蒲小平,楊海麟,周楠迪*
(江南大學生物工程學院,工業(yè)生物技術(shù)教育部重點實驗室,江蘇 無錫 214122)
基于生物條形碼探針和金納米顆粒的大腸桿菌O157:H7檢測
蒲小平,楊海麟,周楠迪*
(江南大學生物工程學院,工業(yè)生物技術(shù)教育部重點實驗室,江蘇 無錫 214122)
建立一種基于生物條形碼探針和金納米顆粒(gold nanoparticles,AuNPs)對致病性大腸桿菌O157:H7檢測的新方法。用生物功能化的磁性納米顆粒(magnetic nanoparticles,MNPs)和AuNPs與目標物大腸桿菌O157:H7進行免疫反應,形成MNPs/目標物/AuNPs“三明治”式復合體。利用去雜交將AuNPs上標記的條形碼DNA釋放出來,通過DNA探針雜交條形碼DNA引起AuNPs顏色變化來確定大腸桿菌O157:H7的存在,這種顏色變化很容易用裸眼觀察到并且可以通過紫外-可見吸收光譜定量分析,該方法在純樣品和牛奶中最低檢測限為102CFU/mL,檢測范圍為102~106CFU/mL。應用基于生物條形碼探針和AuNPs對大腸桿菌O157:H7檢測具有準確、快速、操作簡單的優(yōu)點,為食品安全監(jiān)測提供了新的方法。
磁性納米顆粒;金納米顆粒;生物條形碼;紫外-可見分光光度法;大腸桿菌O157:H7
大腸桿菌O157:H7(E. coli O157:H7)是腸出血性大腸桿菌的一個主要菌型,自1982年在美國首次被分離并確認為食物中毒新型致病菌以來[1],此菌在世界范圍內(nèi)發(fā)生過多次暴發(fā),并造成嚴重危害。食用被該菌污染的食物可導致人類腹瀉、出血性腸炎,并可繼發(fā)溶血性尿毒綜合征(haemolytic uraemic syndrome,HUS)、血栓性血小板減少性紫癜(thrombotic thrombocytopenic purpura,TTP)等嚴重的并發(fā)癥[2]。因此,該菌引起了各國食品安全管理機構(gòu)的高度關注。目前,食品中大腸桿菌O157:H7的檢測主要依靠常規(guī)的細菌學培養(yǎng)方法、PCR、ELISA,但這些方法存在操作繁瑣,檢測周期長,并且受樣品復雜成分的影響等弊端,極大地限制了在食品行業(yè)中對該菌污染的有效監(jiān)控[3-5]。因此,建立一種簡單、快速、準確、靈敏的檢測方法十分必要。
生物功能化的磁性納米顆粒(magnetic nanoparticles,MNPs)能夠利用MNPs表面抗體特異性吸附需檢測的致病菌,并利用磁場對致病菌進行富集,從而可以實現(xiàn)對致病菌的快速分離[6-8]。另外,生物條形碼檢測(bio-bar codes assay,BCA)可實現(xiàn)對檢測物的間接放大,被廣泛應用于對DNA[9]和蛋白質(zhì)[10-12]的高靈敏檢測。然而,目前的生物條形碼檢測需要對條形碼DNA進行PCR擴增,對擴增后的條形碼進行電泳或者芯片檢測,因此檢測依賴昂貴的設備,限制了該方法在實際中的應用。金納米顆粒(gold nanoparticles,AuNPs)由于易于制備和修飾,具有獨特的理化性質(zhì)和優(yōu)良的生物相容性而成為生物診斷中最熱門的材料,因此被廣泛使用[13-14]。Mirkin等[15]報道了巰基修飾的單鏈DNA標記的AuNPs在DNA的交聯(lián)作用下發(fā)生聚集現(xiàn)象,AuNPs的聚集很容易直接觀察到并且可以用紫外-可見吸收光譜、透射式電鏡等進行表征,這一原理報道以來已被應用于對生物分子的檢測[16-17]。
本研究以大腸桿菌O157:H7為檢測對象,通過制備生物功能化的MNPs和AuNPs,利用條形碼DNA識別互補序列和AuNPs的凝聚變色效應,設計一種新型的對大腸桿菌O157:H7檢測方法。如圖1所示,當大腸桿菌O157:H7存在時,形成MNPs/目標物/AuNPs“三明治”式復合體,利用磁場將其從溶液中分離出來,利用去雜交將AuNPs上標記的條形碼DNA釋放出來,條形碼DNA作為AuNPs之間的橋梁,會引起AuNPs聚集,聚集引起的顏色變化很容易用裸眼觀察到并且可以通過紫外-可見吸收光譜定量分析,從而建立一種簡單、快速、準確、靈敏的基于生物條形碼探針和AuNPs的檢測方法。
圖1 基于生物條形碼探針和AuNPs的大腸桿菌O157:H7檢測方法Fig.1 Detection of E. coli O157:H7 based on bio-bar codes probes and AuNPs.
