CN101821379A - 微生物浓集方法和试剂 - Google Patents

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Abstract

本发明描述了一种用于捕集或浓集微生物以便检测或测定的方法,所述方法包括:(a)提供浓集剂,所述浓集剂包含在其表面的至少一部分上带有表面处理的硅藻土,所述表面处理包括表面修饰剂,所述表面修饰剂包括二氧化钛、微细纳米级金或铂,或它们的组合;(b)提供包含至少一种微生物菌株的样品;以及(c)使所述浓集剂与所述样品接触,使得至少一部分所述至少一种微生物菌株被所述浓集剂结合或捕集。

Description

微生物浓集方法和试剂
优先权声明
本申请要求2007年10月3日提交的美国临时申请号60/977,200的优先权,藉此将该申请的内容以引用方式并入申请。
技术领域
本发明涉及用于捕集或浓集微生物使得它们保持活力以便检测或测定的方法。在其他方面,本发明还涉及用于实施所述浓集方法的浓集剂(及其制备方法)和诊断试剂盒。
发明背景
由微生物污染导致的食源性疾病和医院内获得性感染为世界各地关注的问题。因此,测定各种诊断样品、食品样品、环境样品或其他样品中细菌或其他微生物的存在以确定所存在的微生物的身份和/或量常常是合乎需要的或是必要的。
例如,可测定细菌DNA或细菌RNA,以甚至在存在其他细菌种类的情况下评估特定细菌种类的存在与否。然而,检测特定细菌的存在的能力至少部分取决于被分析的样品中细菌的浓度。可对细菌样品进行铺板或培养,以增加样品中细菌的数量,来确保足够的检测水平,但培养步骤通常需要大量的时间且因此会明显耽搁评估结果。
使样品中的细菌浓集可缩短培养时间或甚至消除对于培养步骤的需要。因此,已经开发了通过使用特定细菌菌株的特异性抗体(例如,为抗体包被的磁性颗粒或非磁性颗粒的形式)来分离(并由此浓集)该菌株的方法。然而,这些方法往往昂贵,而且对于至少一些诊断应用来说速度仍比期望的稍慢。
也已经使用了非菌株特异性的浓集方法(例如是对样品中存在的微生物作较为一般性的评估)。在浓集了微生物混合群体之后,如果需要,可通过使用菌株特异性探针来测定特定菌株的存在。
已经通过基于碳水化合物和凝集素蛋白相互作用的方法实现了微生物的非特异性浓集或捕集。涂覆壳聚糖的支持物已经被用作非特异性捕集装置,并且用作微生物营养素的物质(例如,碳水化合物、维生素、铁螯合的化合物以及铁载体)也已经被描述为可用作配体以进行微生物的非特异性捕集。
多种无机材料(例如,羟基磷灰石和金属氢氧化物)已经用于非特异性结合和浓集细菌。物理浓集方法(例如,过滤、色谱、离心和重力沉降)也已经用于非特异性捕集,其使用和/或不使用无机结合剂。这些非特异性浓集方法在速度、成本(至少一些需要昂贵的设备、材料和/或受过训练的技术人员)、样品要求(例如,样品性质和/或体积限制)、空间要求、使用的方便性(至少一些需要复杂的多步骤方法)、现场使用的适合性和/或效果方面不同。
发明内容
因此,我们认为迫切需要用于快速检测病原微生物的方法。所述方法将优选不仅快速而且成本低、简单(不涉及复杂的设备或程序)和/或在多种条件下(例如,不同类型样品基质、不同细菌负荷以及不同样品体积)有效。
简而言之,在一个方面,本发明提供了一种用于非特异性浓集样品中存在的微生物菌株(例如,细菌、真菌、酵母菌、原生动物、病毒(包括无包膜病毒和有包膜病毒)和细菌内生孢子的菌株)使得微生物保留活力以便检测或测定一种或多种菌株的方法。所述方法包括:(a)提供浓集剂(优选粒状浓集剂),所述浓集剂包含在其表面的至少一部分上带有表面处理的硅藻土,所述表面处理包括表面修饰剂,所述表面修饰剂包括二氧化钛、微微细纳米级金或铂,或它们的组合;(b)提供包含至少一种微生物菌株的样品(优选流体形式);以及(c)使所述浓集剂与所述样品接触(优选通过混合接触),使得所述至少一种微生物菌株的至少一部分被所述浓集剂结合或捕集。优选地,所述方法还包括检测所述至少一种结合的微生物菌株的存在(例如,通过基于培养的检测方法、显微镜法/成像检测方法、基因检测方法、基于生物发光的检测方法或免疫检测方法)和/或离析(优选地,通过重力沉降)所得的结合微生物的浓集剂。所述方法还可任选包括将所得的离析的浓集剂与样品分离。
本发明的方法不靶向特定的微生物菌株。相反,已经发现,某些较便宜的无机材料可令人惊讶地有效捕集多种微生物。这类材料可以以非菌株特异性方式浓集存在于样品(例如,食品样品)中的微生物菌株,使得可较容易且快速地测定一种或多种微生物菌株(优选地,一种或多种细菌菌株)。
本发明的方法相对简单且成本低(不需要复杂的设备或昂贵的菌株特异性材料),并且相对快速(相对于对应的无浓集剂的对照样品,优选的实施例在少于约30分钟捕集存在于样品中的至少约70%(更优选地,至少约80%;最优选地,至少约90%)的微生物)。另外,所述方法可对于多种微生物(包括诸如革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌之类的病原体)和多种样品(不同的样品基质,并且与至少一些现有技术的方法不同的是,即使具有低微生物含量和/或大体积的样品)有效。因此,本发明的方法的至少一些实施例可满足上述对于在多种条件下快速检测病原微生物的低成本、简单方法的迫切需要。
在另一方面,本发明还提供了一种用于实施本发明方法的诊断试剂盒,所述试剂盒包括:(a)浓集剂(优选粒状浓集剂),所述浓集剂包含在其表面的至少一部分上带有表面处理的硅藻土,所述表面处理包括表面修饰剂,所述表面修饰剂包括二氧化钛、微微细纳米级金或铂,或它们的组合;和(b)用于实施本发明方法的检测容器(优选无菌检测容器)。优选地,所述诊断试剂盒还包括一种或多种选自以下的组分:微生物培养基、裂解试剂、缓冲剂、基因检测分析组分、生物发光检测分析组件、用于实施所述方法的说明书以及它们的组合。
在又一方面,本发明提供了一种浓集剂,所述浓集剂位于粒状载体上,所述浓集剂包括二氧化钛、微微细纳米级金或铂,或它们的组合,所述粒状载体选自硅藻土、金属氧化物修饰的硅藻土以及它们的组合。
在还一方面,本发明提供了一种用于制备浓集剂的方法,所述方法包括:(a)提供粒状载体,所述粒状载体选自硅藻土、金属氧化物修饰的硅藻土以及它们的组合;和(b)通过物理气相沉积将微细纳米级金或铂沉积于所述载体上。
在又一方面,本发明提供了一种用于制备浓集剂的方法,所述方法包括:(a)提供粒状载体,所述粒状载体选自硅藻土、金属氧化物修饰的硅藻土以及它们的组合;(b)提供可水解的二氧化钛前体化合物;(c)将所述载体和所述化合物组合;以及(d)水解所述化合物,使得将二氧化钛沉积于所述载体上。
附图说明
根据下文的具体实施方式、随附的权利要求以及附图,本发明的这些和其他特征、方面以及优点将更好理解,其中:
图1显示了一种装置的侧面剖面图,该装置用于制备用以实施本发明方法的实施例(下文实例部分中描述)的浓集剂。
图2显示了图1装置的透视图。
这些理想化的附图不是按比例来绘制的,并且旨在仅作为例示和非限制性的。
具体实施方式
定义
如本专利申请中所使用的:
“样品”是指所采集的(例如,待分析的)的物质或材料。
“样品基质”是指除了微生物以外的样品组分。
“检测”是指鉴定微生物的至少一种组分,由此测定该微生物的存在。
“基因检测”是指对衍生自靶微生物的遗传物质组分如DNA或RNA的鉴定。
“免疫检测”是指对衍生自靶微生物的抗原物质如蛋白质或蛋白多糖的鉴定。
“微生物”是指具有适于分析或检测的遗传物质的任何细胞,包括,例如细菌、酵母菌、病毒和细菌内生孢子。
“微生物菌株”是指可通过检测方法区分的特定类型的微生物,例如,不同属的微生物,属内不同种的微生物或种内不同分离菌株的微生物)。
“靶微生物”是指需要检测的任何微生物。
浓集剂
适用于实施本发明方法的浓集剂包括包含硅藻土的那些浓集剂,所述硅藻土在其表面的至少一部分带有表面处理,所述表面处理包括表面修饰剂,所述表面修饰剂包括二氧化钛、微细纳米级金或铂,或它们的组合。使用上述浓集剂进行的浓集或捕集通常对于任何特定菌株、种或类型的微生物来说是非特异性的,因此提供了对样品中微生物全体群落的浓集。然后,可使用任何已知的检测方法使用菌株特异性探针从捕集的微生物群落中检测特定的微生物菌株。因此,所述浓集剂可用于检测临床样品、食品样品、环境样品或其它样品中的微生物污染物或病原体(特别是食源性病原体,例如细菌)。
在实施本发明方法中,可以以适于样品接触和微生物捕集的任何形式(例如,以颗粒形式或施加到支持物,例如浸渍片、薄膜、过滤器、试管、微孔、培养板、珠、膜或微流体装置的通道等)使用所述浓集剂。优选地,以颗粒形式使用所述浓集剂。
