Введение

Зима - это период высокой заболеваемости респираторными инфекциями, которые в настоящее время распространены в нашей странеИз множества патогеновВызываетВключая бактерии, микоплазмы、Вирус гриппапоа также новый тип & корона & вирус, вызвавший глобальную пандемию. Учитывая дыхательные путиЗаболеванияВысокая заразность, распространениеБыстрее!Особенности,И разные.Респираторные инфекции, вызванные патогенами, имеют значительные различия в симптомах и лечении, поэтому раннее обнаружение и диагностика являются эффективными в сдерживании дыхательных путейРаспространение болезнейВажные средства. Несмотря на значительные преимущества традиционных методов разделения культур с точки зрения точности и силы и авторитетности, они не могут удовлетворить реальные потребности текущих клинических испытаний из - за таких недостатков, как громоздкие операции, длительные сроки и риски биобезопасности. Основные используемые в настоящее время методы тестирования включают тестирование на нуклеиновые кислоты и иммунологическое тестирование, но все эти методы требуют специализированного лабораторного оборудования, операторы нуждаются в профессиональной подготовке, стоимость относительно высока, а цикл тестирования также более длительный，Не может удовлетворить быстро растущие дыхательные путиОбразец заболеванияНеотложная потребность в массовом тестировании на местах，Поэтому настоятельно необходимо разработать новые методы обнаружения респираторных вирусов.

Когда свет рассеивается на материю, рассеянный свет, который изменяет длину волны, называется рассеянием Рамана. Изменение длины волны происходит из - за изменения уровня молекулярной вибрации после передачи энергии между фотонами и молекулами облученного вещества.，Энергия, которую фотоны передают при рассеянии Рамана на разных веществах, различна, и тип облученного вещества может быть идентифицирован специфично. А поверхность усиливает спектр Рамана.(СЕРС)Технология состоит в том, чтобы облучать материал на основе обычного рассеяния Рамана.Адсорбция или соединениеНа грубой поверхности драгоценного металла сила сигнала Рамана значительно повышается. Основываясь на таких преимуществах, как неразрушающий анализ, присущий обычному рассеянию Рамана, отсутствие влияния водного компонента, отсутствие необходимости в сложной обработке образцов, быстрое обнаружение и полевый анализ с использованием портативных приборов, технология SERS обладает более высокой чувствительностью и при определенных условиях может достигать уровня однокомпонентного обнаружения. Анализируя биологические образцы пациентов, эта технология может быстро обнаружить конкретные молекулярные маркеры, чтобы определить, что вызывает респираторные заболевания.ОсобенностьПатогены. Помогает медицинским работникам поставить точный диагноз на более раннем этапе, предлагая пациентам более своевременные и индивидуальные варианты лечения. Благодаря сокращению времени диагностики и сокращению обременительного процесса традиционных обследований, методы быстрого тестирования, как ожидается, будут играть ключевую роль в профилактике и борьбе с инфекционными заболеваниями, повышении эффективности медицинского обслуживания и уменьшении нагрузки на медицинское обслуживание, обеспечивая более эффективную поддержку лечения респираторных заболеваний.

Применение технологии SERS для обнаружения новых & коронарных и вирусных заболеваний (COVID & 19)

Новый & короновирус является седьмым, способным заразить людейАИметь &Полярная & высокая заразность делает особенно актуальной разработку нового сверхбыстрого и высокочувствительного метода обнаружения. LEONG и другие разработали новый портативный детектор типа & короновирус на основе технологии SERS. Инструмент встроен в три чипа, оснащенных 3 наборами молекул зонда SERS - 2 - тиогликобензойной кислоты, 4 - тиогликопиридина и аденозина трифосфата. Эти молекулы зонда SERS закреплены на поверхности наночастиц серебра. Во время тестирования испытуемый выдыхал устройство в течение примерно 10 секунд, и, поскольку биомаркеры нового типа & короновируса & короновируса в выдохе вступали в химическую реакцию с датчиками, реагировавшее соединение можно было охарактеризовать изменением сигнала SERS. Результаты LEONG и других исследований, проведенных на месте 501 человека в больницах и аэропортах, показали, что коэффициент ложного отрицательного результата теста составляет 3,8%, а коэффициент ложного положительного результата - 0,1%. Это довольно точно и недорого по сравнению с обнаружением полимеразной цепной реакции, которое занимает всего 5 минут. Стоит отметить, что прибор не только способен обнаруживать изменения в типах летучих органических веществ биологического происхождения, но и может использоваться для скрининга других типов респираторных вирусных инфекций.

Рисунок 1 Схема, основанная на дыхательных летучих органических соединениях для идентификации новых & коронарных & больных и токсически положительных лиц.

