SERS技术在抗生素快速检测中的应用

前言

抗生素对几种革兰氏阴性和阳性细菌具有广泛的活性。它们被广泛用于治疗细菌感染，并可用于口服。然而，抗生素在人体组织中新陈代谢后，主要以母体化合物的形式在尿中排泄。它们的过度使用和滥用可能与对人类的多种健康危害有关，如骨髓抑制、肝毒性、致癌和遗传毒性等。通常来说，几种抗生素同时服用以获得较强的治疗活性，如阿莫西林(AMO)、环丙沙星(CIP)和四环素(TTC)。因此快速、高效、同时监测尿液中的多种抗生素对于正确指导抗生素的使用至关重要，并成为一个主要的症结。

兰州大学的研究人员制备了表面增强拉曼散射（SERS）纸芯片，使用如海拉曼设备实现了快速富集和超灵敏抗生素检测的双重功能。

一、实验方法

通过原位生成方法，使用纤维素滤纸（CFP）制备了涂有三层等离子体金属（Ag@Au@Ag）的三维ZnO纳米花。该基质被创建为表面增强拉曼散射（SERS）纸芯片，使用纸芯片和手机-拉曼光谱仪集成系统，也可以高精度地识别ppb水平的人体尿液抗生素。

图2.实验流程图

二、实验结果

在该研究中，便携式拉曼光谱仪（激光波长为785 nm）与普通手机连接以进行便携式检测（图4A）。使用设备探针上的 3D 打印支架将纸芯片固定，以找到聚焦位置并固定（图 4A 的插图）。固定位置后，操作人员只需将新的纸片插入支架中即可进行下一次测量。

图3显示了从10ppm-10ppb浓度的抗生素（AMO、CIP和 TTC）SERS光谱。

图3.抗生素（AMO、CIP和 TTC）SERS光谱

如图4B所示，AMO、CIP和TTC的可检测浓度分别为0.01、0.1和0.1ppm。检测能力可满足欧盟等国家食品药品监督管理局（FDA）对食品中抗生素最大残留限量（MRL，100 ppb）的需求。预计用3D ZnO NF和三层等离子体纳米结构装饰的纸芯片在不久的将来在各种有害物质的现场分析中具有用于即时 (POC)检测的巨大潜力。

在此，将三种抗生素（AMO、CIP和TTC）混合在溶液中。集成的SERS光谱如图4C所示。AMO（1353 cm−1）、CIP（748、789−1和1391 cm−1）和TTC（460−1和1282 cm−1）的特征带可以明显区分。然而，从SERS光谱中人工识别这三种抗生素是很困难的。将其与PCA-LDA分析相结合，可帮助快速鉴定三种抗生素。PCA 是降低相关多元数据维度时最广泛使用的多元统计技术之一。对SERS光谱（初始维度= 1625）进行PCA分析以降低维度。前29个主成分作为LDA的输入进行分类，结果如图4D所示。AMO、CIP和TTC的SERS光谱可分为三个独立且无干扰的簇。判别准确率接近100%。显然，借助 PCA-LDA 分析，可以从SERS光谱中快速有效地识别出三种抗生素的成分。

图4.便携式拉曼分光光度计-手机一体化系统测试结果

三、总结

开发了 SERS 纸芯片利用便携式拉曼分光光度计-手机一体化系统，无需任何预处理，即可成功检测出ppb级抗生素。通过PCA-LDA分析可以有效地识别具有相似SERS信号的三种抗生素。

四、文献来源