无机材料当分散或悬浮于水系统中时,显示出表征该材料和水系统pH的表面电荷。该材料-水界面的电位称为“ζ电位”,这可从电泳迁移率(即,从该材料颗粒在置于水系统中的带电电极之间移动的速率)计算得到。至少一些用于实施本发明方法的浓集剂其ζ电位为比未处理的硅藻土的ζ电位至少稍大的正值,所述浓集剂可令人惊讶地比未处理的硅藻土显著更有效地浓集微生物如细菌,所述微生物表面通常倾向于带负电荷。优选地,所述浓集剂在约7的pH具有负ζ电位(更优选地,在约7的pH具有范围在约-5豪伏至约-20豪伏的ζ电位;甚至更优选地,在约7的pH具有范围在约-8豪伏至约-19豪伏的ζ电位;最优选地,在约7的pH具有范围在约-10豪伏至约-18豪伏的ζ电位)。
因此,已经发现包含某些种类的经表面处理或表面修饰的硅藻土(即,带有包括表面修饰剂的表面处理,所述表面修饰剂包括二氧化钛、微细纳米级金或铂或它们的组合)的浓集剂可令人惊讶地比未处理的硅藻土更有效地浓集微生物。所述表面处理优选还包括选自氧化铁、氧化锌、氧化铝等以及它们的组合(更优选氧化铁)的金属氧化物。尽管已知诸如金的贵金属表现有抗微生物的特性,但用于本发明方法的含金浓集剂令人惊讶地不仅可有效浓集微生物,还可有效保持它们具有活力以便检测或测定。
有用的表面修饰剂包括微细纳米级金、微细纳米级铂、微细纳米级金与至少一种金属氧化物(优选二氧化钛、氧化铁或它们的组合)组合、二氧化钛、二氧化钛与至少一种其它的金属氧化物(即,除了二氧化钛)组合等,以及它们的组合。优选的表面修饰剂包括微细纳米级金、微细纳米级铂、微细纳米级金与至少氧化铁或二氧化钛的组合、二氧化钛、二氧化钛与至少氧化铁的组合,以及它们的组合。
更优选的表面修饰剂包括微细纳米级金、微细纳米级铂、微细纳米级金与氧化铁或二氧化钛的组合、二氧化钛、二氧化钛与氧化铁的组合,以及它们的组合(甚至更优选微细纳米级金、微细纳米级金与氧化铁或二氧化钛的组合、二氧化钛与氧化铁的组合,以及它们的组合)。最优选的是微细纳米级金、微细纳米级金与氧化铁或二氧化钛的组合以及它们的组合。
金和/或铂
包含微细纳米级金或铂的浓集剂可通过物理气相沉积(任选地,通过在氧化气氛中的物理气相沉积)将金或铂沉积于硅藻土上而制备。
本文所使用的术语“微细纳米级金或铂”是指其所有维度尺寸小于或等于5纳米(nm)的金或铂团粒(例如,颗粒或原子簇)。优选地,至少一部分沉积的金或铂其所有维度(例如,粒径或原子簇直径)平均尺寸在最高达(小于或等于)约10nm的范围(更优选最高达约5nm,甚至更优选最高达约3nm)。
在最优选的实施例中,至少一部分金是超纳米级(即,其至少两个维度尺寸小于0.5nm且所有维度尺寸小于1.5nm。单个金或铂纳米颗粒的尺寸可通过透射电子显微术(TEM)分析来测定,这是本领域熟知的。
在硅藻土上提供的金或铂的量可在很大范围变动。因为金和铂昂贵,理想的是所用的金和铂量不多于为达到所需程度的浓集活性而合理需要的量。另外,因为当使用PVD进行沉积时纳米级金或铂可具有高度移动性,如果使用太多金或铂则由于至少一些金或铂聚结成大的团粒可能损失活性。
出于这些原因,基于硅藻土和金或铂的总重量,硅藻土上金或铂的载重优选为约0.005(更优选0.05)至约10重量百分数的范围,更优选约0.005(甚至更优选0.05)至约5重量百分数,甚至更优选约0.005(最优选0.05)至约2.5重量百分数。
可通过PVD技术(例如通过溅射)沉积金和铂来在载体表面上形成具有浓集活性的细纳米级颗粒或原子簇。据信金属主要以元素形式沉积,尽管还可存在其它氧化态。
除了金和/或铂,还可在相同的硅藻土载体上和/或在其它与含金和/或铂的载体相互混合的其它载体上提供一种或多种其它金属。这样的其它金属的例子包括银、钯、铑、钌、锇、铜、铱等,以及它们的组合。如果使用的话,这些其它金属可从与所使用的金或铂源靶相同或不同的靶源共沉积到载体上。或者,这些金属可在金和/或铂沉积之前或之后提供在载体上。需要热处理来进行活化的金属可有利地在沉积金和/或铂之前先施加到载体并进行热处理。
物理气相沉积是指金属从含金属的来源或靶物理转移至载体介质。物理气相沉积可被视为涉及一个原子接一个原子地沉积,尽管在实际操作中金属可作为极其细小的团粒进行转移,每个团粒由不止一个原子构成。沉积的金属可与载体介质的表面发生物理形式的、化学形式的、离子形式和/或其它形式的相互作用。
物理气相沉积优选在金属移动性很强并倾向于在载体介质表面上迁移直至以某种方式(例如,通过粘附到载体表面上的某一部位或非常靠近载体表面的某一部位)被固定化为止的温度和真空条件下进行。粘附部位可包括:缺陷处(例如表面空位)、结构的间断处(例如台阶和位错)以及相或晶体或其它金属物质(例如小金属簇)之间的界面边界。通过PVD沉积的金属明显地充分被固定化,使得金属可保留高水平的活性。相比之下,常规的方法常常使得金属聚结成大的团粒从而使活性受损甚至丧失。
可以以不同方式来进行物理气相沉积。代表性的方法包括溅射沉积(优选)、蒸发以及阴极电弧沉积。任何这些或其它PVD方法可用于制备用于实施本发明方法的浓集剂,但PVD技术的性质可影响所得的活性。
例如,物理气相沉积技术的能量可影响沉积的金属的移动性并因此影响其聚结趋向。更高的能量趋向对应于金属聚结趋向增加。聚结增加又趋向减小活性。通常,沉积物质的能量对于蒸发来说最低,对于溅射来说较高(可包括其中一小部分碰撞的金属被离子化的一定离子含量),对于阴极电弧沉积来说最高(可包括百分之几十的离子含量)。因此,如果一种具体的PVD技术所得到的沉积金属其移动性大于所期望的,则改为使用较小能量的PVD技术是有用的。
物理气相沉积优选在充分混合(例如,翻滚、流态化、碾磨等)待处理载体介质的同时进行,以确保载体表面得到充分处理。翻滚颗粒以供通过PVD进行沉积的方法在美国专利号4,618,525(Chamberlain等人)中描述,将其说明内容以引用方式并入本文中。
当在微细颗粒或微细颗粒团聚物(例如,平均直径小于约10微米)上进行PVD时,优选在至少一部分PVD过程中将载体介质混合并粉碎(例如,研磨或碾磨至一定程度)这可有助于在沉积过程中保持颗粒或团聚物的分离和自由流动。在微细颗粒或微细颗粒团聚物的情况下,在仍保持金属的可控沉积的同时使颗粒的混合尽可能剧烈和快速是有利的。
可通过使用目前所使用或将来开发用于该目的的任何类型的装置来进行PVD。不过,在附图1和2中显示了优选的装置10。所述装置10包括壳体12,所述壳体12限定真空室14,所述真空室14含有颗粒搅拌器16。所述壳体12(如果需要的话,可由铝合金制造)是垂直取向的中空圆筒体(例如,高45cm,直径50cm)。基座18具有高真空闸阀22的出口20,高真空闸阀后接15.2cm(6英寸)扩散泵24和颗粒搅拌器16的支撑体26。所述真空室14能够被抽真空成1.13mPa(10-6托)范围的背景压力。
所述壳体12的顶部包括可拆卸的用L形橡胶垫圈密封的板28,该板配有安装在外的、7.6cm(3英寸)直径的直流电(dc)磁控管溅射沉积源30(US Gun II,US,INC.,San Jose,CA)。所述溅射沉积源30中固定有金或铂溅射靶32[例如,7.6cm(3.0英寸)直径×0.48cm(3/16英寸)厚度]。溅射沉积源30由配有Sparc-le 20消弧系统(AdvancedEnergy Industries,Inc,Fort Collins,CO)的MDX-10磁控管驱动器(Advanced Energy Industries,Inc,Fort Collins,CO)提供动力。
颗粒搅拌器16为具有矩形开口34(例如,6.5cm×7.5cm)的中空圆筒体(例如12cm长×9.5cm直径,卧式)开口34被设置在金溅射靶32的表面36正下方约7cm,使得溅射的金原子可进入搅拌器的腔体38内。搅拌器16配有在其轴线上的轴40。轴40具有矩形横截面(例如,1cm×1cm),其上栓固四个矩形的叶片42,该矩形叶片形成用于被翻滚的载体颗粒的搅拌机构或叶轮。每个叶片42包括两个洞44(例如,直径2cm),以用于促进包含在由叶片42与颗粒搅拌器16形成的四个扇形体的每一个中的颗粒体积之间的连通。选择叶片42的尺寸以使其与搅拌器壁48之间的侧部间距和端部间距为2.7mm或1.7mm。
