RLNT 在纳米技术方面的研究快报 1687 - 6857 1687 - 6849 Hindawi出版公司 156358年 10.1155 / 2008/156358 156358年 研究信 单壁碳纳米管作为荧光生物传感器在水中的病原体识别系统 Upadhyayula Venkata K·K。 1、2 Ghoshroy Soumitra 3 奈尔 维诺德。 4 史密斯 杰弗里·B。 5 米切尔 玛莎C。 1 邓 曙光 1 古普塔 Ram B。 1 化学工程学系 新墨西哥州立大学 邮政信箱30001,MSC 3805 拉斯克鲁塞斯,88003 NM 美国 nmsu.edu 2 微生物学与应用生物化学 空军基地AFRL / RXQL科学分支 139巴恩斯驱动器,套件2 廷德尔空军基地,高度层32403 美国 3 生物学系 南卡罗来纳大学 哥伦比亚,SC 29208 美国 sc.edu 4 研究技术部分(RTB) 落基山实验室(NIAID NIH) 59840年汉密尔顿,太 美国 niaid.nih.gov 5 生物学系 新墨西哥州立大学 拉斯克鲁塞斯,88003 NM 美国 nmsu.edu 2008年 15 05年 2008年 2008年 06 03 2008年 25 04 2008年 2008年 版权©2008 这是一个开放的文章在知识共享归属许可下发布的,它允许无限制的使用,分布和繁殖在任何媒介,提供最初的工作是正确的引用。

利用单壁碳纳米管的可能性(SWCNTs)聚合物荧光传感器在饮用水处理的病原体识别应用研究。批量吸附研究进行吸附大量的浓度 金黄色葡萄球菌球菌SH 1000和 大肠杆菌pKV-11单壁碳纳米管。随后固定化细菌检测与荧光共焦显微镜在纳米管上释放抗体。弗伦德里希吸附平衡常数( k) S.aureus和 大肠杆菌决定从批量吸附研究中被发现 9 × 10 8 和 2 × 10 8 分别ml / g。细菌细胞吸附的可视化荧光修饰碳纳米管,也清楚地看到。结果表明,疏水单壁碳纳米管具有极好的细菌吸附容量和荧光检测能力。这是一个重要的进步在设计荧光生物传感器在水中的病原体识别系统。

 1。介绍

潜在威胁的污染饮用水源biothreat代理是近年来高层。仅在美国,2003年,超过100例的实际威胁,而中断情节发生在20事件涉及到的实际污染饮用水与biothreat代理( 1]。不幸的是,现有的治疗技术并不是用来治疗和检测biothreat污染物,因为大多数的这些biothreat代理是无色,无嗅,无味,典型的性能如耐氯和生物膜形成的趋势( 1- - - - - - 3]。这脆弱的情况引起了严重的安全问题在许多国家,需要立即注意。传感系统,可以同时从水系统集中和检测biothreat污染物以更快的速度和更大的准确性必须发展克服这种情况。

碳纳米管技术有可能使水安全的重要进展和保护从biothreat代理。碳纳米管具有较高的细菌吸附能力( 4, 5),能够集中不同类型的病原体( 4- - - - - - 6]。纳米管的异常高的吸附容量是由于其巨大的表面体积比和高纵横比,传授自然抗菌材料( 7, 8]。使用碳纳米管的另一个主要优势对于碳纳米管的水处理应用程序,如果功能化,有能力检测病原体。表面改性(有多种可能性 9- - - - - - 14的碳纳米管,但功能化抗体近年来取得了显著的重要性。抗体不仅提供所需的生物相容性( 11),但也改变碳纳米管的电子和光学性质,使其表面敏感环境( 11, 13, 14]。我们所知,两个研究小组检测病原体的抗原抗体的方法使用碳纳米管( 11, 12]。两组试图提高碳纳米管的亲水性,自亲水纳米管的细菌绑定能力高于疏水纳米管( 11, 12]。这是正确的但需要同时使用碳纳米管吸附媒体集中和检测病原体从流动流的水,是理想的疏水性纳米管从实用的角度来看。

目前的研究开始评估疏水碳纳米管将微生物的能力,随后检测时涂上荧光抗体。为本研究选择的微生物 S.aureus和大肠杆菌。在这个报告中,我们提出我们的批量吸附研究的结果和共焦显微镜分析 S.aureus和 大肠杆菌固定在单壁碳纳米管聚合物。