1.1 材料與試劑
鮮牛奶 伊利集團。
氯金酸(HAuCl4) 上海久岳化工有限責任公司;大腸桿菌O157:H7單克隆抗體和多克隆抗體 寧波良瑞生物技術(shù)公司;牛血清蛋白(BSA) 上海麗珠東風生物技術(shù)有限公司;DNA由上海賽百盛基因技術(shù)有限公司人工合成,烷基硫醇修飾的條形碼D N A捕捉鏈:5'-CATCTACACTCTTCACATCGAGAGTTGCAACTGTCTGAGTA10-(CH2)3-SH-3',條形碼DNA鏈:5'-ACTCAGACAGTT GCAACTCTCGATGTGAAGAGTGTAGATG-3', A探針鏈:5'-AGAGTTGCAACTGTCTGAGT-A10-SH-3',B探針鏈:5'-SH-A10-CATCTACACTCTTCACATCG-3'。其他化學試劑均為分析純;實驗用水為滅菌超純水。
1.2 菌株
大腸桿菌O157:H7、O111、沙門氏菌、枯草芽孢桿菌由本實驗室保存,并通過生化試驗和血清學方法鑒定;大腸桿菌O86(CVCC 3368) 國家獸醫(yī)微生物保藏中心。
1.3 儀器與設備
UV-3000紫外分光光度計、透射電子顯微鏡 日本Hitachi有限公司。
1.4 方法
1.4.1 生物功能化的金納米顆粒制備
通過氯金酸還原檸檬酸三鈉制備AuNPs[18-19],并通過紫外-可見吸收光譜以及TEM表征。取1mL 10nmol/L AuNPs溶液,用K2CO3調(diào)pH值至9,加入10μg大腸桿菌 O157:H7多克隆抗體。20min后,將多克隆抗體修飾的納米顆粒與烷基硫醇修飾的條形碼DNA捕捉鏈(終濃度為2μmol/L)反應12h,然后在0.1mol/L NaCl溶液、0.01mol/L PBS(pH7.0)中鹽穩(wěn)定。接著,該溶液用1mL 10g/100mL BSA溶液處理20 min以鈍化和穩(wěn)定AuNPs。最終溶液在4℃條件14000r/min離心25min,去掉上清液,重復操作2次。然后將大腸桿菌O157: H7特異性的條形碼DNA鏈(終濃度為3μmol/L)與連接到納米顆粒上的條形碼DNA捕捉鏈雜交并使用相同的離心方法純化。
1.4.2 生物功能化的磁性Fe3O4納米顆粒的制備
1.4.2.1 磁性Fe3O4納米顆粒的合成和表面修飾
按照Chang等[20]方法制備MNPs,并用TEM鑒定粒徑。MNPs表面的修飾是采用3-氨丙基三乙氧基硅烷(A P T E S),通過硅烷化反應以化學鍵的方式結(jié)合MNPs,獲得表面氨基化的MNPs,具體步驟是取3g制得的MN Ps溶于90 mL蒸餾水中,為了更好的分散MNPs,需將該溶液進一步超聲30min,然后轉(zhuǎn)入到三頸燒瓶中氬氣保護,大約滴加10mL APTES到以上混合溶液中,繼而在120℃攪拌反應3h,反應結(jié)束后,產(chǎn)物通過磁分離,用去離子水洗滌3次,70℃真空干燥過夜得到氨基化修飾的磁性MNPs。
1.4.2.2 磁性Fe3O4納米顆粒表面氨基的活化和抗體偶聯(lián)
稱取經(jīng)氨基修飾過的MNPs 10mg重懸于0.5mL濃度為0.1mol/L PBS(pH7.4)中并超聲5min,然后加入1.5mL的體積分數(shù)8%的戊二醛溶液(該溶液由25%戊二醛與PBS配制而成),室溫振蕩反應7h(反應避光,以避免戊二醛自身發(fā)生聚合)。磁性分離,用PBS清洗納米顆粒3~5遍,重新懸于5mL PBS溶液中,即生成活化的MNPs。取1mL活化的MNPs,加入大腸桿菌O157:H7單克隆抗體0.5mg,室溫攪拌反應4h,磁性分離,吸取上清至另一試管中;用PBS洗滌3~5遍,以去除未結(jié)合的游離抗體,回收洗滌液,并把它與上述反應后的上清液進行匯合,備測蛋白濃度。向偶聯(lián)后的MNPs加過量1g/100mL BSA溶液,室溫反應2h,以封閉未結(jié)合抗體的游離醛基,即制備出生物功能化的MNPs,以紫外-可見吸收光譜比較抗體與MNPs偶聯(lián)前后在280nm波長處的吸光度測定偶聯(lián)效率。
1.4.3 探針修飾的金納米顆粒的制備
