磁性纳米粒子富集联合ATP荧光反应检测生物气溶胶研究

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生物气溶胶是空气动力学直径小于100微米的微生物或生物物质衍生物的气溶胶。生物气溶胶在环境、卫生、气候变化、粮食安全和生物恐怖主义等领域具有重要影响。气溶胶也是散布和传播生物战剂的最佳手段,不负责任的恐怖分子、个人、团体或国家可以使用生物气溶胶作为大规模毁灭性武器。ATP生物荧光检测法因具有响应快速、灵敏度高的优势而被逐渐应用于生物气溶胶的检测研究中。磁分离富集技术也具有节省时间、反应温和、操作简便等显著特色。本研究旨在将磁性粒子的高效分离富集效果和ATP生物荧光检测响应快速、灵敏的优势相结合,建立一种快捷高效、抗干扰能力强的生物气溶胶检测新方法。研究以Fe3O4纳米粒子为基础,在其表面依次包覆聚多巴胺(PDA)和聚乙烯亚胺(PEI)。即先通过自聚合将多巴胺(DA)包覆在纳米Fe3O4粒子上,再用与PDA交联的方式将PEI包覆在最外层的壳层上,合成了表面携带高密度正电荷的Fe3O4@PDA@PEI磁性粒子,并用透射电镜(TEM)、Zeta电势仪、傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR)和振动样品磁强计(VSM)等仪器对产物的形貌、粒径、电位、结构和磁强等性能进行了表征。结果表明,制备的Fe3O4@PDA@PEI磁性粒子呈球形或类球形,粒径约为150 nm,纳米粒度分析仪测定Zeta电位为+39.5±0.75m V,分散性良好,等电点在11.4左右,在2-11的广泛p H范围内其表面均带正电荷。基于表面改性磁性粒子Fe3O4@PDA@PEI表面的高密度正电荷与近中性环境下绝大多数细菌表面带负电的基本特性,本研究选取Bacillus subtilis和E.coli分别为革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌的代表,研究了磁性粒子与细菌相互作用的影响因素,包括Fe3O4@PDA@PEI表面改性磁性粒子的用量及作用时间、细菌的活性状态和浓度以及缓冲体系的影响等,并用扫描电镜(SEM)表征了相互作用情况。结果表明,用0.5mg Fe3O4@PDA@PEI与0.5ml浓度为10~8 CFU/m L的细菌在0.01mol/L、p H 7.4的PBS缓冲液中孵育,捕获时间短至5 min时就分别能够达到94.37%±0.78%和99.54%±0.33%的捕获率,随着捕获时间的增加,捕获率变化不大,基本保持稳定;该磁性粒子对E.coli捕获效率较好,其磁捕获效率接近100%,即该Fe3O4@PDA@PEI磁性粒子能将PBS体系中几乎所有Bacillus subtilis和E.coli吸附捕获,并对E.coli有着更高的吸附率。本研究充分利用Fe3O4@PDA@PEI磁性粒子对细菌的广谱高效富集效果和ATP荧光检测相对快速灵敏的优势,结合生物气溶胶液体冲击采样方式,初步建立了基于Fe3O4@PDA@PEI磁性粒子富集联合ATP生物荧光检测生物气溶胶的新方法。并在优化的条件下,利用该方法实现了对大肠杆菌人工生物气溶胶的采样与富集检测,并验证了在烟气等干扰条件下该方法仍然可以实现细菌气溶胶的有效检测与分辨。
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