Advances in Bacterial Detection Based on Raman Spectroscopy †

doi:10.7503/cjcu20190684

Abstract

Abstract:

Bacteria is a kind of microorganism that is closely related to human activities, and its rapid and highly sensitive detection is very important for the prevention and control of major infectious diseases. In this paper, the basic principle of Raman spectroscopy for bacterial detection is introduced, and three main methods of Raman spectroscopy for bacterial detection, including bacterial composition detection, bacterial metabolites detection and Raman probe labeling based detection mode, are reviewed and compared. Finally, the development prospect of Raman spectroscopy in the field of bacterial detection was prospected, and five suggestions were put forward.

Key words: Raman spectroscopy, Bacterial detection, Surface-enhanced Raman spectroscopy

CLC Number:

O651

TrendMD:

LI Wenshuai, WU Guorui, ZHANG Xijing, YUE Aiqin, DU Weijun, ZHAO Jinzhong, LIU Dingbin. Advances in Bacterial Detection Based on Raman Spectroscopy ^†[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2020, 41(5): 872.

Figures/Tables 13

References 88

[1]	Kuramochi H., Takeuchi S., Yonezawa K., Kamikubo H., Kataoka M., Tahara T., Nat. Chem, 2017,9(7), 660—666 doi: 10.1038/nchem.2717 URL pmid: 28644485
[2]	Bergholt M. S., Albro M. B., Stevens M. M., Biomaterials., 2017,140(3), 128—137 doi: 10.1016/j.biomaterials.2017.06.015 URL
[3]	Grousd J. A., Rich H. E., Alcorn J. F., Clin. Microbiol. Rev., 2019,32(3), 99—103
[4]	Tsalik E. L., Bonomo R. A., Fowler V. G., Annu. Rev. Med., 2018,69(4), 379—394
[5]	Piano S., Bartoletti M., Tonon M., Baldassarre M., Chies G., Romano A., Viale P., Vettore E., Domenicali M., Stanco M., Pilutti C., Frigo A. C., Brocca A., Bernardi M., Caraceni P., Angeli P., Gut, 2018,67(10), 1892—1899 doi: 10.1136/gutjnl-2017-314324 URL pmid: 28860348
[6]	Pang X., Xiao Q., Cheng Y., Ren E., Lian L., Zhang Y., Gao H., Wang X., Leung W., Chen X., Liu G., Xu C ., ACS Nano., 2019,13(2), 2427—2438 doi: 10.1021/acsnano.8b09336 URL pmid: 30657302
[7]	Opilik L., Schmid T., Zenobi R., Annu. Rev. Anal. Chem., 2013,6(1), 379—398
[8]	Fleischmann M., Hendra P. J., Mcquillan A. J., Chem. Phys. Lett., 1974,26(2), 163—166
[9]	Galvan D. D., Yu Q., Adv. Healthc. Mater., 2018,7(13), 36—63
[10]	Wang J. C., Lin W. H., Cao E., Xu X. F., Liang W. J., Zhang X. F., Sensors-Basel., 2017,17(12), 2719—2738
[11]	Kumar N., Weckhuysen B. M., Wain A. J., Pollard A. J., Nat. Protoc., 2019,14(4), 1169—1193 doi: 10.1038/s41596-019-0132-z URL pmid: 30911174
[12]	Yilmaz M., Babur E., Ozdemir M., Gieseking R. L., Dede Y., Tamer U., Schatz G. C., Facchetti A., Usta H., Demirel G., Nat. Mater., 2017,16(9), 918—924 doi: 10.1038/nmat4957 URL pmid: 28783157
