Giới thiệu

Mùa đông là giai đoạn cao của bệnh nhiễm trùng đường hô hấp, hiện nay bệnh hô hấp phổ biến ở nước tabởi nhiều mầm bệnhGây ra, bao gồm vi khuẩn, Mycoplasma、Virus cúmđểVà gây ra đại dịch toàn cầu. Với đường hô hấpBệnhCó tính truyền nhiễm cao, lây lanTốc độ nhanhĐặc điểm,Và khác biệt.Nhiễm trùng đường hô hấp do mầm bệnh gây ra có sự khác biệt đáng kể về triệu chứng và điều trị, vì vậy việc phát hiện và chẩn đoán sớm là một cách hiệu quả để ngăn chặn đường hô hấp.Bệnh lây lanThủ đoạn trọng yếu. Mặc dù các phương pháp nuôi cấy tách truyền thống có những lợi thế đáng kể về độ chính xác và quyền hạn và uy tín, nhưng nhu cầu thực tế của các thử nghiệm lâm sàng hiện tại đã không được đáp ứng do các hoạt động rườm rà, tốn nhiều thời gian và những thiếu sót liên quan đến rủi ro an toàn sinh học. Các phương pháp thử nghiệm chủ yếu được sử dụng hiện nay bao gồm xét nghiệm axit nucleic và xét nghiệm miễn dịch, tuy nhiên, các phương pháp này đều yêu cầu trang bị thiết bị phòng thí nghiệm chuyên nghiệp, người vận hành cần được đào tạo chuyên nghiệp, chi phí tương đối cao, đồng thời chu kỳ thử nghiệm cũng khá dài.，Không thể đáp ứng sự gia tăng nhanh chóng của đường hô hấpMẫu bệnhNhu cầu phát hiện trang web quy mô lớn，Do đó, việc phát triển các công nghệ phát hiện virus đường hô hấp mới là rất cần thiết.

Khi sự tán xạ xảy ra khi ánh sáng chiếu vào vật chất, ánh sáng tán xạ có bước sóng thay đổi được gọi là tán xạ Raman. Lý do cho sự thay đổi bước sóng là sự thay đổi mức độ rung của phân tử sau khi chuyển năng lượng giữa các photon và các phân tử vật chất được chiếu xạ.，Năng lượng mà photon truyền đi khi xảy ra tán xạ Raman trên các vật chất khác nhau là khác nhau, cho phép xác định cụ thể các loại vật chất được chiếu xạ. Trong khi bề mặt tăng cường phổ Raman（SERS）Kỹ thuật này dựa trên sự tán xạ Raman thông thường.Hấp phụ hoặc kết nốiTrên bề mặt kim loại quý thô ráp, cường độ tín hiệu Raman tăng lên rất nhiều. Trên cơ sở những ưu điểm của phân tích không phá hủy vốn có trong tán xạ Raman thông thường, không bị ảnh hưởng bởi thành phần nước, mẫu không cần xử lý phức tạp, tốc độ phát hiện nhanh và phân tích thực địa có thể được thực hiện bằng các thiết bị cầm tay, công nghệ SERS có độ nhạy cao hơn và trong một số điều kiện có thể đạt được mức độ phát hiện đơn vị. Bằng cách phân tích các mẫu sinh học của bệnh nhân, công nghệ này có thể nhanh chóng phát hiện các dấu hiệu phân tử cụ thể để xác định nguyên nhân gây bệnh hô hấp.Đặc biệt.Nguyên nhân gây bệnh. Giúp các chuyên gia y tế chẩn đoán chính xác sớm hơn, cung cấp cho bệnh nhân một kế hoạch điều trị cá nhân, kịp thời hơn. Bằng cách rút ngắn thời gian chẩn đoán và giảm quá trình kiểm tra truyền thống rườm rà, các phương pháp kiểm tra nhanh hứa hẹn sẽ đóng một vai trò quan trọng trong việc phòng chống các bệnh truyền nhiễm, nâng cao hiệu quả chăm sóc sức khỏe và giảm gánh nặng y tế, hỗ trợ hiệu quả hơn cho việc điều trị các bệnh về đường hô hấp.

