表面等离子体共振成像在药敏分析和抗生素检测中的应用

摘要

在治疗感染性疾病中，抗生素的合理使用十分重要。通常在感染性疾病临床治疗前，需经过抗生素敏感试验，否则就会导致抗生素的滥用以及细菌耐药性的增强。然而目前常规的药敏试验方法程序繁琐，耗时长。因此，在治疗前快速地获得药敏试验结果显得十分重要。此外，抗生素滥用所造成的环境污染问题也日益受到人们的重视。环境中残留的抗生素对人体健康和生态环境会造成严重的负面影响，因而建立环境中痕量抗生素快速实时监测技术也十分关键。表面等离子体共振（Surface Plasmon Resonance，简称SPR）技术能实时监测生物分子间相互作用，对芯片表面的折光指数变化产生敏感响应，该技术具有非标记、灵敏度高等优点而被广泛应用。表面等离子体共振成像（Surface PlasmonResonance Imaging，简称SPRi）技术作为SPR的延伸可实现高通量分析，在药敏试验和抗生素检测识别等领域有较大的应用前景。本论文试图在SPRi平台上同时建立抗生素药敏试验及抗生素检测方法。主要包括以下两部分研究内容:
　　(1)在SPRi传感金膜表面构建了具有微腔结构的聚二甲基硅氧烷(PDMS)阵列芯片，用于原位监测微生物生长曲线。发现通过SPRi信号变化可以实时观察到微腔中微生物的生长情况，进行了不同初始浓度大肠杆菌(E.coli)悬浮液生长曲线的测试，并进一步比较了不同种类抗生素对E.coli的敏感性，测定了土霉素的最小抑菌浓度(MIC)。该药敏试验技术在PDMS微腔中进行微生物的培养，加速了微生物与培养液之间的物质交换，不仅减少了试剂的消耗量，又加快了微生物的生长速度;其次，SPRi传感器对芯片表面的折光指数变化十分敏感，大肠杆菌在繁殖过程中吸附沉积于金膜表面后能产生显著的SPR信号，在5-6h内就能够得到药敏试验的结果;通过SPRi监测方法得到的土霉素MIC值与比浊法测试结果相符，具有较高的准确性。该技术集培养、检测于一体，可实现自动化监测，同时该非标记光学检测方法还可避免样品本身颜色或浑浊带来的干扰，因而在实际药敏试验中具有较好的应用前景。
　　(2)发展了一种在SPR传感芯片表面形成分子印迹聚合物(Molecularly ImprintedPolymer，简称MIP)薄膜的原位光聚合方法，该方法具有时间短、均匀性好、在纳米尺度内厚度可控等优点。以抗生素环丙沙星(CIP)作为小分子模型，研究了CIP分子印迹SPR传感芯片对目标分子的灵敏度和选择性等性能。CIP分子印迹膜对CIP以及结构类似的化合物有较好的选择性，对环丙沙星和氧氟沙星的印迹因子分别为2.63和3.80，远远高于对阿奇霉素，多巴胺和青霉素的印迹因子;在低浓度10-11mol/L-10-7mol/L范围内，响应值与CIP浓度呈现较好的线性关系;从重复性实验结果来看，分子印迹膜的重复性和稳定性较好。采用上述快速简便的光聚合方法我们在SPRi传感芯片表面制备了三种不同的分子印迹膜阵列位点，利用该MIPs-SPRi芯片进行了不同抗生素的测试实验，该芯片对环丙沙星和阿奇霉素两种抗生素具有不同的响应模式。MIPs-SPRi传感技术展现了区分多种不同抗生素的能力，可实现多种抗生素的同时定性及定量分析。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 综述

1．1 表面等离子体共振成像(SPRi)传感技术

1．1．1 表面等离子体共振(SPR)传感技术的原理

1．1．2 SPRi传感技术及其优势

1．2 SPRi传感技术的应用

1．2．1 SPRi传感技术的应用方向

1．2．2 SPRi传感技术应用中提高灵敏度的方法

1．3 课题研究主要内容

第二章 基于SPRi的微生物实时生长监测和药敏试验研究

2．1 引言

2．1．1 药敏试验及传统研究方法

2．1．2 药敏试验的生物传感器

2．1．3 本章研究内容

2．2 实验部分

2．2．1 仪器和试剂

2．2．2 基于偏振对比度方法的SPRi传感系统的构建

2．2．3 PDMS微腔阵列芯片准备

2．2．4 微生物培养和悬浮液准备

2．2．5 微生物生长曲线SPRi监测

2．2．6 药敏试验

2．2．7 微量肉汤稀释法

2．2．8 金相显微镜表征

2．3 结果和讨论

2．3．1 PDMS微腔中E．coli原位培养和SPRi监测

2．3．2 不同初始浓度E．cilo生长曲线的实时监控与SPRi成像

2．3．3 药敏试验

2．3．4 E．coli在不同种类培养液中生长曲线的测试

2．4 本章小结

第三章 抗生素表面分子印迹膜的制备及其在SPR中应用

3．1 引言

3．1．1 抗生素污染现状

3．1．2 抗生素检测方法研究

3．1．3 本章研究内容

3．2 实验部分

3．2．1 仪器和试剂

3．2．2 SPR多通道传感仪及PDMS流通池准备

3．2．3 原位制备环丙沙星分子印迹膜(MIP)和非分子印迹膜(NP)

3．2．4 分子印迹阵列位点(MIPs)的制备

3．2．5 接触角和膜厚测试

3．2．6 SPR和SPRi传感仪中的抗生素检测

3．3 结果和讨论

3．3．1 金膜表面接触角的变化

3．3．2 分子印迹膜厚度的控制

3．3．3 分子印迹SPR传感芯片的性能

3．3．4 分子印迹阵列SPRi传感芯片的抗生素测试

3．4 本章小结

第四章 总结与展望

4．1 总结

4．2 展望

参考文献

作者攻读硕士期间主要成果