[13]	Kühn M., Ivleva N. P., Klitzke S., Niessner R., Baumann T., Sci. Total. Environ., 2015,535(5), 122—130
[14]	Georgiou R., Gueriau P., Sahle C. J., Bernard S., Mirone A., Garrouste R., Bergmann U., Rueff J. P., Bertrand L., Sci. Adv., 2019,5(8), 496—502
[15]	Jiang Z., Gao P., Yang L., Huang C., Li Y., Anal. Chem, 2015,87(24), 12177—12182 doi: 10.1021/acs.analchem.5b03058 URL pmid: 26575213
[16]	Chen Z., Jiang S., Kang G., Nguyen D., Schatz G. C., Duyne R. P., J. Am. Chem. Soc., 2019,141(39), 15684—15692 doi: 10.1021/jacs.9b07979 URL pmid: 31503482
[17]	Pakapongpan S., Poo-Arporn R. P., Mat. Sci. End. C-Mater., 2017,76(5), 398—405
[18]	Keidel A., López I., Staffa J., Kuhlmann U., Bozoglian F., Gimbert-Suriñach C., Benet-Buchholz J., Hildebrandt P., Llobet A ., ChemSusChem, 2017,10(3), 551—561 doi: 10.1002/cssc.201601221 URL pmid: 27863077
[19]	Schorr N. B., Jiang A. G., Rodríguez-López J., Anal. Chem., 2018,90(13), 7848—7854 doi: 10.1021/acs.analchem.8b00730 URL pmid: 29701059
[20]	Li J. F., Zhang Y. J., Rudnev A. V., Anema J. R., Li S. B., Hong W. J., Rajapandiyan P., Lipkowski J., Wandlowski T., Tian Z. Q., J. Am. Chem. Soc., 2015,137(6), 2400—2408 doi: 10.1021/ja513263j URL pmid: 25625429
[21]	Wang W., Shao F., Kröger M., Zenobi R., Schlüter A. D., J. Am. Chem. Soc., 2019,141(25), 9867—9871 doi: 10.1021/jacs.9b01765 URL pmid: 31244135
[22]	Bryce D. A., Kitt J. P., Harris J. M., Anal. Chem., 2018,90(19), 11509—11516 doi: 10.1021/acs.analchem.8b02791 URL pmid: 30175578
[23]	Zhang C., Li J., Lan L., Cheng J. X., Anal. Chem., 2017,89(8), 4502—4507 doi: 10.1021/acs.analchem.6b04699 URL pmid: 28345862
[24]	Vogel H., Wright J. K., Jähnig F., Embo J., 1985,4(13), 3625—3631 URL pmid: 3912174
[25]	Zhang C., Winnard P. T., Dasari S., Kominsky S. L., Doucet M., Jayaraman S., Raman V., Barman I., Chem. Sci., 2018,9(3), 743—753 doi: 10.1039/c7sc02905e URL pmid: 29629144
[26]	Chen D. D., Xie X. F., Liu J. L., Peng C., J. Chin. Med. Assoc., 2017,80(5), 288—296 doi: 10.1016/j.jcma.2016.11.009 URL pmid: 28325576
[27]	Batista A. J., Vianna P. G., Ribeiro H. B., Matos C., Gomes A., Sci. Rep. UK, 2019,9(1), 8927—8934 doi: 10.1038/s41598-019-45405-7 URL pmid: 31222126
[28]	Michiels J. E., Vanden B. B., Verstraeten N., Michiels J., Drug Resist. Update., 2016,29(15), 76—89
[29]	Wu W., Feng Y., Tang G., Qiao F., Nally A., Zong Z., Clin. Microbiol. Rev, 2019,32(2), 201—204
[30]	Wu J., Li F., Hu X., Lu J., Sun X., Gao J., Ling D., ACS Central Sci., 2019,5(8), 1366—1376
[31]	Oviaño M., Bou G., Clin. Microbiol. Rev, 2019,32(1), 415—420
[32]	Bolt F., Cameron J. S., Karancsi T., Simon D., Schaffer R., Rickards T., Hardiman K., Burke A., Bodai Z., Perdones M. A., Rebec M., Balog J., Takats Z., Anal. Chem., 2016,88(19), 9419—9426 doi: 10.1021/acs.analchem.6b01016 URL pmid: 27560299
