶熒光標(biāo)簽,而這些標(biāo)簽中可能帶有毒素,對(duì)患者造成傷害。目前有研究人員利用SERS技術(shù)對(duì)細(xì)胞內(nèi)藥物的空間分布進(jìn)行了研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn)藥物聚集在細(xì)胞膜表皮生長(zhǎng)因子受體上并且誘導(dǎo)受體內(nèi)在化,這項(xiàng)研究在細(xì)胞內(nèi)的原子水平上闡釋了藥物分子的靶向作用機(jī)制[46]。

    4 小結(jié)

    4.1 研發(fā)微生物檢測(cè)與鑒定用試劑盒

    SERS技術(shù)由于光譜的特有性質(zhì),不同微生物的SERS存在著一定的差異,如同進(jìn)行人的指紋鑒定一樣,利用不同微生物的“光譜指紋”差異即可對(duì)不同微生物進(jìn)行區(qū)分。這一方法的第一個(gè)特點(diǎn)是不需要對(duì)樣本進(jìn)行標(biāo)記,檢測(cè)過(guò)程快速,通常一個(gè)拉曼光譜在30 s內(nèi)即可完成;第二個(gè)特點(diǎn)是其檢測(cè)成本較低,納米基質(zhì)價(jià)格較低且可以反復(fù)使用,除拉曼光譜儀外基本無(wú)其他消耗品的需求,所以整套設(shè)備價(jià)格相對(duì)較低,有市場(chǎng)推廣性;第三個(gè)特點(diǎn)是拉曼光譜儀可以實(shí)現(xiàn)小型化、便攜化,可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)、野外的檢測(cè)。目前國(guó)內(nèi)外沒(méi)有將該技術(shù)應(yīng)用于臨床鑒定的使用,尤其是針對(duì)病原微生物的鑒定與檢測(cè)中,對(duì)其及時(shí)、準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)預(yù)警在疾病預(yù)防控制中有著較為重要的作用。將SERS技術(shù)進(jìn)行臨床產(chǎn)品的檢驗(yàn),進(jìn)一步摸索靈敏度、重現(xiàn)性、特異性、成本分析等條件和指標(biāo),將其進(jìn)行微生物檢測(cè)與鑒定用試劑盒或試紙條的研發(fā)和推廣,以上所述為我們下一步的研究重點(diǎn)。

    4.2 建立SERS技術(shù)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)

    目前的研究現(xiàn)狀顯示,SERS技術(shù)僅對(duì)某些微生物進(jìn)行了檢測(cè)和鑒定,沒(méi)有廣泛地將微生物進(jìn)行SERS技術(shù)圖像收集和匯總,建立可搜索、可操作的數(shù)據(jù)庫(kù)和共享的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)。建立多種微生物的“拉曼光譜指紋”數(shù)據(jù)庫(kù)與網(wǎng)絡(luò)共享平臺(tái)將可跨越時(shí)間和地區(qū)的界限,實(shí)現(xiàn)多研究機(jī)構(gòu)資源共享。分析拉曼光譜圖,確定特征峰,通過(guò)對(duì)已知微生物進(jìn)行拉曼光譜指紋的獲取,并與利用傳統(tǒng)方法鑒定的微生物信息進(jìn)行匹配,從而建立特異的光譜指紋數(shù)據(jù)庫(kù),是我們下一步工作的切入點(diǎn)。

    綜上所述,SERS技術(shù)的應(yīng)用可實(shí)現(xiàn)對(duì)微生物高精度與快速的鑒定,并逐步完成相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)與成果轉(zhuǎn)化,同時(shí)可完成多種微生物“拉曼光譜指紋”庫(kù)的建立,完成相關(guān)技術(shù)儲(chǔ)備,發(fā)展成具有國(guó)際領(lǐng)先水平的快速鑒定網(wǎng)絡(luò)共享平臺(tái),滿(mǎn)足微生物領(lǐng)域中對(duì)臨床樣品快速、現(xiàn)場(chǎng)的需求。

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    (本文責(zé)編陳宏宇)

    Current views on surface enhanced Raman spectroscopy in microbiology

    Xiaoxiao Jia1,2, Jing Li1, Tian Qin3, Aihua Deng4, and Wenjun Liu1

    1 Key Laboratory of Pathogenic Microbiology and Immunology, Institute of Microbiology, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China 2 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China 3 State Key Laboratory for Infectious Disease Prevention and Control, National Institute for Communicable Disease Control and Prevention,Chinese Center for Disease Control and Prevention, Beijing 102206, China 4 Key Laboratory of Microbial Physiological and Metabolic Engineering, Institute of Microbiology, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China

    Raman spectroscopy has generated many branches during the development for more than 90 years. Surface enhanced Raman spectroscopy (SERS) improves SNR by using the interaction between tested materials and the surface of rough metal, as to quickly get higher sensitivity and precision spectroscopy without sample pretreatment. This article describes the characteristic and classification of SERS, and updates the theory and clinical application of SERS. It also summarizes the present status and progress of SERS in various disciplines and illustrates the necessity and urgency of its research, which provides rationale for the application for SERS in microbiology.

    surface enhanced Raman spectroscopy, microbiology, application

    August 19, 2014; Accepted: October 15, 2014

    Jing Li. Tel/Fax: +86-10-64807503; E-mail: lj418@163.com

    Supported by:National Key Technologies Research and Development Program of China (No. 2013ZX10004-610), National Natural Science Foundation of China (Nos. 31402216, 81101253), Key Research Program of the Chinese Academy of Sciences (No. KSZD-EW-Z-005-001).

    “艾滋病和病毒性肝炎等重大傳染病防治”科技重大專(zhuān)項(xiàng) (No. 2013ZX10004-610),國(guó)家自然科學(xué)基金(Nos. 31402216, 81101253),中國(guó)科學(xué)院重點(diǎn)部署項(xiàng)目 (No. KSZD-EW-Z-005-001) 資助。

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