Ứng dụng công nghệ SERS trong phát hiện mới&bệnh&độc (COVID&19)

Virus corona là virus corona thứ 7 có thể lây nhiễm sang ngườiVàVới&Cực kỳ dễ lây nhiễm, vì vậy việc phát triển một phương pháp phát hiện mới siêu nhanh và nhạy cảm là đặc biệt cấp bách. Leong et al. đã thiết kế một thiết bị cầm tay mới&loại&phát hiện coronavirus&virus dựa trên công nghệ SERS. Ba chip được tích hợp bên trong thiết bị, mang theo các phân tử thăm dò SERS 3 nhóm 2-mercapylbenzoic acid, 4-mercapylpyridine và adenosine triphosphate. Các phân tử đầu dò SERS này được cố định trên bề mặt của các hạt nano bạc. Trong quá trình phát hiện, người được kiểm tra thở ra vào thiết bị trong khoảng 10 giây và hợp chất sau phản ứng có thể được mô tả bằng những thay đổi trong tín hiệu SERS do phản ứng hóa học của dấu ấn sinh học&coronavirus&virus mới trong hơi thở với cảm biến. Đối với xét nghiệm tại chỗ loại&coronavirus mới trên 501 người tại bệnh viện và sân bay, kết quả của LEONG et al. cho thấy tỷ lệ âm tính giả là 3,8% và tỷ lệ dương tính giả là 0,1%. Điều này có độ chính xác đáng kể so với phát hiện phản ứng chuỗi polymerase và ít tốn kém hơn, chỉ mất 5 phút để phát hiện. Đáng chú ý, thiết bị này không chỉ có thể phát hiện sự thay đổi loài của các chất hữu cơ dễ bay hơi có nguồn gốc sinh học, mà còn có thể được sử dụng để sàng lọc các loại nhiễm virus đường hô hấp khác.

Hình 1 dựa trên thiết kế sơ đồ của VOC hô hấp để xác định các cá nhân mới&bệnh&nhiễm độc.

Ứng dụng công nghệ SERS để phát hiện virus cúm

Virus cúm có tỷ lệ lây nhiễm và biến đổi cao, có thể gây ra dịch bệnh theo mùa và thậm chí dẫn đến đại dịch toàn cầu, gây gánh nặng nghiêm trọng cho sức khỏe cộng đồng. Do đó, cần phải nghiên cứu một phương pháp phát hiện virus cúm chính xác và nhanh chóng để ngăn chặn sự lây lan của nó bằng cách phát hiện kịp thời và chính xác trước khi dịch cúm bùng phát. Chen và các cộng sự đã phát triển một cảm biến aptamer dựa trên tán xạ Raman tăng cường bề mặt chế độ kép (SERS) có thể chẩn đoán và phân biệt chính xác&mới&bệnh&độc&cúm A H1N1 cùng một lúc. Trong kỹ thuật này, các aptamer DNA với sự kết hợp có chọn lọc giữa SARS-CoV-2 và cúm A H1N1 được cố định cùng nhau trên một chất nền nano vàng giống như bỏng ngô. Raman báo cáo các gen (Cy3 và RRX), kết nối với các đầu của aptamer DNA, tạo ra tín hiệu SERS mạnh mẽ trong các khoảng trống nano của cơ sở nano vàng. Trong khi đó, gen báo cáo Raman tiêu chuẩn bên trong (4-MBA) được cố định trên cơ sở nano vàng cùng với DNA aptamer để giảm lỗi do thay đổi môi trường đo lường. Khi virus SARS-CoV-2 hoặc cúm A tiếp cận cơ sở nano vàng, các thích ứng DNA liên quan được tách có chọn lọc khỏi cơ sở do ái lực liên kết đáng kể giữa các thích ứng DNA tương ứng và virus. Do đó, khi nồng độ virus mục tiêu tăng lên, cường độ SERS tương ứng giảm dần. Cảm biến aptame DNA dựa trên SERS này nhanh chóng xác định xem bệnh nhân nghi ngờ có bị nhiễm SARS-CoV-2 hoặc cúm A hay không, đồng thời đánh giá nồng độ virus mục tiêu theo định lượng có độ nhạy cao và không bị ảnh hưởng bởi phản ứng chéo.