按照Mirkin等[21]所述方法稍加改進。82.5μg巰基修飾的A和B探針鏈分別溶解于100μL去離子水,然后加入到900μL 17nmol/L AuNPs溶液中,使A、B探針的終濃度達到3.70μmol/L,室溫放置16h,加入含0.1mol/L NaCl的0.01mol/L PBS(pH7.0),在13000r/min轉(zhuǎn)速下離心20min,棄上清液,向油狀沉淀中加入0.1mol/L NaCl溶液、0.01mol/L PBS重懸紅色油狀沉淀,在13000r/min轉(zhuǎn)速下離心20min,移去上層清液,加1mL 0.3mol/L NaCl、0.01mol/L PBS(pH7.0)重懸沉淀,置4℃儲存?zhèn)溆谩?/p>
1.4.4 大腸桿菌O157:H7樣品的制備
將大腸桿菌O157:H7接種到LB液體培養(yǎng)基中,37℃過夜培養(yǎng)進行增菌。接著將增菌液分裝于兩個離心管,在25℃條件5800r/min離心分離10min。用PBS清新3次,加PBS(pH7.4)重新懸浮沉淀。然后測定在600nm波長處的吸光度,估計其菌數(shù),然后按10倍梯度稀釋,并在山梨醇-麥康凱瓊脂培養(yǎng)基上進行平板菌落計數(shù)確認,重復3次,取平均值確定其菌液菌落數(shù)。
1.4.5 基于生物條形碼探針和金納米顆粒檢測方法的建立
將50μL功能化的MNPs(5mg/mL)加入到200μL不同濃度的大腸桿菌O157:H7溶液中,于37℃振蕩25min;加入磁場固定MNPs,用PB S溶液反復沖洗;加入10nmol/L功能化的AuNPs 50μL,于37℃劇烈振蕩30min,形成MNPs/目標物/AuNPs“三明治”式復合體;加上磁場分離“三明治”式復合體;用1 0 0μL PBS溶液反復沖洗4次,除去未連接的AuNPs;加入5 0μL超純水到”三明治“結(jié)構(gòu)中,6 0℃劇烈振蕩30min,使條形碼DNA去雜交?!比髦巍皬秃衔锉淮判苑蛛x,收集上清液,內(nèi)含條形碼DNA,用探針修飾的AuNPs進行檢測。
取上述條形碼DNA溶液50μL,向其中加入探針(A和B)修飾的AuNPs各100μL,混勻后95℃變性5min,55℃雜交2h后觀察顏色變化和紫外-可見吸收光譜定量分析。
2.1 生物功能化的金納米顆粒表征
按照實驗方法制備的AuNPs的紫外-可見吸收光譜,其最大吸收波長為520nm(圖2a),TEM觀察AuNPs平均粒徑為13nm,大小均勻,分散性良好??贵w修飾到AuNPs表面后,相比未修飾的AuNPs的紫外-可見吸收峰有4nm的紅移(圖2b)。而抗體和條形碼DNA共同修飾的AuNPs的紫外-可見吸收峰在527nm,紅移3nm (圖2c),按照熒光測定方法[22]測定AuNPs表面連接DNA的數(shù)量大約為100。
圖2 未修飾AuNPs (a)、抗體修飾AuNPs (b)、抗體和DNA雙修飾AuNPs (c)的紫外可見吸收光譜圖Fig.2 UV-visible spectra of un-modified AuNPs (curve a), antibodymodified AuNPs (curve b), and antibody and DNA modified AuNPs (curve c)
2.2 生物功能化磁性Fe3O4納米顆粒表面抗體偶聯(lián)效率測定
按照實驗方法制備的MNPs平均粒徑為(27±4)nm,通過紫外-可見吸收光譜比較抗體與MNPs偶聯(lián)前后在280nm波長處的吸光度測定抗體偶聯(lián)效率為83.85%。
2.3 大腸桿菌O157:H7標準樣品檢測結(jié)果
利用基于生物條形碼探針和AuNPs的方法檢測大腸桿菌O157:H7,當目標微生物大腸桿菌O157:H7存在時(105CFU/mL),AuNPs標記的條形碼DNA釋放出來,識別帶有互補序列的探針修飾的AuNPs,并使AuNPs相互交聯(lián),形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的超分子聚集體,體系顏色由紅色變?yōu)樽仙蛘咚{色,在525nm波長處吸收顯著降低;相反,當目標微生物不存在時,無條形碼DNA釋放出來,AuNPs不會發(fā)生聚集,體系顏色保持紅色不變,在525nm波長處最大吸收峰無變化(圖3),所以根據(jù)探針修飾AuNPs聚集顏色的變化可以檢測大腸桿菌O157:H7。