[33]	Robert C. B., Thomson M., Vercellone A., Gardner F., Ernst R. K., Larrouy M. G., Nigou J., Biochimie, 2017,141, 16—20 doi: 10.1016/j.biochi.2017.08.008 URL pmid: 28807561
[34]	Qiu W., Huang Y., Zhao C., Lin Z. S., Lin W. X., Wang Z. J., J. Sci. Food. Agr., 2019,99(9), 4498—4503 doi: 10.1002/jsfa.9695 URL pmid: 30883770
[35]	Ohlsson P., Evander M., Petersson K., Mellhammar L., Lehmusvuori A., Karhunen U., Soikkeli M., Seppä T., Tuunainen E., Spangar A., Lode P., Rantakokko J. K., Otto G., Scheding S., Soukka T., Wittfooth S., Laurell T., Anal. Chem., 2016,88(19), 9403—9411 doi: 10.1021/acs.analchem.6b00323 URL pmid: 27264110
[36]	Shu B., Zhang C., Xing D., Biosens. Bioelectron, 2017,97, 360—368 doi: 10.1016/j.bios.2017.06.014 URL pmid: 28624618
[37]	Zhu Y., Wang Y., Yan Y., Xue H., Environ. Sci. Technol, 2019,53(12), 6895—6905 doi: 10.1021/acs.est.9b01017 URL pmid: 31120737
[38]	Prudent E., Raoult D., FEMS Microbiol. Rev., 2019,43(1), 88—107 doi: 10.1093/femsre/fuy040 URL pmid: 30418568
[39]	Lagier J. C., Edouard S., Pagnier I., Mediannikov O., Drancourt M., Raoult D., Clin. Microbiol. Rev., 2015,28(1), 208—236 doi: 10.1128/CMR.00110-14 URL pmid: 25567228
[40]	Perry J. D., Clin. Microbiol. Rev., 2017,30(2), 449—479 doi: 10.1128/CMR.00097-16 URL pmid: 28122803
[41]	Tedijanto C., Olesen S. W., Grad Y. H., Lipsitch M., Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 2018,115(51), E11988—E11995 doi: 10.1073/pnas.1810840115 URL pmid: 30559213
[42]	Zeiri L., Bronk B. V., Shabtai Y. J., Efrima S., Colloid Surface A, 2002,208(1—3), 357—362
[43]	Defraine V., Fauvart M., Michiels J., Drug Resist . Update., 2018,38(16), 12—26
[44]	Dekter H. E., Orelio C. C., Morsink M. C., Tektas S., Witt R., Leeuwen W. B., Eur. J Clin. Microbiol., 2017,36(1), 81—89
[45]	Oren A., Mana L., Jehlička J., FEMS Microbiol. Lett., 2015,362(6), 22—34
[46]	Wulf M. W., Willemse E. D., Verduin C. M., Puppels G., Belkum A., Maquelin K., Clin. Microbiol. Infec., 2012,18(2), 147—152 doi: 10.1111/j.1469-0691.2011.03517.x URL pmid: 21854500
[47]	Choo-Smith L. P., Maquelin K., Vreeswijk T., Appl. Environ. Microb., 2001,67(4), 1461—1469 doi: 10.1128/AEM.67.4.1461-1469.2001 URL pmid: 11282591
[48]	Kunapareddy N., Grun J., Lunsford R., Proc. Spie, 2012,8358, 1—7
[49]	Sarkar N., Sahoo G., Das R., Prusty G., Swain S. K., Eur. J. Pharm. Sci., 2017,109(23), 359—371
[50]	Salesa B., Martí M., Frígols B., Serrano A ., Polymers, 2019,11(3), 453—466
[51]	Bjørnøy S. H., Bassett D. C., Ucar S., Strand B. L., Andreassen J. P., Sikorski P., Acta Biomater., 2016,44(9), 254—266
[52]	Pahlow S., Meisel S., Cialla M. D., Weber K. R., Popp J., Adv. Drug. Deliv. Rev., 2015,89, 105—120 doi: 10.1016/j.addr.2015.04.006 URL pmid: 25895619
