Field-Deployable Immuno-Solid-Phase Microextraction Coupled with Photothermal Imaging for Rapid Pathogen Surveillance in Environmental and Clinical Matrices

化学 光热治疗 纳米技术 病菌 色谱法 样品制备 微流控 复矩阵 生物传感器 表面等离子共振 光学传感 检出限 光热光谱学 光热效应 化学发光 光纤 样品(材料) 高分辨率
作者
Chunpeng Jiao,Xiang Li,Zhuoran Zhang,Yanfang Wu,Xuqian Ren,Janusz Pawliszyn,Jingbin Zeng
出处
期刊:Analytical Chemistry [American Chemical Society]
卷期号:97 (37): 20602-20610 被引量:1
标识
DOI:10.1021/acs.analchem.5c04380
摘要

Rapid, sensitive, and portable pathogen detection is critical for infectious disease control and environmental public health surveillance but remains constrained by conventional methods requiring laborious sample pretreatment and bulky instrumentation. We rationally integrate immunosolid-phase microextraction (iSPME) with portable photothermal imaging (PI), enabling rapid, on-site pathogen detection in complex matrices. This platform combines two innovations: (1) antibody-functionalized SPME fibers with fibrous SiO2 microspheres (342.76 m2/g surface area) engineered via CTAB-templated synthesis, enabling rapid (15 min) and high-efficiency pathogen capture (73.7-98.9% recovery) through covalent antibody immobilization on carboxylated surfaces; (2) NIR-responsive plasmonic Aushell nanoprobes optimized via Ag/Au redox etching, achieving a red-shifted LSPR peak at 798 nm and a 57.1% photothermal conversion efficiency for interference-free signal transduction. The iSPME-PI platform eliminates sample transfer steps by forming a sandwich immunocomplex directly on the fiber, enabling spatially resolved photothermal quantification under an 808 nm laser excitation. It delivers ultralow detection limits (74.8 pg/mL SARS-CoV-2 N, 68.5 pg/mL Flu A NP) and robust performance in saliva, milk, and sewage (RSD < 8.3%). Clinical samples showed 100% concordance for SARS-CoV-2. Furthermore, wastewater monitoring using the iSPME-PI platform accurately tracked influenza A outbreaks in real time, demonstrating its potential for environmental biosurveillance and early warning systems.
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