圖3 大腸桿菌O157:H7的檢測結(jié)果Fig.3 Detection of E. coli O157:H7
利用基于生物條形碼探針和AuNPs的方法對不同濃度的大腸桿菌O157:H7進行檢測,不含菌的試樣液為空白對照,觀察體系顏色變化和測定在520nm波長處的吸光度。結(jié)果顯示當菌落數(shù)低于102CFU/mL時,體系的顏色無明顯變化,隨著大腸桿菌O157:H7菌落數(shù)的遞增,體系的聚集現(xiàn)象就越明顯(圖4A);而吸光度的檢測同樣表明菌落數(shù)低于102CFU/mL時,吸光度基本沒有明顯差異(圖4B),此后隨著菌落數(shù)的增大,AuNPs的吸光度出現(xiàn)明顯的下降,當菌落數(shù)增加到107CFU/mL時,吸光度已無明顯變化(圖4B)。因此利用光譜法檢測大腸桿菌O157:H7,最低檢測限為102CFU/mL,檢測范圍為102~106CFU/mL。
圖4 不同菌落數(shù)的大腸桿菌O157:H7檢測結(jié)果Fig.4 Detection of E. coli O157:H7 samples with different Log numbers
用大腸桿菌O86、O111、沙門氏菌、枯草芽孢桿菌進行特異性實驗,方法同檢測大腸桿菌O157:H7,只是培養(yǎng)基改為適合被檢測菌生長的培養(yǎng)基,菌落數(shù)為105CFU/mL。AuNPs聚集和吸光度測定結(jié)果(圖5)表明除大腸桿菌O157:H7出現(xiàn)很好的陽性結(jié)果外,其他細菌檢測均呈陰性。因此,基于生物條形碼探針和AuNPs的方法對大腸桿菌O157:H7檢測具有很好的特異性。
圖5 大腸桿菌O157:H7特異性檢測結(jié)果Fig.5 Specificity of detection for E. coli O157:H7
2.4 對人工污染牛奶檢測結(jié)果
為了考察本方法檢測效果,制備了大腸桿菌O157: H7污染牛奶樣本,將不同菌落數(shù)的大腸桿菌O157:H7菌液人工污染到牛奶中,污染菌落數(shù)分別為10、102、103、104、105、106、107CFU/mL。檢測結(jié)果如圖6所示,表明在人工污染牛奶中能檢測到102CFU/mL的細菌,檢測范圍為102~106CFU/mL。
本研究制備的生物功能化的MNPs具有比表面積大的特點,當顆粒表面被微生物特異性抗體連接后,能夠快速、高效、特異性分離大腸桿菌O157:H7,而生物功能化的AuNPs攜帶有大量的生物條形碼,可對標檢目標物間接放大,利用生物條形碼與互補DNA探針液相雜交,使AuNPs聚集形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的超分子聚集體,體系顏色由紅色變?yōu)樽仙蛘咚{色,這種顏色變化很容易用裸眼觀察到并且可以通過紫外-可見吸收光譜進行定量分析,對純樣品和人工污染的牛奶檢測最低限為102CFU/mL,檢測范圍為102~106CFU/mL,該方法不受樣品復雜成分的影響,因此,本實驗建立的基于生物條形碼探針和AuNPs的檢測方法具有簡便、快速、準確、可靠等優(yōu)點,為食源性病原微生物的鑒定和診斷提供了一種新方法。與其他病原微生物檢測技術(shù)相比,該技術(shù)具有非常顯著的特點,首先可以針對不同的病原微生物設計不同長度和序列的條形碼DNA,可同時對食品中的多種病原微生物進行分析;其次檢測范圍廣,只要能夠獲得被檢物的單抗和多抗,就可對其進行檢測,這使得該技術(shù)在檢測一些不適宜用PCR技術(shù)檢測的病原微生物時具有很大的優(yōu)勢;再次是結(jié)果準確、易于判讀,根據(jù)AuNPs的顏色變化,利用裸眼和紫外-可見吸收光譜就可以進行定性定量分析。該技術(shù)也存在一定的缺點,如其特異性取決于檢測系統(tǒng)使用的單克隆抗體的特異性,而目前商品化的單克隆抗體費用相對較高,會影響該技術(shù)在實際檢測中的應用??傮w而言,利用該方法有望制備出檢測試劑盒產(chǎn)品,在食源性病原微生物檢測中推廣使用,但為了實現(xiàn)這個目標還有很多工作要做。
