基于光纤的表面增强拉曼光谱传感器用于快速多重检测生禽中的食源性病原体

2024-12-30 Mon
基于光纤的表面增强拉曼光谱传感器用于快速多重检测生禽中的食源性病原体学术背景食源性疾病是全球公共卫生的重大挑战，其中沙门氏菌（Salmonella）是导致食源性疾病的主要病原体之一。仅在美国，每年就有135万例感染、26,500例住院和420例死亡病例。尽管有国家层面的改进目标，但美国的沙门氏菌感染率在过去三十年中几乎没有变化。家禽产品，尤其是鸡肉和火鸡产品，是沙门氏菌感染的主要来源，约占沙门氏菌病病例的23.4%。美国疾病控制与预防中心（CDC）估计，每25个在超市出售的鸡肉包装中就有一个被沙门氏菌污染。沙门氏菌每年给美国带来的经济损失高达41亿美元，包括医疗费用、生产力损失和死亡。
目前，沙门氏菌的检测方法主要依赖于聚合酶链式反应（PCR），该方法至少需要24小时（包括富集、样品准备和核酸提取），并且还需要5-7天的时间通过传统的微生物培养方法确认阳性样本。尽管PCR被认为是检测病原体的“金标准”，但其耗时且昂贵。此外，免疫学方法如ELISA虽然具有快速检测步骤，但通常需要在富集培养后进行，缺乏及时的结果反馈，阻碍了家禽制造商及时采取干预措施以提高食品安全。
近年来，各种快速检测食源性病原体的方法被研究，包括电化学、阻抗、光学、侧流分析、电位法和石英晶体微天平等技术。然而，这些方法通常需要复杂的仪器、样品准备时间长且成本高。表面增强拉曼光谱（Surface Enhanced Raman Spectroscopy, SERS）作为一种高灵敏度、快速、无标记的分析工具，能够通过分子振动模式识别分子，具有广泛的应用前景。然而，传统的SERS传感器通常基于平面基底或光纤尖端，存在信号增强不均匀、制备成本高等问题。
论文来源本论文由Mai Abuhelwa、Arshdeep Singh、Jiayu Liu、Mohammed Almalaysha、Anna V. Carlson、Kate E. Trout、Amit Morey、E. Kinzel、Lakshmikantha H. Channaiah和Mahmoud Almasri共同撰写，分别来自美国密苏里大学的电气工程与计算机科学系、食品营养与运动科学系、Cargill公司、健康科学学院、奥本大学家禽科学系以及圣母大学的机械与航空航天工程系。该论文于2024年发表在《Microsystems & Nanoengineering》期刊上。
研究流程1. 生物传感器设计本研究设计了一种基于光纤的SERS传感器，用于高灵敏度检测和识别家禽产品中的沙门氏菌。传感器首次将金属纳米天线阵列集成在侧抛光的多模光纤芯上，并结合3D打印的塑料微结构，能够在10分钟内实现沙门氏菌的高灵敏度检测。传感器通过检测沙门氏菌的指纹拉曼光谱来识别其分子组成，如蛋白质、脂质、核酸和细胞壁成分。
2. 传感器制备纳米天线阵列通过微球光刻（Microsphere Photolithography, MPL）技术制备在侧抛光的多模光纤芯上。首先，光纤的中间部分被剥离，暴露出的包层用于抛光。随后，光纤被插入3D打印的微结构中，并通过抛光获得平坦光滑的表面。接着，通过MPL技术在抛光表面上制备纳米天线阵列，最终通过剥离工艺形成金纳米盘阵列。
3. 样品制备与测试生禽冲洗液经过过滤后，用沙门氏菌（Salmonella Typhimurium）和大肠杆菌O157:H7（E. coli O157:H7）进行加标处理。传感器通过拉曼光谱仪检测加标样品中的病原体，记录拉曼光谱并分析其指纹特征。
主要结果1. 灵敏度测试实验结果表明，传感器在生禽冲洗液中对沙门氏菌的检测灵敏度范围为0.4-0.5细胞/毫升。通过调整传感表面积和纳米盘直径，传感器的相对光强度随着沙门氏菌浓度的增加而增加。较大的传感表面积和较小的纳米间隙能够增强电场强度，形成SERS热点，从而提高拉曼信号。
2. 多重检测传感器能够同时检测沙门氏菌和大肠杆菌O157:H7，并显示出高特异性。通过比较两种病原体的拉曼光谱，发现某些峰是特定于大肠杆菌O157:H7的，而另一些峰是特定于沙门氏菌的，表明该技术能够同时检测多种病原体。
3. 最佳检测时间实验表明，传感器的最佳检测时间为10分钟。超过10分钟后，信号强度趋于稳定，进一步延长检测时间不会显著提高灵敏度。
结论本研究设计、制备并验证了一种基于光纤的SERS传感器，能够快速检测生禽中的沙门氏菌。传感器通过微球光刻技术在侧抛光的多模光纤芯上制备纳米天线阵列，具有高灵敏度、特异性和多重检测能力。实验结果表明，传感器能够在10分钟内检测到0.4-0.5细胞/毫升的沙门氏菌，并能够同时检测沙门氏菌和大肠杆菌O157:H7。该传感器有望在食品安全领域实现革命性突破，减少检测时间，提高家禽行业的食品安全干预效率。
研究亮点高灵敏度：传感器能够在10分钟内检测到0.4-0.5细胞/毫升的沙门氏菌，远高于传统方法的检测限。
多重检测：传感器能够同时检测沙门氏菌和大肠杆菌O157:H7，显示出高特异性。
低成本制备：通过微球光刻技术和3D打印技术，传感器的制备成本显著降低，适合大规模生产。
快速检测：传感器的最佳检测时间为10分钟，远快于传统的PCR方法，能够及时提供检测结果，帮助家禽制造商迅速采取干预措施。
研究意义该研究为食品安全监测提供了新的技术手段，能够显著提高沙门氏菌等食源性病原体的检测效率。传感器的快速检测能力有助于家禽行业及时采取干预措施，减少食源性疾病的发生，保障公众健康。此外，该传感器还可用于检测其他细菌和病毒病原体，如大肠杆菌O157:H7、弯曲杆菌、李斯特菌和禽流感等，具有广泛的应用前景。