[53]	Kotanen C. N., Martinez. L., Alvarez. R., Simecek J. W., Sensing & Bio-Sensing Research, 2016,8, 20—26
[54]	Silva F. G., Alcaraz E. J., Costa M. M., Oliveira H. P., Mat. Sci. Eng. C-Mater., 2019,99(12), 827—837
[55]	Lu X., Ge W., Li Q., Wu Y., Jiang H., Wang X., ACS Appl. Mater. Inter, 2014,6(14), 11025—11031 doi: 10.1021/am5016099 URL pmid: 24950258
[56]	Vergidis P., Moore C. B., Novak F. L., Richardson R., Walker A., Denning D. W., Richardson M. D., Clin. Microbiol. Infec., 2019,5(12), 666—680 doi: 10.1046/j.1469-0691.2001.00350.x URL pmid: 11843907
[57]	Xu Y., Wang H., Luan C., Liu Y., Chen B., Zhao Y., Biosens. Bioelectron, 2018,100(4), 404—410
[58]	Alamer S., Eissa S., Chinnappan R., Zourob M., Mikrcohim. Acta, 2018,185(3), 164—174 doi: 10.1007/s00604-018-2696-7 URL pmid: 29594804
[59]	Jung J. Y., Yoon H. K., An S., Lee J. W., Kim Y. J., Park H. C., Lee K., Hwang J. H., Lim S. K., Sci. Rep.-UK., 2018,8(1), 10852—10862 doi: 10.1038/s41598-018-29264-2 URL pmid: 30022122
[60]	Borer B., Ataman M., Hatzimanikatis V., PLOS Comput. Biol., 2019,15(6), e1007127 doi: 10.1371/journal.pcbi.1007127 URL pmid: 31216273
[61]	Pande S., Kost C., Trends. Microbiol, 2017,25(5), 349—361 doi: 10.1016/j.tim.2017.02.015 URL pmid: 28389039
[62]	Goo E., Kang Y., Lim J. Y., Ham H., Hwang I., Mbio, 2017,8(1), 7—20
[63]	Driscoll T. P., Verhoeve V. I., Guillotte M. L., Lehman S. S., Rennoll S. A., Beier S. M., Rahman M. S., Azad A. F., Gillespie J. J., Mbio, 2017,8(5), 1456—1466
[64]	Kelly J., Patrick R., Patrick S., Bell S. E. J., Angew. Chem. Int. Ed., 2018,57(48), 15686—15690 doi: 10.1002/anie.201808185 URL pmid: 30291659
[65]	Bodelón G., Montes G. V., López P. V., Hill E. H., Hamon C., Sanz O. M. N., Rodal C. S., Costas C., Celiksoy S., Pérez J. I., Scarabelli L., La P. A., Nat. Mater., 2016,15(11), 1203—1211 doi: 10.1038/nmat4720 URL pmid: 27500808
[66]	Olaniyi O. O., Yang K., Zhu Y. G., Cui L., Appl. Mivrobiol. Biot., 2019,103(3), 1455—1464 doi: 10.1007/s00253-018-9459-6 URL pmid: 30535579
[67]	Cui L., Yang K., Li H. Z., Zhang H., Su J. Q., Paraskevaidi M., Martin F. L., Ren B., Zhu Y. G., Anal. Chem., 2018,90(8), 5082—5089 doi: 10.1021/acs.analchem.7b05080 URL pmid: 29557648
[68]	Yang K., Li H. Z., Zhu X., Su J. Q., Ren B., Zhu Y. G., Cui L., Anal. Chem., 2019,91(9), 6296—6303 doi: 10.1021/acs.analchem.9b01064 URL pmid: 30942570
[39]	Xu J., Zhu D., Ibrahim A. D., Allen C. C. R., Gibson C. M., Fowler P. W., Song Y., Huang W. E., Anal. Chem., 2017,89(24), 13305—13312
[70]	Hong W., Karanja C. W., Abutaleb N. S., Younis W., Zhang X., Seleem M. N., Cheng J. X., Anal. Chem., 2018,90(6), 3737—3743 doi: 10.1021/acs.analchem.7b03382 URL pmid: 29461044
[71]	Xu J. Y., Murphy W. A., Milton D. R., Jimenez C., Rao S. N., Habra M. A., Waguespack S. G., Dadu R., Gagel R. F., Ying A. K., Cabanillas M. E., Weitzman S. P., Busaidy N. L., Sellin R.V., Grubbs E., Sherman S. I., Hu M. I., J. Thorac. Oncol., 2016,101(12), 4871—4877