Применение технологии SERS для обнаружения вирусов гриппа

Вирусы гриппа имеют высокую степень заразности и изменчивости, что может привести к сезонным эпидемиям и даже глобальным пандемиям, которые создают серьезную нагрузку на общественное здравоохранение. Поэтому существует настоятельная необходимость в разработке точного и быстрого метода обнаружения вируса гриппа для сдерживания его распространения путем своевременного и точного тестирования до вспышки гриппа. Chen и другие разработали адаптивный датчик, основанный на двухрежимном поверхностном усиленном рассеянии Рамана (SERS), который может точно диагностировать и различать & новую & корону & болезнь & яд & и грипп A H1N1. В этой технологии ДНК - адаптеры, которые избирательно связывают SARS - CoV - 2 и грипп A (H1N1), вместе закреплены на золотой нанобазе в форме попкорна. Гены Raman Report (Cy3 и RRX), соединенные с адаптивными концами ДНК, могут генерировать сильные сигналы SERS в нанопространстве на основе золотого нанометра. В то же время эндометрический ген (4 - MBA) Raman Report закреплен на золотой нанобазе вместе с адаптивной ДНК, чтобы уменьшить погрешности, вызванные измерениями изменений окружающей среды. Когда вирус гриппа SARS - CoV - 2 или A приближается к золотому нанофундаменту, соответствующая ДНК избирательно отделяется от фундамента из - за значительного аффилированного родства между соответствующим адаптером ДНК и вирусом. Таким образом, по мере увеличения концентрации целевого вируса, соответствующая сила SERS постепенно снижается. Этот ДНК - адаптивный датчик на основе SERS может быстро определить, инфицирован ли предполагаемый пациент SARS - CoV - 2 или гриппом А, а также количественно оценить концентрацию целевого вируса с высокой чувствительностью без перекрестных реакций.

Диаграмма 2(a) Симптомы, возникающие при заражении SARS - COV - 2 или гриппом А, а также наборы для диагностики RT - PCR и быстрых антигенов*(b) ПопкорнДенежная наличностьФотографии нанобазы и SEM - изображения*c) Двойной стационарный попкорн для обнаружения вирусовСтатусЗолотой нанометрФундаментПринцип работы.

Применение технологии SERS для обнаружения бактериальных инфекций

Бактериальные инфекциидаОсновной причиной смерти является то, что в развитых и развивающихся странах ежегодно умирает 6,7 миллиона человек. Стоимость лечения этих инфекций также высока, и только в США она составляет 8,7% от ежегодных расходов на здравоохранение, или 33 миллиарда долларов. Современные методы диагностики требуют выращивания образцов для обнаружения и идентификации бактерий и их чувствительности к антибиотикам, что является медленным процессом, который может занять несколько дней даже в лабораториях * *. Антибиотики широкого спектра обычно назначаются в ожидании результатов культивирования, и, по данным Центров по контролю и профилактике заболеваний, более 30% пациентов получают ненужное лечение. Поэтому необходимы новые методы быстрой, неконтролируемой диагностики бактериальных инфекций, которые позволят назначать целевые антибиотики раньше и помогут снизить устойчивость к противомикробным препаратам. Рамановский спектр обладает потенциалом для распознавания видов бактерий и устойчивости к антибиотикам, и в сочетании с конфокальным спектром он может механически анализировать отдельные бактериальные клетки. Различные фенотипы бактерий имеют уникальный и специфический молекулярный состав, что приводит к незначительным различиям в их соответствующих спектрах Рамана. Однако из - за низкой эффективности рассеяния Рамана (~ 10)^{- Восемь?}Вероятность рассеяния), эти тонкие спектральные различия легко маскируются фоновым шумом. Поэтому для достижения высокой точности распознавания требуется высокое соотношение сигнала и шума, что обычно требует длительного времени измерений, что препятствует развитию высокопроизводительной одноклеточной технологии. Кроме того, большое количество клинически ассоциированных видов, штаммов и моделей устойчивости к антибиотикам требует всеобъемлющих наборов данных, которые не были собраны в исследованиях, посвященных различию отдельных штаммов или чувствительности к антибиотикам. Хо и другие справились с этой задачей с помощью технологии SERS в сочетании с обучением сверточным нейронным сетям, классифицируя спектры бактерий SERS посредством разделения, эмпирической терапии и устойчивости к антибиотикам.

Диаграмма 3Сверточные нейронные сети используются дляСЕРСВ спектре выявляются бактерии.

Резюме

С развитием технологии SERS в настоящее время существует три основных направления применения в области тестирования: (1) прикрепление специфичных последовательностей нуклеиновых кислот и антител к поверхности наночастиц, построение этикеток SERS для достижения точного обнаружения респираторных вирусов в сложных жидкостях организма; (2) Использование новой технологии подготовки усиленной базы, чтобы сделать размер « горячей точки» между наночастицами более подходящим для вирусных частиц, повысить эффективность обнаружения, снизить затраты, в то же время эффективно избегая вмешательства слюны, крови и другого биологического фона в результаты тестирования; (3) Совместное применение с другими методами обнаружения, такими как SERS - хроматографическая комбинация, для сборки усиленной базы SERS на оптическом волокне в качестве высокочувствительного датчика обнаружения. Кроме того, сочетание SERS и плазменного зондирования может быть использовано для высокочувствительного количественного обнаружения взаимодействия биомолекул. Технология SERS преодолевает недостатки более слабых обычных спектральных сигналов Рамана и обеспечивает сложную структурную информацию.