物理气相沉积可在非常宽泛的范围内的基本上任意所需温度下进行。然而,如果金属在相对较低的温度(例如,在低于约150℃的温度下,优选低于约50℃,更优选在环境温度下(例如,约20℃至约27℃)或更低)沉积,则沉积的金属可具有更高的活性(可能归因于更多的缺陷和/或更低的移动性和聚结)通常可优选在环境温度下操作,因为在沉积过程中不需要加热或冷却所以既有效又经济。
物理气相沉积可在惰性溅射气气氛(例如,在氩、氦、氙、氡或它们两种或多种的混合物中(优选氩))下进行,任选地,物理气相沉积在氧化气氛下进行。氧化气氛优选包括至少一种含氧气体(更优选地,选自氧气、水、过氧化氢、臭氧以及它们的组合的含氧气体,甚至更优选地,选自氧气、水以及它们的组合的含氧气体,最优选地,氧气)。氧化气氛还包括惰性溅射气体,例如氩、氦、氙、氡或它们中的两种或多种的混合物(优选氩)。在PVD工艺过程中真空室中的总气体压力(所有气体)可为约0.13Pa至约3.3Pa(1毫托至约25毫托)[优选地,约0.67Pa至约1.9Pa(5毫托至约15毫托]。基于真空室中所有气体的总重量,氧化气氛可包含约0.05重量%至约60重量%的含氧气体(优选约0.1重量%至约50重量%;更优选约0.5重量%至约25重量%)。
硅藻土载体介质可任选在金属沉积之前进行煅烧,但这可增加其晶体二氧化硅含量。与通过一些其它方法沉积不同,由于当经PVD沉积时金和铂立即具有活性,通常在金属沉积之后不需要热处理。然而,如果需要的话,可进行所述热处理或煅烧,以提高活性。
通常,热处理可涉及在任何合适的气氛中,例如空气,诸如氮气、二氧化碳、氩的惰性气氛,诸如氢气等的还原气氛等,在范围约125℃至约1000℃的温度下,加热载体持续约1秒至约40小时、优选约1分钟至约6小时的时间。要使用的特定热条件可取决于多种因素,包括载体性质。
通常,在比载体组分会被分解、被降解或以其它方式被不适当地热破坏的温度的温度下进行热处理。取决于诸如载体性质、金属量等的因素,如果系统在太高温度下热处理,活性会有一定程度的损失。
二氧化钛和/或其它金属氧化物
包含金属氧化物的浓集剂可通过水解可水解的金属氧化物前体化合物而将金属氧化物沉积在硅藻土上来制备。合适的金属氧化物前体化合物包括可被水解而生成金属氧化物的金属络合物和金属盐。有用的金属络合物包括包含醇盐配体、过氧化氢配体、羧酸盐功能配体等以及它们的组合的那些金属络合物。有用的金属盐包括金属硫酸盐、硝酸盐、卤化物、羧酸盐、草酸盐、氢氧化物等以及它们的组合。
当使用金属盐或者过氧化氢配体或羧酸盐功能配体的金属络合物时,可通过化学方式或热方式来诱导水解。在化学诱导的水解中,可以将金属盐以液体形式引入硅藻土的分散体中,所得的组合的pH可通过添加碱溶液而提高,直至金属盐作为金属的氢氧化物络合物沉淀于硅藻土上。合适的碱包括碱金属和碱土金属氢氧化物以及碳酸盐、铵和烷基铵的氢氧化物和碳酸盐等,以及它们的组合。金属盐溶液和碱溶液的浓度通常可为约0.1至约2M。
优选地,通过搅拌(优选,快速搅拌)硅藻土分散液来进行将金属盐添加至硅藻土。可分开(以任何顺序)或同时将金属盐溶液和碱溶液引入到硅藻土分散液,以实现所得的金属氧化物络合物与硅藻土表面的优选基本均匀的反应。可任选在反应过程中加热反应混合物,以加快反应速度。通常,所添加的碱的量可等于金属摩尔量乘以金属盐或金属络合物上的非氧和非氢氧反荷离子的量。
或者,当使用钛或铁的盐时,可将金属盐热诱导而水解生成金属氢氧化物络合物,并使之与硅藻土表面相互作用。在该情况中,通常可将金属盐溶液添加至已经被加热至足够高的温度(例如,大于约50℃)的硅藻土分散液(优选,搅拌过的分散体),以促进金属盐水解。优选地,温度在约75℃至100℃之间,但如果在高压釜装置中进行反应的话可使用更高的温度。
当使用金属醇盐络合物时,可通过在醇溶液中部分水解金属醇盐而诱导金属络合物水解生成金属的氢氧化物络合物。金属醇盐在硅藻土的存在下的水解可导致金属氢氧化物沉积于硅藻土表面。
或者,可通过在硅藻土存在下使气相金属醇盐与水反应来水解金属醇盐并使其沉积至硅藻土表面上。在这种情况,可在例如流化床反应器或转鼓反应器中沉积的过程中搅拌硅藻土。
在上述在硅藻土的存在下水解金属氧化物前体化合物之后,可通过沉降或通过过滤或通过其它已知的技术分离所得的表面处理过的硅藻土。可通过用水洗涤来纯化分离的产物,然后可对其进行干燥(例如,在50℃至150℃)。
尽管表面处理过的硅藻土通常在干燥之后可具有功能性,通常任选可通过在空气中加热至约250℃至650℃来煅烧而去除挥发性副产物,而不丧失功能。当金属醇盐用作金属氧化物前体化合物时,该煅烧步骤可为优选的。
通常,对于铁的金属氧化物前体化合物,所得的表面处理包括纳米颗粒氧化铁。当氧化铁与硅藻土的重量比为约0.08时,X射线衍射(XRD)显示不存在界限清楚的氧化铁材料。而在3.80、3.68以及2.94
Figure GPA00001084296400131
观察到另外的X射线反射。该材料的TEM检测显示硅藻土的表面较均匀地涂覆有球形纳米颗粒氧化铁材料。氧化铁材料的晶粒尺寸小于约20nm,大部分晶体的直径小于约10nm。这些球形晶体在硅藻土表面上的堆积外观上密集,硅藻土的表面看起来因这些晶体的存在而变得粗糙。
通常,对于钛的金属氧化物前体化合物,所得的表面处理包括纳米颗粒二氧化钛。当将二氧化钛沉积至硅藻土上时,在煅烧至约350℃之后所得的产物的XRD可显示存在锐钛型二氧化钛的小晶体。在钛/硅藻土比例较低的情况下或在使用钛和氧化铁前体的混合物的情况下,通过X射线分析通常观察不到锐钛型二氧化钛的迹象。
由于熟知二氧化钛为强效的光氧化催化剂,本发明的二氧化钛修饰的硅藻土浓集剂可用于浓集微生物以便分析,并然后还可任选用作光活化剂,以便在使用之后杀死残留的微生物和去除不想要的有机杂质。因此,二氧化钛修饰的硅藻土既可分离生物材料以便分析,然后还可进行光化学清洁以便再利用。这些材料也可用于可能需要微生物去除及抗微生物效果的过滤应用中。
硅藻土
硅藻土是由硅藻(一类海栖微生物)残骸产生的天然硅质材料。因此,它可获自天然来源,也可商购获得(例如,来自Alfa Aesar,AJohnson Matthey Company,Ward Hill,MA)。硅藻土颗粒通常包含对称立方体、圆柱体、球形、板形、矩形盒等形式的二氧化硅微小开放网络。这些颗粒中的孔结构通常可为显著均匀的。
硅藻土可作为未经加工的开采材料或作为经纯化和任选碾磨的颗粒用于实施本发明方法。优选地,硅藻土是直径尺寸范围为约1微米至约50微米(更优选,约3微米至约10微米)的碾磨的颗粒形式。
硅藻土可任选在使用前先进行热处理以去除有机残余物的任何残余。如果使用热处理,在500℃或更低温度热处理可为优选的,这是因为更高的温度可产生不想要的高水平的晶体二氧化硅。
样品
本发明的方法可用于多种不同类型的样品,包括但不限于医学样品、环境样品、食品样品、饲料样品、临床样品和实验室样品以及它们的组合。医学或兽医样品可包括(例如)来自生物来源(例如,人或动物)的待测定以便进行临床诊断的细胞、组织或流体。环境样品可为(例如)来自医学或兽医设施、工业设施、土壤、水源、食品制备区(食品接触和非接触区)、实验室或可潜在遭受生物恐怖的区域。优选的是食品加工、处理以及制备区样品,这是因为这些区域在细菌病原体导致的食品供应污染方面常常受到特别的关注。
以液体形式或以固体于液体中的分散液或悬浮液形式获得的样品可直接使用,或可进行浓缩(例如,通过离心)或稀释(例如,通过添加缓冲液(控制pH的溶液))。固体或半固体形式的样品可直接使用,或者,如果需要的话,可通过某种方法进行萃取,所述方法例如用液体介质(例如,缓冲液)洗涤或漂洗,或者悬浮或分散于该液体介质(例如,缓冲液)中。可从表面(例如,通过擦洗或漂洗)获取样品。优选地,样品为流体(例如,液体、气体,或者固体或液体于液体或气体中的分散体或悬浮液)。
可用于实施本发明方法的样品的例子包括食品(例如,新鲜农产品或即食型午餐食品或“deli”肉)、饮料(例如,果汁或碳酸盐饮料)、饮用水和生物流体(例如,全血或其组分,例如血浆,富含血小板的血液级分、血小板浓缩物或浓缩红细胞;细胞制剂(例如,分散的组织、骨髓抽吸物或椎体骨髓);细胞悬浮液;尿液、唾液以及其它体液;骨髓;肺流体;脑流体;伤口渗出物;伤口活检样品;眼睛流体;脊髓液等),以及可使用已知程序例如使用裂解缓冲液生成的裂解制剂,例如细胞裂解物等。优选的样品包括食品、饮料、引用水、生物流体以及它们的组合(更优选为食品、饮料、饮用水以及它们的组合)。
样品体积可根据具体应用而不同。例如,当本发明方法用于诊断或研究应用时,所述样品的体积通常为微升范围(例如,10微升或更大)。当所述方法用于食品病原体检测分析或用于饮用水安全性检测时,样品的体积可通常为毫升至升的范围(例如,100毫升至3升)。在工业应用中,例如生物工艺或制药配方中,所述体积可为成千上万升。