[72]	Hu P. P., Liu H., Zhen S. J., Li C. M., Huang C. Z., Biosens. Bioelectron., 2015,73(2), 228—233
[73]	Liu Y., Zhou H., Hu Z., Yu G., Yang D., Zhao J., Biosens. Bioelectron, 2017,94, 131—140 doi: 10.1016/j.bios.2017.02.032 URL pmid: 28262610
[74]	Tardif S., Pavlenko E., Quazuguel L., Boniface M., Maréchal M., Micha J. S., Gonon L., Mareau V., Gebel G., Bayle G. P., Rieutord F., Lyonnard S., ACS Nano, 2017,11(11), 11306—11316 doi: 10.1021/acsnano.7b05796 URL pmid: 29111665
[75]	Lin L., Zhang Q., Li X., Qiu M., Jiang X., Jin W., Gu H., Lei D. Y., Ye J., ACS Nano, 2018,12(7), 6492—6503 doi: 10.1021/acsnano.7b08224 URL pmid: 29924592
[76]	Park J. E., Lee Y., Nam J. M., Nano lett., 2018,18(10), 6475—6482 doi: 10.1021/acs.nanolett.8b02973 URL pmid: 30153413
[77]	Benzine O., Bruns S., Pan Z., Durst K., Wondraczek L., Adv. Sci, 2018,5(10), 1800916 doi: 10.1002/advs.201800916 URL pmid: 30356973
[78]	Li J., Yan H., Tan X., Lu Z., Han H., Anal. Chem, 2019,91(6), 3885—3892 doi: 10.1021/acs.analchem.8b04622 URL pmid: 30793591
[79]	Srivastava S. K., Hamo H. B., Kushmaro A., Marks R. S., Grüner C., Rauschenbach B., Abdulhalim I., Analyst, 2015,140(9), 3201—3209 doi: 10.1039/c5an00209e URL pmid: 25756826
[80]	Lin Y., Hamme I ., Analyst, 2014,139(15), 3702—3705 doi: 10.1039/c4an00744a URL pmid: 24897935
[81]	Milazzo L., Gabler T., Pühringer D., Jandova Z., Maresch D., Michlits H., Pfanzagl V., Djinović C. K., Oostenbrink C., Furtmüller P. G., Obinger C., Smulevich G., Hofbauer S., ACS Catal., 2019,9(8), 6766—6782 doi: 10.1021/acscatal.9b00963 URL pmid: 31423350
[82]	Eryılmaz M., Acar S. E., Çetin D., Boyacı Í. H., Suludere Z., Tamer U., Analyst, 2019,144(11), 3573—3580 doi: 10.1039/c9an00173e URL pmid: 31062777
[83]	Guo L., Ye C., Cui L., Wan K., Chen S., Zhang S., Yu X., Environ. Int, 2019,130(15), 104883—104893
[84]	Pahlow S., Stöckel S., Pollok S., Cialla-May D., Rösch P., Weber K., Popp J., Anal. Chem, 2016,88(3), 1570—1577 doi: 10.1021/acs.analchem.5b02829 URL pmid: 26705822
[85]	Pang Y., Wan N., Shi L., Wang C., Sun Z., Xiao R., Wang S., Anal. Chim. Acta, 2019,1077(22), 288—296
[86]	Wang J., Wu X., Wang C., Rong Z., Ding H., Li H., Li S., Shao N., Dong P., Xiao R., Wang S., ACS Appl. Mater. Inter, 2016,8(31), 19958—19967 doi: 10.1021/acsami.6b07528 URL pmid: 27420923
[87]	Rippa M., Castagna R., Pannico M., Musto P., Borriello G., Paradiso R., Galiero G., Bolletti C. S., Zhou J., Zyss J., Petti L., ACS Sens., 2017,2(7), 947—954 doi: 10.1021/acssensors.7b00195 URL pmid: 28750539
[88]	Cui L., Zhang D. D., Yang K., Zhang X., Zhu Y. G., Anal. Chem., 2019,91(24), 15345—15354 doi: 10.1021/acs.analchem.9b03996 URL pmid: 31714062