Sơ đồ 2(a) Các triệu chứng xảy ra khi bị nhiễm SARS-CoV-2 hoặc cúm A, cũng như RT-PCR và bộ dụng cụ kháng nguyên nhanh để chẩn đoán；b) Bắp rangVàngHình ảnh và hình ảnh SEM của Nano Base；(c) Bắp rang cố định lưỡng thể để phát hiện virusTrạng tháiNameNền tảngNguyên lý làm việc.

Ứng dụng công nghệ SERS để phát hiện nhiễm khuẩn

Nhiễm khuẩnlàNguyên nhân hàng đầu gây tử vong là 6,7 triệu người mỗi năm ở các nước phát triển và đang phát triển. Chi phí điều trị các bệnh nhiễm trùng này cũng rất cao, chiếm 8,7% chi phí chăm sóc sức khỏe hàng năm, tương đương 33 tỷ USD, chỉ riêng ở Mỹ. Các phương pháp chẩn đoán hiện tại yêu cầu nuôi cấy mẫu để phát hiện và xác định vi khuẩn và độ nhạy kháng sinh của chúng, một quá trình chậm có thể mất nhiều ngày ngay cả trong phòng thí nghiệm *** của chúng. Kháng sinh phổ rộng thường được kê toa trong khi chờ kết quả nuôi cấy, và theo Trung tâm Kiểm soát và Phòng ngừa Dịch bệnh, hơn 30% bệnh nhân được điều trị không cần thiết. Do đó, các phương pháp mới để chẩn đoán nhiễm khuẩn nhanh chóng và không nuôi cấy là cần thiết để có thể kê đơn kháng sinh nhắm mục tiêu sớm hơn và giúp giảm kháng kháng sinh. Quang phổ Raman có tiềm năng xác định các loài vi khuẩn và kháng kháng sinh, và khi kết hợp với quang phổ đồng tập trung, nó có thể tạo ra năng lượng cơ học để phân tích các tế bào vi khuẩn riêng lẻ. Các kiểu hình vi khuẩn khác nhau có thành phần phân tử độc đáo và đặc biệt, dẫn đến sự khác biệt nhỏ trong phổ Raman tương ứng của chúng. Tuy nhiên, do hiệu quả phân tán Raman thấp (~10)^?8xác suất tán xạ), những khác biệt quang phổ tinh tế này có thể dễ dàng bị che khuất bởi tiếng ồn nền. Do đó, tỷ lệ tín hiệu nhiễu cao là cần thiết để đạt được độ chính xác nhận dạng cao và thường mất nhiều thời gian đo lường, điều này cản trở sự phát triển của công nghệ đơn bào thông lượng cao. Ngoài ra, một số lượng lớn các loài, chủng và mô hình kháng kháng sinh liên quan đến lâm sàng đòi hỏi một bộ dữ liệu toàn diện không được thu thập trong các nghiên cứu tập trung vào việc phân biệt chủng phân lập loài hoặc độ nhạy kháng sinh. Ho et al. đã giải quyết thách thức này bằng công nghệ SERS kết hợp với đào tạo mạng thần kinh tích chập, phân loại phổ SERS của vi khuẩn thông qua phân lập, điều trị thực nghiệm và kháng kháng sinh.

Hình 3Convolutional Neural Network được sử dụng đểSERSXác định vi khuẩn trong quang phổ.