本发明方法可从浓集状态的样品分离微生物,并且还可使得能从可对待使用的检测程序造成限制的样品基质组分分离微生物。在所有这些情况中,本发明的方法可伴随或替代微生物浓集的其它方法而使用。因此,任选地,如果需要另外的浓集,可在实施本发明方法之前或之后从样品长出培养物。
接触
可通过多种已知的或将来开发的提供两种材料之间接触的方法中的任何方法来实施本发明方法。例如,可将浓集剂添加至样品,或者可将样品添加至浓集剂。可将涂覆浓集剂的浸渍片浸于样品溶液中,可将样品溶液倾注至涂覆浓集剂的薄膜上,可将样品溶液倾注至涂覆浓集剂的试管或微孔中,或者可将样品溶液通过涂覆有浓集剂的过滤器(例如,织造滤布或非织造滤布)。
然而,优选地,在多种容器(任选地但也优选地,带盖的容器、闭合或密封容器,更优选地,带盖的试管、瓶子或罐)中的任何容器中合并(使用任何添加次序)浓集剂和样品。用于实施本发明方法的合适的容器将由具体样品决定,可在尺寸和性质上大不相同。例如,所述容器可为小容器,例如10微升容器(例如,试管)或更大的容器,例如100毫升或3升容器(例如,三角锥形瓶或聚丙烯大口瓶)。容器、浓集剂以及直接接触样品的任何其它装置或添加剂可在使用前进行灭菌(例如,通过受控热、环氧乙烷气或辐射来进行),以减少或防止任何可导致检测误差的对样品的污染。足以捕集或浓集特定样品的微生物以便成功检测的浓集剂的量是可变动的(取决于例如,浓集剂的性质和形式以及样品体积),可由本领域技术人员容易地确定。例如,对于一些应用而言,每毫升样品10毫克浓集剂是实用的。
如果需要,可通过将粒状浓集剂至少通过样品一次来实现接触(例如,通过依赖重力沉降例如约10分钟的一段时间)。可通过混合(例如,通过搅拌、摇动或使用振动台)使得浓集剂颗粒反复经过或沉降入样品的大部分,来增强接触。对于微升级的小体积(通常,小于0.5毫升)来说,诸如通过涡旋或“章动”,混合可以是快速的,例如,如美国专利号5,238,812(Coulter等人)所述,将其说明内容以引用方式并入本文中。对于大于或等于0.5毫升(通常0.5毫升至3升)的较大体积来说,可通过以“翻跟头”(end over end)的方式轻轻翻转粒状浓集剂和样品来实现混合,例如,如美国专利号5,576,185(Coulter等人)所述,将其说明内容以引用方式并入本文中。可借助于例如被设置成固定试管或其它类型反应容器并以“翻跟头”方式缓慢旋转试管或容器的装置来实现所述翻转。可进行接触达所需的时间(例如,对于等于或小于约100毫升体积的样品,最多约60分钟的接触是有用的;优选,约15秒至约10分钟或更长时间;更优选,约15秒至5分钟)。
因此,在实施本发明方法时,混合(例如,搅动、振动或搅拌)和/或孵育(例如,在室温下)是任选的但也是优选的,以便增加微生物与浓集剂的接触。优选的接触方法包括将含微生物的样品(优选流体)与粒状浓集剂一起混合(例如,约15秒至约5分钟)和孵育(例如,约3分钟至约30分钟)。如果需要,在浓集剂和样品的组合中,可包括一种或多种添加剂[例如,裂解试剂、生物发光检测试剂、核酸捕集试剂(例如,磁珠)、微生物生长培养基、缓冲剂(例如,用以润湿固体样品)、微生物染色试剂、洗涤缓冲液(例如,用以洗除未结合材料)、洗脱剂(例如,血清白蛋白)、表面活性剂(例如,可从Union Carbide Chemicals and Plastics(Houston,TX)获得的TritonTMX-100非离子型表面活性剂)、机械磨蚀剂/洗脱剂(例如,玻璃珠)等]。
如果需要,可将浓集剂(单独,或与例如抗微生物材料和/或与液体(例如水或油)、固体(例如,织物、聚合物、纸或无机固体)、凝胶、乳膏、泡沫或糊剂形式的载体材料进行组合)施加至或擦涂无孔或多孔、固体、受微生物污染的或可受微生物污染的材料或表面(例如,用作“清洁”剂)。如果需要,可使用粘合剂、稳定剂、表面活性剂或其它性质改性剂。
对于这样的用途,可将浓集剂施加至织造无或非织造物,并且可施加至一次性表面,例如纸、手巾纸、棉拭子以及多种吸收性和非吸收性材料。例如,可将浓集剂掺入布或纸载体材料,以用作“清洁”擦拭物。可将浓集剂施加至(例如,以包含载体材料的擦拭物或糊剂的形式)固体表面,例如,在家庭、日间护理、工业以及医院设施中,用于清洗玩具、设备、医学装置、工作表面等。当用于清洗或其它目的时,如果需要,可以以单独一个步骤同时采集样品和使其与浓集剂接触。
离析和/或分离
任选地但也优选地,本发明的方法还包括离析所得的结合微生物的浓集剂。优选可通过至少部分依赖于重力沉降(重力沉淀,例如,经约5分钟至约30分钟的时间)实现这样的离析。然而,在一些情况下,可取的是加快离析(例如,通过离心或过滤),或者采用任何所述离析方法的组合。
本发明的方法还可任选包括将所产生的结合微生物的浓集剂与样品分离。对于流体样品而言,这可涉及去除或分离离析时产生的上清液。可通过本领域熟知的多种方法(例如,通过倾析或虹吸,以使得结合微生物的浓集剂留在用于实施本发明方法的容器或器皿的底部)实现上清液的分离。
本发明的方法可手动实施(例如,以分批方式实施)或者可为自动化的(例如,以使得能够连续或半连续处理)。
检测
可通过使用本发明方法来浓集并任选但也优选地检测多种微生物,包括(例如)细菌、真菌、酵母菌、原生动物、病毒(包括无包膜病毒和有包膜病毒)、细菌内生孢子等以及它们的组合(优选为细菌、酵母菌、病毒、细菌内生孢子、真菌以及它们的组合;更优选为细菌、酵母菌、病毒、细菌内生孢子以及它们的组合;甚至更优选为细菌、病毒、细菌内生孢予以及它们的组合;最优选为革兰氏阴性菌、革兰氏阳性菌、无包膜病毒(例如,诺沃克病毒(norovirus)、脊髓灰质炎病毒、甲型肝炎病毒、鼻病毒以及它们的组合)、细菌内生孢子以及它们的组合)。所述方法可用于检测病原体,这对于食品安全或对于医学、环境或反恐原因来说是重要的。所述方法尤其可用于检测病原性细菌(例如,革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌),以及多种酵母菌、霉菌和支原体(以及这些中的任何的组合)。
待检测的靶微生物属包括但不限于李斯特菌属(Listeria)、埃希氏杆菌属(Escherichia)、沙门氏菌属(Salmonella)、弯曲杆菌属(Campylobacter)、梭状芽孢杆菌属(Clostridium)、螺杆菌属(Helicobacter)、分枝杆菌属(Mycobacterium)、葡萄球菌属(Staphylococcus)、志贺氏菌属(Shigella)、肠球菌属(Enterococcus)、芽孢杆菌属(Bacillus)、奈瑟氏菌属(Neisseria)、志贺氏菌属(Shigella)、链球菌属(Streptococcus)、弧菌属(Vibrio)、耶尔森氏菌属(Yersinia)、博德特氏菌属(Bordetella)、包柔氏螺旋体属(Borrelia)、假单胞菌属(Pseudomonas)、酵母菌属(Saccharomyces)、念珠菌属(Candida)等以及它们的组合。样品可含有多种微生物菌株,并且任何一种菌株可独立于任何其它菌株而被检测到。可作为检测靶的具体微生物菌株包括大肠埃希氏杆菌(Escherichia coli)、小肠结肠炎耶尔森氏菌(Yersinia enterocolitica)、假结核耶尔森氏菌(Yersiniapseudotuberculosis)、霍乱弧菌(Vibrio cholerae)、副溶血性弧菌(Vibrioparahaemolyticus)、创伤弧菌(Vibrio vulnificus)、单核细胞增多性李斯特菌(Listeria monocytogenes)、金黄色葡萄球菌(Staphylococcusaureus)、肠道沙门氏菌(Salmonella enterica)、酿酒酵母(Saccharomycescerevisiae)、白色念珠菌(Candida albicans)、葡萄球菌肠毒素亚种(Staphylococcal enterotoxin ssp)、蜡样芽孢杆菌(Bacillus cereus)、炭疽芽孢杆菌(Bacillus anthracis)、萎缩芽孢杆菌(Bacillus atrophaeus)、枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)、产气荚膜梭状芽孢杆菌(Clostridiumperfringens)、肉毒梭状芽孢杆菌(Clostridium botulinum)、艰难梭状芽孢杆菌(Clostridium difficile)、阪崎肠杆菌(Enterobacter sakazakii)、绿脓假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)等以及它们的组合(优选地,金黄色葡萄球菌、肠道沙门氏菌、酿酒酵母、萎缩芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌、大肠埃希氏杆菌、人类感染性无包膜肠道病毒(大肠埃希氏杆菌噬菌体为替代物)及它们的组合)。
