基于荧光和拉曼双光学信号的肠毒素检测免疫传感器

肠毒素（SEs）是金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus，S. aureus）分泌产生的一类可溶性胞外毒素蛋白质，是金黄色葡萄球菌重要的毒力因子。肠毒素易溶于水溶液中，具有显著的耐热性、耐酸性、耐水解能力。肠毒素经典的分型包括SEA、SEB、SEC、SED、SEE，据报道由5种传统肠毒素SEA～SEE引起的金黄色葡萄球菌食物中毒占比高达95%。如果食物受到肠毒素污染，一般的高温加热处理并不能使其完全变性失活，而仍然保有超抗原活性和致病力，同样会引起呕吐和胃肠炎等食物中毒症状，因此，肠毒素的测对于控制由金黄色葡萄球菌引起的食物中毒，保障食品安全有着重大意义。传统的肠毒素检测方法以检测致病菌为主,检测时间长, 且致病菌在加工过程中致死, 因而无法检出；但是在加工以前已经产生的肠毒素，即使受100 ℃煮沸30 min也不易被破坏, 并且仍能抵抗胃肠道中蛋白酶的水解作用, 易造成误判，导致食物中毒。目前基于双抗体夹心酶联吸附免疫分析原理的检测试剂盒已经在部分地区使用，检测的灵敏度可达纳克每升的水平，由于食品基质干扰严重，常常需要对检测样本进行高倍数稀释，从而使得检测限无法满足要求。

近年来，纳米材料因其独特的光学、电学、热学、催化性能，在化工、生物、环境科学领域飞速发展。长余辉纳米材料是一种在激发光下储存能量，移除激发光后能以光的形式缓慢释放能量的光致发光纳米材料。由于不涉及原位激发，长余辉材料可以有效地消除检测环境中的自体荧光背景和光散射干扰。等离子金属纳米材料如金、银纳米材料，由于局域表面等离子体共振（LSPR）效应在可见光区域表现出强烈的表面增强拉曼信号。与单一组分的纳米材料相比，由多组分材料自组装而得的纳米复合材料表现出多种光学信号，提高检测灵敏度。此外，由于良好的生物相容性和低细胞毒性，以此类纳米材料构建的生物传感器反应灵敏、选择性好、检测限低。

江南大学赵媛博士（点击查看介绍）研究团队报道了一种基于长余辉纳米粒子和等离子金锥纳米粒子复合材料的荧光和拉曼双信号的光学免疫传感器，实现SEC双信号准确检测。以SEC抗体/抗原为模板制备了长余辉和金锥纳米粒子复合材料，该复合材料表现出增强的荧光信号和表面增强拉曼信号。使用刚性结构的SEC抗原抗体作为连接臂，粒子间距离增大，长余辉纳米粒子在激发光下发射的光子作用在金锥表面，由于长余辉纳米粒子的发射峰与金锥的纵向等离子共振峰重叠，金锥吸收了光子以产生表面等离子共振，并且等离激元以散射的方式重新辐射转移的能量，提高激发效率并提高长余辉纳米粒子的辐射跃迁效率，从而实现荧光信号增强。与此同时，等离子纳米材料金锥具有表面增强拉曼性质，在拉曼光谱测量过程中由于使用金红外光，激发长余辉纳米材料产生上转换发射峰，发射的光子将作用在金锥表面，增强表面等离振子共振，导致高极化率和强的电磁场，纳米复合材料表现出较强的拉曼信号。随着SEC浓度的增加，纳米复合材料显示出正相关的荧光信号和拉曼信号，在10 pg/mL-100 ng/mL的线性范围内，建立了荧光强度和SEC浓度对数之间的标准曲线 (R² = 0.9932) 以及拉曼信号与SEC浓度对数之间的正相关线性关系 (R²= 0.9907)。经计算，荧光信号的最低检测限为7.5 pg/mL，拉曼信号为8.9 pg/mL。双模光信号与目标浓度明显呈正相关，可实现准确且抗干扰的SEC检测，具有较好的重现性和稳定性。

图1. 基于长余辉纳米粒子和等离子金锥纳米粒子复合材料的荧光和拉曼双光学信号的肠毒素检测免疫传感器

为了评估双信号免疫测定的稳定性和准确度，考虑了阴性牛奶中加标的SEC样品的分析。在254 nm紫外线下，牛奶基质在400-550 nm处显示荧光峰。由于具有持续发光性能的长余辉纳米粒子具有避免背景干扰的能力，在牛奶基质中仍显示696 nm处荧光信号，以用于检测应用。但是，其他荧光材料（例如CdTe QDs）在600 nm处显示出被牛奶基质显著淬灭的荧光信号。基于长余辉-金锥纳米复合材料具有抗干扰荧光信号和稳定拉曼强度可用于牛奶基质中的SEC检测。因此，开发基于长余辉和等离子金属材料纳米复合材料双模式光学免疫测定法具有良好准确性，在实际样品检测中显示出重要的潜在应用。

图2. 荧光纳米材料基质干扰实验

这一成果近期发表在Analytical Chemistry 上，文章的通讯作者是江南大学赵媛副教授。

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“Add on” Dual-Modal Optical Immunoassay by Plasmonic Metal NP-Semiconductor Composites

Yuan Zhao*, Lixia Shi, Hongyan Miao, Xiaohui Jing

Anal. Chem., 2021, 93, 3250–3257, DOI: 10.1021/acs.analchem.0c04856

导师介绍

赵媛

https://www.x-mol.com/university/faculty/38140