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Detection of Escherichia coli O157:H7 Based on Bio-Bar Codes Probes and Gold Nanoparticles
PU Xiao-ping,YANG Hai-lin,ZHOU Nan-di*
(Key Laboratory of Industrial Biotechnology, Ministry of Education, School of Biotechnology, Jiangnan University, Wuxi 214122, China)
A novel assay was developed for the detection of Escherichia coli O157:H7 (E. coli O157:H7) based on bio-bar DNA and gold nanoparticles (AuNPs). The immune reaction between the target and antibodies modified on biofunctionalized magnetic nanoparticles (MNPs) or AuNPs leads to the formation of a sandwich structure of MNPs/target/AuNPs, followed by dehybridization and release of bio-bar DNA. Due to its ability to hybridize with probe ssDNAs modified on AuNPs, bio-bar DNA could lead to aggregation and color change of AuNPs, which is readily visible with naked eyes, and can be quantified by UV-visible spectroscopy as well. The proposed method had a detection limit of about 102CFU/mL in both pure broth culture and milk with a detection range of 102-106CFU/mL. With the aid of bio-bar DNA and AuNPs, detection of E. coli O157: H7 in food is accurate, fast, and easy-operated, which may provide a new tool for food safety monitoring.
magnetic nanoparticles;gold nanoparticles;bio-bar codes;UV-visible spectroscopy;E. coli O157:H7
R446.5
A
1002-6630(2011)08-0177-05
2010-06-29
國家自然科學基金青年項目(20805020);教育部科學技術(shù)研究重點項目(109079);食品科學與技術(shù)國家重點實驗室開放課題(SKLF-KF-200809)
蒲小平(1984—),男,碩士研究生,研究方向為食品安全及檢測。E-mail:puxiaoping2008@qq.com
*通信作者:周楠迪(1974—),男,副教授,博士,研究方向為生物分析與檢測。E-mail:zhounandi@jiangnan.edu.cn