由浓集剂捕集或结合(例如,通过吸附)的微生物可通过基本上任何目前已知或将来开发的所需方法来检测。这些方法包括(例如)基于培养的方法(当时间允许时可为优选)、显微镜法(例如,使用可用于观察标记有荧光染料的微生物的透射光显微镜或落射荧光显微镜)以及其它成像方法、免疫检测方法和基因检测方法。微生物捕集之后的检测过程可任选包括洗涤,以去除样品基质组分。
免疫检测是对衍生自靶生物体的抗原物质的检测,该抗原物质通常是充当细菌或病毒颗粒的表面上的标志的生物分子(例如,蛋白质或蛋白多糖)。抗原物质的检测通常可通过抗体、选自诸如噬菌体展示之类的过程的多肽或来自筛选过程的适体来进行。
免疫检测方法是熟知的,包括(例如)免疫沉淀和酶联免疫吸附测定(ELISA)。可以多种方式(例如,通过用荧光染料、用量子点或用可产生化学发光的酶或有色底物来标记第一抗体或第二抗体,和使用读板机或侧流装置)来检测抗体结合。
还可通过基因检测(例如,通过核酸杂交或引物指导的扩增)来进行检测,基因检测常常是优选的方法。可将捕集或结合的微生物裂解,以使它们的遗传物质可供检测。裂解方法是熟知的,包括(例如)下述处理:声裂法、渗透压休克、高温处理(例如,约50℃至约100℃)以及与酶一起孵育,该酶例如为溶菌酶、葡萄糖酶、酵母裂解酶(zymolose)、溶细胞酶、蛋白酶K、蛋白酶E和病毒内溶素。
许多常用的基因检测分析可检测特定微生物的核酸,包括DNA和/或RNA。基因检测方法中使用的条件的严格性与所检测的核酸序列的变异水平相关。高严格的盐浓度和温度条件可使检测限于靶标的精确核酸序列。因此,使用高度严格的基因检测可区分靶核酸序列存在小变异的微生物菌株。基因检测可以基于核酸杂交,其中,单链核酸探针与微生物的变性核酸杂交,使得产生包含探针链的双链核酸。本领域技术人员应熟悉用于在凝胶电泳、毛细管电泳或其它分离方法之后检测杂交物的探针标记,例如放射性标记、荧光标记以及化学发光标记。
特别有用的基因检测方法是基于引物指导的核酸扩增。引物指导的核酸扩增方法包括(例如)热循环方法(例如,聚合酶链反应(PCR)、逆转录酶聚合酶链反应(RT-PCR)以及连接酶链反应(LCR))以及等温法和链置换扩增(SDA)(以及它们的组合,优选地,为PCR或RT-PCR)。用于检测扩增产物的方法包括(但不限于)例如凝胶电泳分离和溴化乙锭染色,以及检测产物中掺入的荧光标记或放射性标记。还可使用在检测扩增产物之前不需要分离步骤的方法(例如,实时PCR或均相检测)。
生物发光检测方法是熟知的,并且包括(例如)腺苷酸三磷酸(ATP)检测方法,包括美国专利号7,422,868(Fan等人)中所描述的那些,将其说明内容以引用方式并入本文中。
由于本发明方法是非菌株特异性的,它提供了使得可在同一样品中靶向多种微生物菌株以便检测的通用捕集系统。例如,在测定食品样品的污染时,将同一样品中的单核细胞增多性李斯特菌、大肠埃希氏杆菌以及沙门氏菌一并检测是合乎需要的。在单个捕集步骤之后接着可进行PCR或RT-PCR测定,其使用特异性引物来扩增来自这些微生物菌株中每个菌株的不同核酸序列。因此,可避免需要对每个菌株分开进行样品处理和制备程序。
诊断试剂盒
一种用于实施本发明方法的诊断试剂盒包括:(a)上述浓集剂(优选粒状浓集剂);和(b)用于实施本发明方法的检测容器(优选无菌检测容器)。优选地,所述诊断试剂盒还包括一种或多种选自以下的组分:微生物培养基或生长培养基、裂解试剂、缓冲剂、生物发光检测分析组件(例如,光度计、裂解试剂、萤光素酶、酶底物、反应缓冲剂等)、基因检测分析组分、用于实施所述方法的说明书以及它们的组合。优选的裂解试剂是在缓冲剂中提供的水解酶,优选的基因检测分析组分包括靶微生物的一种或多种特异性引物。
例如,本发明的诊断试剂盒的优选实施例包括:粒状浓集剂(例如,在诸如玻璃或聚丙烯瓶的无菌一次性容器中),连同关于使用所述浓集剂实施本发明方法的说明书(例如,通过将浓集剂与待分析的流体样品混合,通过重力使得浓集剂沉降,去除产生的上清液,以及检测至少一种被浓集剂结合的靶微生物菌株的存在)。任选地,浓集剂可在含有防腐剂的小量缓冲液中水合以提高储存和运输过程中的稳定性,和/或可装在/等分分配在撕开式密封袋中以防止污染。浓集剂可以是液体中的分散液或悬浮液形式,或者可为粉末形式。优选地,诊断试剂盒包括预量出的等份的(例如,基于样品体积)粒状浓集剂(更优选地,装在一个或多个撕开式密封袋内)。
实例
通过以下的实例进一步说明本发明的目标和优点,但不应当将这些实例中例举的具体材料及其量以及其它的条件和细节理解成对本发明的不当限制。
材料
硅藻土购自Alfa Aesar(A Johnson Matthey Company,Ward Hill,MA),为白色粉末(325目,所有颗粒的尺寸均小于44微米)。X射线衍射(XRD)显示该材料含有无定形二氧化硅以及晶态α-方石英和石英。煅烧的硅藻土购自德国法兰克福Solvadis,GmbH(据观察包含长度约5至约80微米和宽约3至约8微米的小棒,和原始长度达约60微米的多孔盘和盘片段,以及原始长度约3至约60微米的不对称片段)。XRD显示该材料主要包含α-方石英。
所有微生物培养物均购自美国模式培养物保藏中心(ATCC;Manassas,VA)。
通过下文描述的方式表面处理硅藻土来制备包含多种不同表面修饰剂(即,二氧化钛、二氧化钛和氧化铁组合、铂、金以及金与氧化铁组合)的浓集剂:
金沉积
在150℃的烤箱中进一步干燥约57-60g干燥的硅藻土或金属氧化物修饰的硅藻土载体介质(约300mL体积的粉末)24小时,以去除残留的水分。将所得的干燥的样品趁热放入上文具体实施方式中描述的PVD装置,该PVD装置具有浆叶间隙为2.7mm的颗粒搅拌器。然后将该装置的真空室抽真空至约1.3mPa(5×10-5托)的背景压力,让包含氩溅射气体的气体以约1.3Pa(10毫托)的压力下进入该室。
然后,通过向该装置的阴极施加功率达预设定的一段时间进行金属沉积过程;在0.02kW的受控功率下进行金属的DC磁控管溅射涂覆过程中,该装置的颗粒搅拌器轴和带孔叶片以4rpm转动。溅射涂覆的持续时间为5小时。在溅射涂覆完成之后,用空气将真空室通气至环境条件,从PVD装置移除所得的涂覆金属的样品,并通过25目(0.707mm)筛网过筛,以分离该过程中产生的微细颗粒。通过称量所利用的金属溅射靶(沉积过程之前和之后)来测定已沉积于样品上的金属的量。通常,约18%的靶重量损失代表沉积于样品上的金属(基于电感耦合等离子体分析)。从该信息计算出载体介质上的所得金量为约0.9重量百分数。
铂沉积
大致重复上述的金沉积过程,例外的是7.62cm(3英寸)铂靶代替所使用的7.62cm(3英寸)金靶,将功率设定为0.03kW,沉积时间为1小时。计算出载体介质上所得的铂量为约0.25重量百分数。
二氧化钛的沉积
通过在搅拌下在80.0g去离子水中溶解20.0g TiO(SO4)2H2O(NoahTechnologies Corporation,San Antonio,TX)来制备20重量百分数的脱水硫酸氧钛(IV)(titanium(IV)oxysulfate dehydrate solution)溶液。将50.0g该溶液与175mL去离子水一起混合,产生二氧化钛前体化合物溶液。通过在大烧杯中在快速搅拌下将50.0g硅藻土分散于500mL去离子水来制备硅藻土分散液。在将硅藻土分散液加热至约80℃之后,在快速搅拌下滴加二氧化钛前体化合物溶液约1小时时间。在添加之后,将烧杯用表面皿盖住,并将其内容物加热至沸腾20分钟。将氢氧化铝溶液添加至烧杯,直至内容物的pH为约9。通过沉降/倾析来洗涤所得的产物,直至洗涤水的pH为中性。过滤分离出产物,并将其在100℃过夜干燥。
将一部分干燥的产物放入瓷坩埚,通过以约3℃/分钟的加热速度从室温加热至350℃并然后保持在350℃1小时来进行煅烧。
氧化铁的沉积