 2。材料和方法

单壁碳纳米管样品(SWCNTs) (AP-Grade)从Carbolex购买,Inc .(美国肯塔基州列克星敦)被用于这项研究。这些纯碳纳米管是80%,平均直径为1.4纳米,长度2 - 5 μ m。细菌培养 大肠杆菌pKV-11和 S.aureusSH1000得到从Nishiguchi教授和Gustafson NMSU生物系教授。 大肠杆菌pKV-11具有内在绿色荧光蛋白(GFP)和展品荧光共焦显微镜下。 S.aureus应变是一种投机取巧的人类病原体在处理和护理。

2.1。批量吸附研究

瓶实验执行确定的吸附平衡浓度 大肠杆菌和 S.aureus细菌在单壁碳纳米管。对于这个实验,新鲜文化的细菌的解决方案 大肠杆菌和 S.aureus准备从各自的股票文化。一夜之间,文化被种植在大豆胰蛋白酶的肉汤37°C孵化器。1毫升整除的解决方案是在1.5毫升埃普多夫管和离心2分钟。上层清液肉汤的解决方案是,管子的底部的细菌颗粒悬浮在0.85%生理盐水和漩涡获得均匀悬浮的解决方案。解决方案是离心机和resuspended蒸馏水。细菌的解决方案现在准备瓶实验。

100毫升的蒸馏和热压处理过的水每四个锥形烧瓶(复制)和0.1克的单壁碳纳米管添加到每个瓶。这种混合物,细菌的解决方案 S.aureus被添加到两个烧瓶, 大肠杆菌添加到另一个两个烧瓶。初始浓度(C0) S.aureus是 2。8 × 10 8 和 2。7 × 10 8 CFU /毫升, 大肠杆菌pKV-11悬挂被发现 1.62 × 10 8 和 1.7 × 10 8 分别CFU /毫升。然后烧瓶放在机械瓶,受到震动在室温下6000 rpm。瓶的内容是动摇了60分钟,1毫升的上层清液的解决方案是来自每个瓶和埃普多夫管收集。

通过3上层清液的解决方案被过滤 μ 美国质量m聚碳酸酯滤纸(微孔)。One hundred. μ L的滤液被用来准备稀释10不等−1到10−5。然后20 μ L的样本体积从每个稀释和接种在琼脂板上。McKonkey琼脂板的使用 大肠杆菌pKV-11细胞和甘露醇盐琼脂 S.aureus细胞,分别。这两个琼脂媒体选择相应的细菌菌落生长和抑制其它细菌的生长。殖民地枚举被数的计算根据以下方程: n u 米 b e r o f c o l o n 我 e 年代 ( C F U 米 l ] = n u 米 b e r o f c o l o n 我 e 年代 f o r e 一个 c h d 我 l u t 我 o n ( d 我 l u t 我 o n f 一个 c t o r ) / ( 年代 一个 米 p l e v o l u 米 e ) 。

的值在每个不同的稀释是两个样品的平均得到最终的浓度。实验重复四次与四个不同的初始浓度。用于初始浓度 大肠杆菌是 2。0 × 10 7 , 6.66 × 10 7 , 3.33 × 10 8 , 4.44 × 10 8 CFU /毫升。使用的初始浓度。auerus是 6 × 10 7 , 1.44 × 10 8 , 4.4 × 10 8 和7.0∗108分别CFU /毫升。

 2.2。共焦显微镜分析 2.2.1。大肠杆菌pKV-11

首次运行振动试验后,一毫升的均匀悬浮溶液(不是浮在表面的)在1.5毫升埃普多夫浴缸,可以接受15分钟。15分钟后,上层清液管中慢慢删除使用玻璃吸管没有令人不安的底部的暂停。1毫升0.1添加磷酸盐缓冲剂和内容被旋转microfuge 30分钟。旋转的一步是成功通过洗五次0.1磷酸盐缓冲溶液。洗后,1 μ L Alexa的647(美国加州英杰公司)荧光染料溶液是在200年准备的 μ L 0.1磷酸盐缓冲溶液和添加到nanotube-bacteria混合物。内容是冷藏一小时和删除,再洗与磷酸盐缓冲以去除多余的荧光染料和共焦显微镜下进行分析。实际成像,小球resuspended缓冲区和10 μ L 25毫米的样品被载玻片和盖玻片(放置),成像在奥林巴斯Fluoview FV1000共焦显微镜(美国宾夕法尼亚州奥林巴斯美国公司)。Alexa染色会发出荧光碳纳米管,而 大肠杆菌pKV-11物种已经固有荧光蛋白质。

