Design of Multifunctional Nanodiamond and its Application in Bacteria Detection and Phototoxicity

[[abstract]]本論文設計出一種具有多功能奈米鑽石平台，不僅具有與細菌的高親合性、螢光又兼具磁性，經多功能奈米鑽石將細菌經濃縮及磁性分離後，結合基質輔助雷射脫附游離飛行時間質譜儀（MALDI-TOF MS）分析，可以快速鑑定出細菌的種類，並可藉由共聚焦顯微鏡觀察其細菌與多功能奈米結合物的螢光影像，此外材料也具有光催化殺菌效果，能有效的抑制細菌的活性。 在2013年時，Kaiyang Lim等人，設計出富含精胺酸及酪胺酸的複合胜肽（CWFWKWWRRRRR-NH2）1，藉由精胺酸上帶正電的胍基團，能與革蘭氏陰性菌與革蘭氏陽性菌表面帶負電的膜結構間產生靜電吸引力互相吸引，更重要的是精胺酸能克服鹽類所產生的誘導遮蔽效應，提高胜肽與細菌表面的帶負電膜結構吸引效果2， 藉此可提高抗菌胜肽之抗菌能力。於是我們將聚精胺酸修飾在螢光奈米鑽石表面，並利用聚精胺酸螢光奈米鑽石（PA-FND）作為載體，藉由聚精胺酸與二氧化鈦和四氧化三鐵間產生氫鍵作用力及庫倫吸引力，使兩種金屬氧化物能夠吸附於PA-FND表面。依據此原理，設計此多功能性的奈米鑽石平台（TiO2/Fe3O4/PAND)，據有吸附細菌、螢光、磁性分離、光催化抗菌及鑑定細菌等功能。 本篇在第一部分，經由多功能鑽石將水溶液中的大腸桿菌濃縮，並藉由磁性分離後，利用大腸桿菌與多功能奈米鑽石之螢光共影像觀察到，證明多功能性鑽石確實能夠與大腸桿菌緊密結合並吸附於桿菌表面，此特性可應用於螢光標記細菌表面，作為一個對細菌具高親和性的螢光奈米探針。 第二部分透過多功能奈米鑽石吸附細菌的特性，濃縮溶液中的大腸桿菌，以MALDI-TOF MS分析，能夠獲得大腸桿菌細菌中內含的特徵蛋白質分子質譜圖資訊，實驗結果經多功能性鑽石濃縮與純化後，特徵蛋白質分子質譜訊號強度能夠顯著的提升，對於大腸桿菌數量的偵測極限最低可測到104 個大腸桿菌及偵測濃度極限量最低可測到104 CFU/mL。此外我們也將大腸桿菌添加於真實樣品中，驗證在複雜環境基質中，多功能奈米鑽石能對大腸桿菌具有快速偵測及菌種鑑定的效果，至於更複雜的樣品仍須克服環境基質干擾。 第三部分，比較添加二氧化鈦與多功能奈米鑽石於細菌溶液中，經紫外光燈（UV lamp; λmax 356 nm; 0.1 mW/cm2）照射30分鐘後，塗盤培養隔夜算得兩者存活率，本實驗測試只有大腸桿菌的水溶液中，透過低功率的紫外光照射並無法降低細菌存活率，而二氧化鈦經過光催化後大腸桿菌存活率約80%，但經過多功能奈米鑽石光催化後大腸桿菌存活率下降至6.2%，實驗證實細菌溶液中添加多功能奈米鑽石能夠具有更優良的抗菌效果。 期望未來能將本多功能性鑽石不僅能夠結合MALDI-TOF MS快速地進行細菌篩檢，並且有機會能運用於臨床醫學的檢驗上。[[abstract]]Multifunctional nanodiamonds (mf-NDs) have been synthesized and applied as a novel analytical platform for bacteria identification and disinfection. Fluorescent nanodiamonds (f-NDs) were surface-functionalized with polyarginine (PA) to generate polymeric brushes, which allow for specific recognition of bacteria and for accommodation of Fe3O4 and TiO2 nanoparticles for magnetic separation and photokilling of bacteria. The mf-NDs were successfully applied for efficient magnetic removal of bacteria from solution. The bacterial-ND pellets were readily subjected to bacterial disinfection by UV irradiation, to bacteria strain identification by MADLIT-TOF MS, or to bacteria imaging by fluorescent microscopy. Confocal microscopy images revealed mf-NDs bound to the surface of Escherichia coli (E.coli) cells and promoted cell aggregation, which serve as a robust and bright fluorescent readout of bacteria. The time required for efficient isolation and identification of bacteria by MALDI-TOF MS can be completed in less than 1 hour using a bacterial ribosomal protein database. The mf-NDs-Bacteria conjugates were further characterized by MALDI-TOF MS analysis for rapid and accurate identification of bacterial species. Survival analysis showed that mf-NDs exhibited superior antibacterial capability than pristine TiO2 NPs again E. coil cells under UV irradiation.[[note]]碩