基于高催化活性Cu-ZrMOF和高导电性Super P构建新型电化学传感器快速检测铜绿假单胞菌

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目的:铜绿假单胞菌是造成院内感染最难治的多重耐药菌之一。传统的铜绿假单胞菌检测方法面临耗时长、灵敏度较低的问题,无法满足临床需求。因此亟需发展一种更加快速、灵敏的细菌检测方法。本文拟通过整合高催化活性Cu-ZrMOF和高导电性Super P,构建一种新型电化学传感器,实现快速检测临床尿液/血清样本中的铜绿假单胞菌,期为及时诊断铜绿假单胞菌感染提供了快速有力的实验室支持。方法:1.制备Super P和金纳米颗粒(AuNPs):将Super P均匀分散至壳聚糖溶液中得到Super P分散液,通过场发射扫描电子显微镜(FESEM)对Super P的晶体形态进行表征;以氯金酸、柠檬酸三钠为为原料合成AuNPs,通过透射电子显微镜(TEM)对AuNPs的外貌结构进行表征。2.合成ZrMOF、Cu-ZrMOF和Cu-ZrMOF@Aptamer@DNA:首先,在N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中加入四氯化锆、2,2’-联吡啶-5,5’-二羧酸和乙酸,120°C搅拌16 h合成ZrMOF;然后将二水合氯化铜与ZrMOF均匀分散在四氢呋喃(THF)中,室温搅拌2 h得到Cu-ZrMOF;再在DMF中加入Cu-ZrMOF、特异识别铜绿假单胞菌的适配体(Aptamer)和短链DNA,37°C搅拌12 h合成Cu-ZrMOF@Aptamer@DNA信号探针。通过高分辨扫描电子显微镜(HRSEM)和高分辨透射电子显微镜(HRTEM)对ZrMOF的晶体形态进行表征;通过能谱仪(EDS)对Cu-ZrMOF的元素组成进行表征;通过Zeta电位对Aptamer和DNA的连接情况进行表征。3.电化学传感器的构建:在电极表面逐步修饰Super P、AuNPs、铜绿假单胞菌抗体、牛血清白蛋白(BSA)。当铜绿假单胞菌存在时,可被铜绿假单胞菌抗体特异识别从而连接到金电极表面。通过循环伏安法(CV)表征传感器构建过程的电流变化;通过电化学阻抗谱法(EIS)表征传感器构建过程的电阻变化。4.关键参数的优化:对工作液的种类、工作液pH值、铜绿假单胞菌抗体浓度、Cu-ZrMOF与Aptamer体积比、Aptamer与DNA浓度比以及CuZrMOF@Aptamer@DNA信号探针孵育时间进行优化。5.评价电化学传感器的分析性能:通过测定不同浓度的铜绿假单胞菌液,评价新建电化学传感器的分析性能,包括重复性、特异性、线性范围、检出限(LOD)和储存稳定性。6.回收实验:分别用健康人尿液和血清样本做基质,配制不同浓度的铜绿假单胞菌液,通过回收实验评价新建电化学传感器检测的准确性。结果:1.Super P和AuNPs的表征结果:FESEM显示Super P呈球形,微粒均匀分布,大小约70 nm;TEM显示合成的AuNPs分散均匀,平均直径约为15 nm。2.ZrMOF、Cu-ZrMOF、Cu-ZrMOF@Aptamer@DNA的表征结果:HRSEM和HRTEM显示ZrMOF呈典型的八面体结构,平均粒径为120nm;EDS分析确认Cu-ZrMOF的主要元素为Cu、Zr、Cl、C、O;Zeta电位结果表明Aptamer与DNA成功连接在Cu-ZrMOF表面。3.电化学传感器的构建结果:CV结果表明随着高导电性Super P和AuNPs的逐步修饰,电流逐渐增加,随着不导电物质(铜绿假单胞菌抗体、BSA)被修饰到金电极表面,电流逐渐降低。当铜绿假单胞菌存在时,电流进一步降低。EIS分析得到与CV相符合的结果。这些结果表明电化学传感器的构建成功。4.关键参数的优化结果:筛选得到最合适的工作液是PBS;PBS的最佳pH=5.0;铜绿假单胞菌抗体的最适浓度为50μg·mL-1;Cu-ZrMOF与Aptamer的最佳体积比为5:1;Aptamer与DNA的最佳浓度比为1:1;Cu-ZrMOF@Aptamer@DNA信号探针的最佳孵育时间为50 min。5.评价电化学传感器的分析性能结果:重复测量不同浓度的铜绿假单胞菌液(102、104、106 CFU·mL-1),相对标准偏差(RSD)分别为4.0%、3.8%和3.7%(n=10);多种干扰细菌的特异性实验表明,该方法仅对铜绿假单胞菌产生明显电流响应;线性范围为10-106CFU·mL-1;LOD为2 CFU·mL-1;电化学传感器在4℃放置7天和14天后,测得的电流信号分别是初始电流信号的98.1%和83.9%。6.回收实验结果:通过测定尿液和血清中不同浓度的铜绿假单胞菌液(10、103、105 FU·mL-1),计算得到其回收率,在尿液样本中分别为96.9%、102.3%和98.8%,在血清样本中分别为106.4%、103.7%和97.5%。结论:本研究在合成高催化活性Cu-ZrMOF的基础上,结合高导电性Super P构建新型电化学传感器。该传感器具有灵敏度高、特异性好的优点,线性范围为10-106 CFU·mL-1,LOD为2 CFU·mL-1。与传统方法相比,该方法耗时短,120 min内即可准确检测临床尿液/血清样本中的铜绿假单胞菌。
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