使用基本上上述的二氧化钛沉积工艺将氧化铁沉积至硅藻土上,例外的是用20.0g Fe(NO3)3·9H2O(J.T.Baker,Inc.,Phillipsburg,N.J.)溶于175mL去离子水所得的溶液代替硫酸氧钛溶液。将一部分所得的氧化铁修饰的硅藻土相似地煅烧至350℃以作进一步检测。
氧化铁和二氧化钛的沉积
使用基本上上述的二氧化钛沉积工艺将氧化铁和二氧化钛的混合物沉积至硅藻土上,例外的是用10.0g Fe(NO3)3·9H2O(J.T.Baker,Inc.,Phillipsburg,N.J.)和25.0g TiO(SO4)·2H2O(Noah TechnologiesCorporation,San Antonio,TX)溶于175mL去离子水所成的溶液代替硫酸氧钛溶液。将一部分所得的氧化铁和二氧化钛修饰的硅藻土相似地煅烧至350℃以作进一步检测。
微生物浓集试验方法
将分离的微生物菌落接种于5mL BBLLTM TrypticaseTM大豆肉汤(Becton Dickinson,Sparks,MD)中并在37℃孵育18-20小时。将约109个菌落形成单位/mL的该过夜培养物在pH7.2的吸附缓冲液(含5mMKCl、1mM CaCl2、0.1mM MgCl2,以及1mM K2HPO4)中稀释,获得103个微生物/mL的稀释液。将1.1mL体积的微生物稀释液添加至各个经标记的含10mg浓集剂的5mL无菌聚丙烯管(BD FalconTM,BectonDickinson,Franklin Lakes,NJ),给各管封盖并在Thermolyne MaximixPlusTM vortex混合器(Barnstead International,Iowa)上混合。在室温(25℃)下于Thermolyne Vari MixTM振动器平台(Barnstead International,Iowa)上孵育各封盖的管15分钟。在孵育后,让各管在试验台上静放10分钟以使浓集剂沉降下来。以相同方式处理含有1.1mL微生物稀释液但无浓集剂的对照样品管。然后将所得的沉降的浓集剂和/或上清液(以及对照样品)用于分析。
将沉降的浓集剂重悬浮于1mL无菌巴特非尔德氏(Butterfield′s)缓冲溶液(pH 7.2±0.2;磷酸二氢钾缓冲溶液;VWR目录号83008-093,VWR,West Chester,PA)中,并根据制造商的说明书铺板于3MTMPetrifilmTM好氧性微生物计数板培养基(干燥、可再水合,3M公司(St.Paul.,MN))。使用3MTM PetrifilmTM读板机(3M公司(St.Paul.,MN))对好氧性微生物计数进行定量。使用下式计算结果:
重悬浮的浓集剂中的CFU百分数/mL=
(来自铺板的重悬浮浓集剂的菌落数)/(来自铺板的未处理对照样品的菌落数)×100
(其中,CFU=菌落形成单位,其为活的或有活力的微生物的单位)。
然后使用下式以微生物被浓集剂捕集的百分数来报告结果:
捕集效率或捕集百分数=重悬浮的浓集剂中的CFU百分数/mL
浓集剂
为了比较的目的,在至少一些情况下,移取1mL上清液,未稀释地进行铺板或在巴特非尔德氏缓冲溶液中以1∶10稀释进行铺板,将其铺板至3MTM PetrifilmTM好氧性微生物计数板培养基上。使用3MTMPetrifilmTM读板机(3M公司(St.Paul.,MN))对好氧性微生物计数进行定量。使用下式计算结果:
上清液中的CFU百分数/mL=
(来自铺板的上清液的菌落数)/(来自铺板的未处理对照样品的菌落数)×100
(其中,CFU=菌落形成单位,其为活的或有活力的微生物的单位)。
当微生物菌落和浓集剂的颜色相似时(给读板机提供的对比度很小),结果是基于上清液,因而使用下式以微生物被浓集剂捕集的百分数来报告结果:
捕集效率或捕集百分数=100-上清液中的CFU百分数/mL
实例1-12以及比较例1和2
使用上述微生物浓集试验方法,分别测定多种不同的经表面处理的硅藻土浓集剂或经表面处理的煅烧硅藻土浓集剂(如上所述制备)各10mg和10mg未处理的硅藻土(下文为DE)对靶微生物的细菌浓集作用,所述靶微生物为革兰氏阴性菌肠道沙门氏菌亚种鼠伤寒沙门氏菌(ATCC 35987)和革兰氏阳性菌金黄色葡萄球菌(ATCC 6538)。结果示于下表1中。
表1.
  实例编号 微生物   浓集剂   捕集百分数±标准偏差
  C-1   葡萄球菌   DE   54±13
  1   葡萄球菌   TiO2-DE   94±4
  2   葡萄球菌   Fe2O3-TiO2-DE   96±1
  3   葡萄球菌   煅烧的Fe2O3-TiO2-DE   100±0
  4   葡萄球菌   Pt-煅烧的DE   99±0
  5   葡萄球菌   Au-Fe2O3-DE   99±0
  6   葡萄球菌   Au-煅烧的DE   99±0
  C-2   沙门氏菌   DE   45±1
  7   沙门氏菌   TiO2-DE   86±3
  8   沙门氏菌   Fe2O3-TiO2-DE   88±1
  9   沙门氏菌   煅烧的Fe2O3-TiO2-DE   89±5
  10   沙门氏菌   Pt-煅烧的DE   72±1
  实例编号 微生物   浓集剂   捕集百分数±标准偏差
  11   沙门氏菌   Au-Fe2O3-DE   91±6
  12   沙门氏菌   Au-煅烧的DE   100±0
  13   沙门氏菌   Au-DE   89±2
实例14-19以及比较例3
使用上述微生物浓集试验方法,分别测定多种不同的经表面处理的硅藻土浓集剂或经表面处理的煅烧硅藻土浓集剂(如上所述制备)各10mg和10mg未处理的硅藻土(下文为DE)对靶微生物酿酒酵母(102CFU/mL;ATCC 201390)的酵母菌浓集作用。根据制造商的说明书将所得的材料铺板于3MTM PetrifilmTM酵母菌和霉菌计数板培养基(干燥,可再水合;3M公司,St.Paul,MN),并孵育5天。对分离的酵母菌菌落进行手工计数,并如上所述计算出捕集百分数。结果示于下表2中(所有样品的标准偏差均小于10%)。
表2.
  实例编号   微生物  浓集剂   捕集百分数
  C-3   酵母菌  DE   42
  14   酵母菌  TiO2-DE   99
  15   酵母菌  Fe2O3-TiO2-DE   93
  16   酵母菌  煅烧的Fe2O3-TiO2-DE   100
  17   酵母菌  Pt-煅烧的DE   100
  18   酵母菌  Au-Fe2O3-DE   100
  19   酵母菌  Au-煅烧的DE   99
实例20-22以及比较例4-6
食品样品购自当地的杂货店(Cub Foods,St.Paul)。在无菌玻璃皿中称量火腿片、莴苣以及苹果汁样品(11g),加入到无菌StomacherTM聚乙烯过滤袋(Seward Corp,Norfolk,UK)中。使用肠道沙门氏菌亚种鼠伤寒沙门氏菌(ATCC 35987)的18-20小时过夜培养物(原种),以102CFU/mL的浓度对各食品样品进行接种然后,添加99mL巴特非尔德氏缓冲液至各接种样品。在StomacherTM 400 Circulator实验室搅拌机(Seward Corp.Norfolk,英国)中搅拌所得样品2分钟时间。将搅拌过的样品收集在无菌50mL锥形聚丙烯离心管(BD FalconTM,BectonDickinson,Franklin Lakes,NJ)中,以2000转/分钟(rpm)离心(EppendorfTM离心管5804;Westbury,NY)5分钟,以去除大的碎片。将所得上清液用作进一步试验的样品。
使用上述微生物浓集试验方法,将各1mL如上所述制备的试验样品分别添加至含有10mg经表面处理的硅藻土的试管和含有10mg未经处理的硅藻土的对照试管中,测试对靶微生物肠道沙门氏菌亚种鼠伤寒沙门氏菌(ATCC 35987)的细菌浓集作用。对于莴苣试验,将样品置于无菌的100×20mm组织培养皿(Sarstedt,Newton,NC),并在紫外(UV)光下在AlphaImagerTM MultiImageTM灯箱(Alpha InnotechCorporation,San Leandro,CA)中孵育1小时,以去除背景菌群。这些经UV处理的样品被证实不存在天然菌群(通过基本上如上所述进行铺板和计数1mL样品证实),然后用于浓集试验。结果示于下表3中(所有样品的标准偏差均小于10%)。
表3.