 2.2.2。S.aureus年代H-1000

类似上述的过程之后,固定的共焦显微研究 S.aureussh - 1000纳米管,但轻微的修改。埃普多夫的上层清液管移除使用玻璃吸管和细菌细胞固定在1%磷酸缓冲甲醛溶液,冷藏3小时,洗五次0.1磷酸盐缓冲剂。然后, S.aureus主要抗体在磷酸盐缓冲溶液(1 μ L: 100 μ L)添加到细胞,以共轭主抗体的 S.aureus细胞壁表面。示例是冷藏和初级抗体的细胞被保存在悬架方案大约16个小时。样品被除去,1 μ L FITC-Goat反兔子(杰克逊免疫研究实验室,Inc ., Pa,美国)荧光染料的解决方案是100年准备 μ L 0.1磷酸盐缓冲剂(1 μ L: 100 μ L)和添加到细胞。样品再次冷藏允许二级染料溶液的共轭主相关抗体 S.aureus细胞。最后这个混合物,Cy-5二级抗体溶液(美国加州英杰公司)准备在磷酸缓冲(1 μ L: 100 μ L)补充道。Cy-5会发出荧光单壁碳纳米管在不同的波长区域以外 S.aureus细胞。成像,10 μ L的蔡司LSM510META显微镜下样本用于成像(美国纽约卡尔蔡司微成像Inc .)。

纯单壁碳纳米管的控制样品贴上Alexa 647染料也准备和成像在奥林巴斯Fluoview FV1000共焦显微镜。

 3所示。结果与讨论

最后细菌浓度的解决方案( Ce )测量了60分钟后被视为的吸附平衡浓度最大吸附量可以按照下列公式计算。平衡点是由吸附动力学数据报道其他地方( 4]: 问 马克斯 = ( C 0 V F − C e V 年代 ] 米 , 在哪里 问马克斯 最大数量的细菌吸附在给定吸附剂在哪里 Ce (CFU / g), C0 初始浓度的细菌在饲料的解决方案(CFU /毫升), Ce 是在溶液中吸附平衡浓度的细菌(CFU /毫升), VF 是体积饲料的解决方案(毫升), V年代 是体积的上层清液的解决方案(mL), 米吸附剂的质量(g)。

从获得的最大吸附量( 问马克斯 )和吸附平衡浓度( Ce ),弗伦德里希吸附模型( 3)是用于关联的吸附平衡数据: 问 马克斯 = k C e 1 / n , 在哪里 k(mL / g)的弗伦德里希吸附平衡常数取决于给水的温度和pH值 n是一个常数占势能吸附剂表面的均匀性。通常情况下,“ k“价值与吸附亲和吸附剂的吸附物。一个大的 k值表明更高的吸附亲和力的吸附剂吸附物。的吸附等温线 S.aureusSH1000和 大肠杆菌pKV-11单壁碳纳米管是绘制在图 1。弗伦德里希方程常数 k = 9 × 10 8 , n = 1.85 为 S.aureusSH1000和 k = 2 × 10 8 , n = 2.39 大肠杆菌pKV-11。越高 k值 S.aureusSH1000比 大肠杆菌pKV-11表明更高的亲和力 S.aureus。高弗伦德里希吸附平衡常数的这些细菌在单壁碳纳米管可能是由于其纤维状介孔结构,它提供了访问外部表面的吸附。此外,高抗菌纳米管的性质也朝着高吸附容量。的比例 k值可以用来计算吸附选择性。之间的高选择性 S.aureus和 大肠杆菌获得了单壁碳纳米管。

吸附等温线的 S.aureus和 大肠杆菌碳纳米管。

S.aureus是cocci-shaped细菌平均细胞直径小于或等于单壁碳纳米管的中孔 4]。由于这个原因,吸附亲和力的 S.aureus明显高于 大肠杆菌。吸附动力学和平衡的 S.aureus和 大肠杆菌在SWCNTs太多的细节报告在我们之前的研究 4在它清楚地观察到 S.aureus不仅具有较高的吸附亲和力在广泛的初始浓度。的吸附动力学 大肠杆菌但动力学是快 S.aureus快即使在高浓度( 4]。这是好的从生物传感器的角度来看,因为浓度的有效生物传感器的设计取决于速度biothreat代理和他们的选择性,当多个物种。共焦图像证实上述吸附亲和力数据。

描述了数据 2, 3, 4在这一段。虽然出现一些自由细胞,细菌与SWCNTs协会是可见的。没有官能团提高碳纳米管的hydrophilicty相连。少量的荧光抗体是由固定在碳纳米管是非。然而,共焦显微镜下检测是清晰可见。