Технология SERS достигла значительных успехов в выявлении патогенов респираторных заболеваний, но для более полного и углубленного изучения и диагностики респираторных вирусов исследователи обычно предпочитают использовать конфокальный микроспектрометр Рамана. Этот прибор сочетает в себе характеристики лазерного конфокального микроскопа и спектрометра Рамана, обеспечивая уникальные преимущества для обнаружения SERS патогенов респираторных заболеваний:

Высокое пространственное разрешение: конфокальный микроспектрометр Рамана обладает способностью визуализации с высоким разрешением и способен наблюдать структуру и ткань образца в микроскопическом масштабе. При обнаружении патогенных заболеваний дыхательных путей это высокое пространственное разрешение помогает исследователям точно определять и наблюдать крошечные вирусные частицы или клеточные структуры.

Получение информации о глубине: конфокальный микроспектрометр Рамана позволяет получать трехмерные изображения, предоставляя исследователям информацию о глубине внутри образца. Это важно для понимания распределения и взаимодействия патогенов на разных клеточных уровнях и помогает получить более полное представление о развитии респираторных заболеваний.

Мониторинг в реальном времени: конфокальный микроскопический спектрометр Рамана имеет функцию мониторинга в реальном времени для отслеживания динамических изменений патогенов в образцах. В исследованиях респираторных заболеваний мониторинг в реальном времени помогает исследователям понять жизненный цикл вируса, инфекционный процесс и эффективность терапевтических вмешательств.

Уменьшение фоновых помех: конфокальный микроспектрометр Рамана может уменьшить помехи фонового сигнала, точно контролируя фокус. Это особенно важно для проведения высокочувствительных тестов SERS в сложных биологических образцах для обеспечения точности и надежности результатов.

Астрономический спектрометр серии ATR8800Интегрируя до 4 лазеров и сочетая преимущества как микроскопа, так и спектрометра Рамана, микроскопическая платформа обнаружения Рамана позволяет визуализировать точное позиционирование платформы обнаружения Рамана, что позволяет наблюдателю обнаруживать сигналы Рамана в различных поверхностных состояниях на образце и синхронизировать микропространственную форму обнаруженного положения на компьютере, что значительно облегчает обнаружение микрообласти Рамана.

АТР8800Вся серия может выполнять полностью автоматическую фокусировку, полностью автоматическое сканирование, операцию одним нажатием клавиши, вы можете проводить массовые эксперименты, однородное сканирование и т. Д., Не нужно ждать, и вы можете получить высоконадежные сканирующие изображения данных Рамана;

АТР8800Оснащенный спектрометром с различным фокусным расстоянием для удовлетворения различных требований к разрешению, ATR8800 также оснащен объективами, специально разработанными для системы Raman, что позволяет лазерному пятну приближаться к дифракционному пределу, а затем точно и интуитивно отображать фокусную информацию на компьютере с помощью 5 миллионов камер. Преодоление проблемы, заключающейся в том, что фокальная поверхность, на которой собираются сигналы Рамана, немного выше или немного ниже фактической * * фокальной поверхности в обычной системе Рамана, улучшает спектральную массу Рамана.

АТР8800Завершение и красота устраняют потерю пути времени изображения камеры, обеспечивая разделение изображения камеры и сбора сигнала Рамана, что дает силу сигнала * *. В то же время, ATR8800 использует высокопроизводительный Raman, оптимизированный специально для микроскопических систем Laman, будь то чувствительность, отношение сигнала и шума, стабильность и т. Д. Все это является лидером отрасли и первым уровнем, обеспечивая сильную гарантию для исследований Laman.

Ссылки:

Цзян Хэн, Чжан Чжэ, Цзян Шень обзор, и так далее. Прогресс в исследованиях спектра Рамана с поверхностным усилением в обнаружении респираторных вирусов [J]. Тестовая медицина и клиническая, 2023, 20 (14): 2096 - 2099.

Леонг, Ши Сюань и др. «Неинвазивный и поверхностно-усиленный Рамановский рассеивающий анализатор (SERS) для массового скрининга коронавирусной болезни 2019 года (COVID&-19) менее 5 минут». ACS нано 16.2 (2022): 2629 - 2639.

Chen, Hao, et al. 'ДНК-аптасенсоры двойного режима на основе SERS для быстрой классификации инфекции SARS-CoV-2 и гриппа A/H1N1. '
Датчики и приводы В: Химические
355 (2022): 131324.

Ho, Chi-Sing, et al. Быстрая идентификация патогенных бактерий с использованием Раманской спектроскопии и глубокого обучения. ' Природные коммуникации 10.1 (2019): 4927.