  实例   编号微生物  浓集剂   样品   捕集百分数
  C-4   沙门氏菌  DE   苹果汁   43
  20   沙门氏菌  Au-Fe2O3-DE   苹果汁   94
  C-5   沙门氏菌  DE   火腿   75
  21   沙门氏菌   Au-Fe2O3-DE   火腿   94
  C-6   沙门氏菌   DE   莴苣   55
  22   沙门氏菌   Au-Fe2O3-DE   莴苣   80
实例23-24以及比较例7-8
按照上文实例20-22以及比较例4-6的程序,采用火鸡样品(使用25g切片的火鸡和225mL巴特非尔德缓冲液),分别测定经表面处理的硅藻土和未经处理的硅藻土对大体积样品(每30mL样品体积300mg浓集剂)的靶微生物肠道沙门氏菌亚种鼠伤寒沙门氏菌(ATCC 35987)的浓集作用。还对来自饮水喷头的饮用水(100mL)进行了试验,将所述饮用水收集在无菌250mL的玻璃瓶(VWR,West Chester,PA)中,用靶微生物肠道沙门氏菌亚种鼠伤寒沙门氏菌(ATCC 35987)以102CFU/mL进行接种。将所得的接了种的水手动翻转混合5次,在室温(25℃)下孵育15分钟。
将30mL如上所述制备的样品添加至含有300mg浓集剂的无菌50mL锥形聚丙烯离心管(BD FalconTM,Becton Dickinson,Franklin Lakes,NJ),使用上述微生物浓集试验方法进行试验。将所得的沉降的浓集剂重悬浮于30mL无菌巴特非尔德氏缓冲液中,铺板于3MTM PetrifilmTM好氧性微生物计数板培养基。结果示于下表4中(所有样品的标准偏差均小于10%)。
表4.
实例   编号微生物 浓集剂 样品 捕集百分数
  C-7   沙门氏菌   DE   饮用水   79
  23   沙门氏菌   Au-Fe2O3-DE   饮用水   97
  C-8   沙门氏菌   DE   火鸡   52
  24   沙门氏菌   Au-Fe2O3-DE   火鸡   88
实例25-32
分别测定多种不同的经表面处理的硅藻土浓集剂样品(如上所述制备)各10mg对靶细菌内生孢子萎缩芽孢杆菌(ATCC 9372)和枯草芽孢杆菌(ATCC 19659)的浓集作用。采用上述的微生物浓集试验方法,但有以下修改:过夜培养物分别具有1.4×103CFU/mL萎缩芽孢杆菌和6×102CFU/mL枯草芽孢杆菌;将所得的上清液未经稀释进行铺板;将沉降的带有结合的微生物的浓集剂重悬浮于5mL无菌巴特非尔德氏缓冲液中并以双份(每份1mL)进行铺板。基于得自铺板的上清液的计数来计算捕集效率,结果示于下表5中(所有样品的标准偏差均小于10%)。
表5.
  实例编号   微生物   浓集剂   捕集百分数
  25   萎缩芽孢杆菌   TiO2-DE   79
  26   萎缩芽孢杆菌   Pt-DE   100
  27   萎缩芽孢杆菌   Au-DE   81
  28   萎缩芽孢杆菌   Au-Fe2O3-DE   100
  29   枯草芽孢杆菌   TiO2-DE   97
  实例编号   微生物   浓集剂   捕集百分数
  30   枯草芽孢杆菌   Pt-DE   100
  31   枯草芽孢杆菌   Au-DE   99
  32   枯草芽孢杆菌   Au-Fe2O3-DE   99
实例33-36
分别测定两种不同的经表面处理的硅藻土浓集剂样品(即,Pt-DE和Au-Fe2O3-DE)各10mg对无包膜细菌感染性靶病毒大肠埃希氏杆菌噬菌体MS2(ATCC 15597-B1;常用作多种人类感染性无包膜肠道病毒的替代物)的浓集作用。采用大肠埃希氏杆菌(ATCC 15597)作为宿主,用双层琼脂方法(下文所述)测定对大肠埃希氏杆菌噬菌体MS2(ATCC 15597-B1)的捕集。
在pH7.2的无菌1X吸附缓冲液(含有5mM KCl、1mM CaCl2、0.1m MmgCl2,以及1mM K2HPO4)中10倍系列稀释大肠埃希氏杆菌噬菌体MS2原种,分别获得每毫升103和102噬斑形成单位(PFU/mL)的两种稀释液。将1.0mL体积的所得噬菌体稀释液添加至含有10mg浓集剂的经标记的无菌5mL聚丙烯管(BD FalconTM,Becton Dickinson,Franklin Lakes,NJ),并在Thermolyne Maximix PlusTM涡旋混合器(Barnstead International,Iowa)上混合。在室温(25℃)下于ThermolyneVari MixTM振动器平台(Barnstead International,Iowa)上孵育封盖的管15分钟。孵育后,让管在试验台上静放10分钟以使浓集剂沉降下来。以相同方式处理含有1.0mL噬菌体稀释液但无浓集剂的对照样品管。然后将所得的沉降的浓集剂和/或上清液(以及对照样品)用于分析。
移取100微升上清液,使用下文所述的双层琼脂方法测定噬菌体。移取另外的800微升上清液并弃去。也对100微升沉降的浓集剂测定噬菌体。
双层琼脂方法
将单菌落的大肠埃希氏杆菌(ATCC 15597)接种于25mL无菌的3重量百分数的胰蛋白酶大豆肉汤(BactoTM胰蛋白酶大豆肉汤,BectonDickinson and Company,Sparks,MD,根据制造商的说明书制备)中,并在设置为每分钟250转(rpm)的振动培养箱(InnovaTM 44,NewBrunswick Scientific Co.,Inc.,Edison,NJ)中在37℃过夜培养。将750微升的该过夜培养物用于接种75mL无菌的3重量百分数的胰蛋白酶大豆肉汤。在设置为250rpm的振动培养箱中于37℃孵育所得培养物,获得指数期的大肠埃希氏杆菌细胞,指数生长期是通过用SpectraMax M5分光光度计(Molecular Devices,Sunnyvale,CA)于550nm处测得的吸光度(吸光度值0.3-0.6)来测定。将细胞在冰上孵育直至用于测定。
将100微升的上述噬菌体检测样品与75微升冰孵育的大肠埃希氏杆菌(宿主细菌)细胞一起混合,在室温(25℃)下孵育5分钟。将所得样品与5mL无菌的熔化顶层琼脂(3重量百分数的胰蛋白酶大豆肉汤、1.5重量百分数的NaCl、0.6重量百分数的琼脂,当天制备,保持在48℃的水浴中)混合。然后将该混合物倒至培养皿中的底层琼脂(3重量百分数的胰蛋白酶大豆肉汤、1.5重量百分数的NaCl、1.2重量百分数的琼脂)之上。让混合物的熔化琼脂组分固化5分钟,倒置培养皿或培养板,在37℃下孵育。过夜孵育后,目测检查培养板,含有沉降的浓集剂的那些板(以及对照培养板)显示存在噬菌体噬斑。基于得自铺板的上清液的计数来计算捕集效率,对于Pt-DE测定为96%和97%(分别对于103和102PFU/mL稀释液),对于Au-Fe2O3-DE测定为94%和95%(分别对于103和102PFU/mL稀释液)(标准偏差小于10%)。
实例37-38
苹果汁购自本地杂货店(Cub Foods,St.Paul)。在无菌玻璃皿中称量苹果汁(11g),将其添加至99mL无菌巴特非尔德氏缓冲液中。将所得的组合进行漩涡混合1分钟,并使用肠道沙门氏菌亚种鼠伤寒沙门氏菌(ATCC 35987)和大肠埃希氏杆菌(ATCC 51813)的18-20小时过夜培养物(细菌原种),将这两种细菌培养物各以1CFU/mL浓度对所述组合物进行接种。如上所述在1X吸附缓冲液中制备细菌原种的系列稀释液。