共焦显微镜图像纯单壁碳纳米管的聚集。

共焦图像的 大肠杆菌pKV-11(紫杆状的)细胞固定化的单壁碳纳米管聚合物(蓝色)。

共焦图像的 S.aureus(绿点在图像)细胞固定化的单壁碳纳米管聚合物(橙色的图片)。

 4所示。结论

证明了修改的,疏水单壁碳纳米管对都有非常高的吸附亲和力 大肠杆菌和 S.aureus细菌细胞。的吸附能力 S.aureus明显高于 大肠杆菌单壁碳纳米管。弗伦德里希吸附模型能很好地关联吸附等温线数据。细菌细胞的固定在单壁碳纳米管中清楚地看到共焦图像,获得证实了吸附平衡数据的批处理实验。高吸附容量和高选择性的单壁碳纳米管 S.aureus表明,碳纳米管是有前途的传感材料。

 承认

这项研究部分由洛斯阿拉莫斯国家实验室(LANL),加州大学研究,并通过LANL-NMSU谅解备忘录发展基金资助。

 Nuzzo j·B。 jnuzzo@upmc-biosecurity.org 美国生物威胁供水:国家水安全政策 生物安全与生物恐怖主义 2006年 4 2 147年 159年 10.1089 / bsp.2006.4.147 霍曼 一个。 评估生产的微生物安全的饮用水在现场条件下从地表水,博士学位论文 2005年 芬兰赫尔辛基 赫尔辛基大学 Momba m . n . B。 fraser@uth.ac.za 幼狮 R。 文特尔 s . N。 Cloete t E。 概述分布系统中生物膜的形成及其对水质的恶化的影响 水山 2000年 26 1 59 66年 邓 年代。 Upadhyayula v . K . K。 史密斯 g . B。 米切尔 m . C。 吸附平衡和动力学的细菌对着单壁球长大的碳纳米管 出现在 IEEE传感器杂志 Upadhyayula v . K . K。 邓 年代。 史密斯 g . B。 米切尔 m . C。 吸附的 枯草芽孢杆菌在单壁碳纳米管聚合物、活性炭和 nanoceram TM 提交给 水的研究 斯利瓦斯塔瓦 一个。 斯利瓦斯塔瓦 o . N。 hepons@yahoo.com Talapatra 年代。 Vajtai R。 阿加延 p . M。 ajayan@rpi.edu 碳纳米管过滤器 自然材料 2004年 3 9 610年 614年 10.1038 / nmat1192 康 年代。 皮诺 M。 Pfefferle l D。 以利米勒 M。 menachem.elimelech@yale.edu 单壁碳纳米管具有很强的抗菌活性 朗缪尔 2007年 23 17 8670年 8673年 10.1021 / la701067r 李 美国B。 Koepsel R。 Stolz d·B。 Warriner h·E。 罗素 a·J。 russellaj@upmc.edu 自组装的杀生的纳米管单链丁二炔胺盐 美国化学学会杂志》上 2004年 126年 41 13400年 13405年 10.1021 / ja048463i 拉马纳坦 K。 苹婆 m·A。 云 M。 陈 W。 文 n V。 myung@engr.ucr.edu Mulchandani 一个。 adani@engr.ucr.edu 使用生物功能化导电聚合物纳米线Bioaffinity传感 美国化学学会杂志》上 2005年 127年 2 496年 497年 10.1021 / ja044486l 顾 l 艾尔金 T。 江 X。 单壁碳纳米管显示多价配体捕捉病原体 化学通讯 2005年 7 874年 876年 10.1039 / b415015e 艾尔金 T。 江 X。 泰勒 年代。 Immuno-carbon纳米管和病原体的识别 ChemBioChem 2005年 6 4 640年 643年 10.1002 / cbic.200400337 黄 t·S。 Tzeng Y。 tzengy@eng.auburn.edu 刘 y K。 固定的抗体和细菌绑定在金刚石和碳纳米管在生物传感器的应用 钻石和相关材料 2004年 13 4 - 8 1098年 1102年 10.1016 / j.diamond.2003.11.047 徐 Z。 胡 P。 ph331@cam.ac.uk 王 年代。 王 X。 生物碳纳米管的功能化和荧光成像 应用表面科学 2008年 254年 7 1915年 1918年 10.1016 / j.apsusc.2007.07.189 Sirdeshmukh R。 泰克 K。 Panchapakesan B。 生物功能化的碳纳米管 823年 材料研究协会研讨会论文集 2004年11 - 12月刊 波士顿,美国质量