使用上述微生物浓集试验方法,将10mL体积的接了种的苹果汁样品添加至含有100mg经表面处理的硅藻土浓集剂(即,TiO2-DE或Au-Fe2O3-DE)的无菌50mL锥形聚丙烯离心管(BD FalconTM,BectonDickinson,Franklin Lakes,NJ),孵育15分钟进行靶微生物沙门氏菌(在竞争性微生物大肠埃希氏杆菌存在下)的细菌捕集/浓集。去除所得上清液,将沉降的浓集剂转移至另一装有2mL 3重量百分数的无菌胰蛋白酶大豆肉汤(BactoTM Tryptic Soy Broth,Becton Dickinson andCompany,Sparks,MD;根据制造商的说明书制备)的无菌50mL管。)给管封盖但不盖牢,混合其内容物,在37℃下孵育。在过夜孵育后,使用来自SDI(Strategic Diagnostics,Inc.,Newark,DE)的RapidChekTM沙门氏菌侧流免疫测定试验带检测所得肉汤混合物中的沙门氏菌的存在。目测检查试验带显示其为沙门氏菌阳性。
还通过聚合酶链反应(PCR)对含有微生物的肉汤混合物进行核酸检测。使用来自Applied Biosystems(Foster City,CA)的TaqManTM ABI肠道沙门氏菌检测试剂盒,测定作为试验样品的1mL上述过夜孵育的含有浓集剂的肉汤中的沙门氏菌的存在。也对作为对照样品的1mL的肠道沙门氏菌亚种鼠伤寒沙门氏菌(ATCC 35987)的18-20小时过夜培养物(原种)进行了测定。通过使用下列每个循环的循环条件(45个循环)在Stratagene Mx3005PTM QPCR(定量PCR)系统(StratageneCorporation,La Jolla,CA)中进行PCR检测:25℃30秒,95℃10分钟,95℃15秒,以及60℃1分钟。对照样品获得的平均(n=2)循环阈值(CT值)为17.71。含有TiO2-DE或Au-Fe2O3-DE的检测样品获得的平均(n=2)CT值分别为20.44和16.53,表明为阳性PCR反应并证实了沙门氏菌的存在。
将本文所引用的包含在专利、专利文献以及出版物中的参考说明全文以引用方式并入,就如同各自独立地并入。在不脱离本发明的范围和精神的情况下,对本发明的多种无法预料的修改和更改对于本领域的技术人员来说将是显而易见的。应当理解,本发明并非意图受本文描述的示例性实施例和实例的不当限制,所述实例和实施例仅通过举例方式提供,本发明的范围旨在仅受本文中如下示出的权利要求书的限制。

Claims (32)

1.一种方法,该方法包括:(a)提供浓集剂,所述浓集剂包含在其表面的至少一部分上带有表面处理的硅藻土,所述表面处理包括表面修饰剂,所述表面修饰剂包括二氧化钛、微细纳米级金或铂,或它们的组合;(b)提供包含至少一种微生物菌株的样品;以及(c)使所述浓集剂与所述样品接触,使得至少一部分所述至少一种微生物菌株与所述浓集剂结合或被所述浓集剂捕集。
2.根据权利要求1所述的方法,其中所述方法还包括检测至少一种结合的微生物菌株的存在。
3.根据权利要求1所述的方法,其中所述浓集剂是粒状浓集剂。
4.根据权利要求1所述的方法,其中所述表面修饰剂选自微细纳米级金、微细纳米级铂、微细纳米级金与至少一种金属氧化物的组合、二氧化钛、二氧化钛与至少一种其它金属氧化物的组合,以及它们的组合。
5.根据权利要求4所述的方法,其中所述金属氧化物选自氧化铁、二氧化钛、氧化锌、氧化铝以及它们的组合。
6.根据权利要求4所述的方法,其中所述表面修饰剂选自微细纳米级金、微细纳米级铂、微细纳米级金与至少氧化铁或二氧化钛的组合、二氧化钛、二氧化钛与至少氧化铁的组合,以及它们的组合。
7.根据权利要求6所述的方法,其中所述表面修饰剂选自微细纳米级金、微细纳米级铂、微细纳米级金与氧化铁或二氧化钛的组合、二氧化钛、二氧化钛与氧化铁的组合,以及它们的组合。
8.根据权利要求7所述的方法,其中所述表面修饰剂选自微细纳米级金、微细纳米级金与氧化铁或二氧化钛的组合、二氧化钛与氧化铁的组合,以及它们的组合。
9.根据权利要求8所述的方法,其中所述表面修饰剂选自微细纳米级金、微细纳米级金与氧化铁或二氧化钛的组合,以及它们的组合。
10.根据权利要求1所述的方法,其中所述样品是流体形式。
11.根据权利要求1所述的方法,其中所述微生物菌株选自如下物质的菌株:细菌、真菌、酵母菌、原生动物、病毒、细菌内生孢子以及它们的组合。
12.根据权利要求11所述的方法,其中所述微生物菌株选自如下物质的菌株:细菌、酵母菌、病毒、细菌内生孢子以及它们的组合。
13.根据权利要求1所述的方法,其中所述接触是通过将所述浓集剂与所述样品混合来进行。
14.根据权利要求2所述的方法,其中所述检测是通过选自以下的方法进行的:基于培养的方法、显微镜法和其它成像方法、基因检测方法、免疫检测方法、基于生物发光的检测方法以及它们的组合。
15.根据权利要求1所述的方法,其中所述方法还包括离析所得的结合了微生物的浓集剂。
16.根据权利要求15所述的方法,其中所述离析是通过选自重力沉降、离心、过滤以及它们的组合的方法来实现。
17.根据权利要求16所述的方法,其中所述离析至少部分是通过重力沉降来实现。
18.根据权利要求15所述的方法,其中所述方法还包括将所述所得的离析的浓集剂与所述样品分离。
19.一种方法,该方法包括:(a)提供浓集剂,所述浓集剂包含在其表面的至少一部分上带有表面处理的硅藻土,所述表面处理包括表面修饰剂,所述表面修饰剂选自微细纳米级金、微细纳米级铂、微细纳米级金与氧化铁或二氧化钛的组合、二氧化钛、二氧化钛与氧化铁的组合,以及它们的组合;(b)提供包含至少一种微生物菌株的样品,所述微生物选自细菌、酵母菌、病毒、细菌内生孢子以及它们的组合;以及(c)使所述浓集剂与所述样品接触,使得至少一部分所述至少一种微生物菌株与所述浓集剂结合或被所述浓集剂捕集。
20.根据权利要求19所述的方法,其中所述方法还包括检测至少一种结合的微生物菌株的存在。
21.根据权利要求19所述的方法,其中所述浓集剂包括微粒,所述样品是流体形式,并且所述接触是通过将所述浓集剂与所述样品混合来进行的。
22.根据权利要求21所述的方法,其中所述方法还包括至少部分通过重力沉降来离析所得的结合了微生物的浓集剂。
23.根据权利要求19所述的方法,其中所述表面修饰剂选自微细纳米级金、微细纳米级金与氧化铁或二氧化钛的组合、二氧化钛与氧化铁的组合,以及它们的组合。
24.根据权利要求23所述的方法,其中所述表面修饰剂选自微细纳米级金、微细纳米级金与氧化铁或二氧化钛的组合,以及它们的组合。
25.一种试剂盒,其包括:(a)浓集剂,所述浓集剂包含在其表面的至少一部分上带有表面处理的硅藻土,所述表面处理包括表面修饰剂,所述表面修饰剂包括二氧化钛、微细纳米级金或铂,或它们的组合;和(b)用于实施权利要求1所述的方法的检测容器。
26.根据权利要求25所述的试剂盒,其中所述表面修饰剂选自微细纳米级金、微细纳米级铂、微细纳米级金与氧化铁或二氧化钛的组合、二氧化钛、二氧化钛与氧化铁的组合,以及它们的组合。
27.根据权利要求25所述的试剂盒,其中所述试剂盒还包括至少一种选自以下的组分:微生物培养基、裂解试剂、缓冲剂、基因检测分析组分、生物发光检测分析组件、用于实施所述方法的说明书以及它们的组合。
28.根据权利要求25所述的试剂盒,其中所述浓集剂是颗粒形式,所述检测容器是无菌且一次性的,所述检测容器装有所述浓集剂,且所述试剂盒还包括关于将所述浓集剂用于实施所述方法的说明书。
29.根据权利要求25所述的试剂盒,其中所述试剂盒包括处于至少一个撕开式密封袋中的至少一个预量出的等份的颗粒形式的所述浓集剂。
30.一种浓集剂,所述浓集剂位于粒状载体上,所述粒状载体选自硅藻土、金属氧化物修饰的硅藻土以及它们的组合,所述浓集剂包括二氧化钛、微细纳米级金或铂或它们的组合。
31.一种用于制备浓集剂的方法,该方法包括:(a)提供粒状载体,所述粒状载体选自硅藻土、金属氧化物修饰的硅藻土以及它们的组合;和(b)通过物理气相沉积将微细纳米级金或铂沉积于所述载体上。
32.一种用于制备浓集剂的方法,所述方法包括:(a)提供粒状载体,所述粒状载体选自硅藻土、金属氧化物修饰的硅藻土以及它们的组合;(b)提供可水解的二氧化钛前体化合物;(c)将所述载体和所述化合物组合;以及(d)水解所述化合物,使得将二氧化钛沉积于所述载体上。
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