Trang chủ

Với sự tiến bộ của công nghệ SERS, hiện nay có ba ý tưởng ứng dụng chính trong lĩnh vực phát hiện: (1) Gắn các trình tự axit nucleic đặc hiệu và kháng thể lên bề mặt của các hạt nano, xây dựng nhãn SERS để phát hiện chính xác virus đường hô hấp trong chất lỏng cơ thể phức tạp; (2) sử dụng công nghệ chuẩn bị cơ bản tăng cường mới, làm cho kích thước "điểm nóng" giữa các hạt nano phù hợp hơn với các hạt virus, cải thiện hiệu quả phát hiện và giảm chi phí, đồng thời tránh hiệu quả sự can thiệp của nước bọt, máu và các nền tảng sinh học khác vào kết quả phát hiện; (3) Ứng dụng kết hợp với các công nghệ phát hiện khác, chẳng hạn như công nghệ kết hợp SERS-chromatography, lắp ráp chất nền tăng cường SERS lên sợi như một cảm biến phát hiện có độ nhạy cao. Ngoài ra, kết hợp SERS và cảm biến plasma có thể được sử dụng để phát hiện định lượng độ nhạy cao về tương tác phân tử sinh học. Công nghệ SERS khắc phục nhược điểm của tín hiệu quang phổ Raman thông thường yếu và cung cấp thông tin cấu trúc khó có được.

Công nghệ SERS đã có những tiến bộ đáng kể trong việc phát hiện mầm bệnh cho các bệnh đường hô hấp, tuy nhiên, để nghiên cứu và chẩn đoán virus đường hô hấp toàn diện và sâu sắc hơn, các nhà nghiên cứu thường chọn sử dụng máy quang phổ Raman vi mô tập trung. Thiết bị này kết hợp các tính năng của kính hiển vi laser co-focus và quang phổ Raman để cung cấp những lợi thế độc đáo và đặc biệt trong việc phát hiện SERS các mầm bệnh đường hô hấp:

Độ phân giải không gian cao: Máy quang phổ Raman vi mô co-focus có khả năng hình ảnh độ phân giải cao và có khả năng quan sát cấu trúc và tổ chức của mẫu ở quy mô vi mô. Độ phân giải không gian cao này có thể giúp các nhà nghiên cứu xác định vị trí và quan sát chính xác các hạt virus nhỏ hoặc cấu trúc tế bào trong phát hiện mầm bệnh bệnh đường hô hấp.

Thu thập thông tin chuyên sâu: Máy quang phổ Raman Microfocus cho phép chụp ảnh ba chiều, cung cấp cho các nhà nghiên cứu thông tin về độ sâu bên trong mẫu. Điều này rất quan trọng để hiểu được sự phân bố và tương tác của mầm bệnh ở các cấp độ tế bào khác nhau, tạo điều kiện cho sự hiểu biết đầy đủ hơn về sự phát triển của bệnh hô hấp.

Giám sát thời gian thực: Máy quang phổ Raman Microfocus có khả năng giám sát thời gian thực để theo dõi những thay đổi động lực của mầm bệnh trong mẫu. Trong các nghiên cứu về các bệnh về đường hô hấp, theo dõi thời gian thực giúp các nhà nghiên cứu hiểu được vòng đời của virus, quá trình lây nhiễm và hiệu quả của các can thiệp điều trị.

Giảm nhiễu nền: Máy quang phổ Raman Microfocus có thể giảm nhiễu tín hiệu nền bằng cách điều khiển chính xác tiêu điểm. Điều này đặc biệt quan trọng đối với các xét nghiệm SERS có độ nhạy cao trong các mẫu sinh học phức tạp để đảm bảo độ chính xác và độ tin cậy của kết quả xét nghiệm.

Máy quang phổ Raman ATR8800, tích hợp lên đến 4 laser, và kết hợp các ưu điểm của kính hiển vi và quang phổ Raman, nền tảng phát hiện Raman vi mô làm cho "những gì bạn thấy là những gì bạn đo" có thể, vị trí chính xác trực quan của nền tảng phát hiện Raman để người quan sát có thể phát hiện tín hiệu Raman của các trạng thái bề mặt khác nhau trên mẫu và có thể hiển thị đồng bộ hình thái vi vùng của vị trí được phát hiện trên máy tính, rất thuận tiện cho việc phát hiện vi vùng Raman.

Sản phẩm ATR8800Toàn bộ phạm vi có thể thực hiện lấy nét hoàn toàn tự động, quét hoàn toàn tự động, hoạt động một phím, có thể thực hiện thí nghiệm hàng loạt, quét đồng nhất, v.v., không cần chờ đợi, và có thể thu được dữ liệu Raman quét hình ảnh có độ tin cậy cao;

Sản phẩm ATR8800Được trang bị máy quang phổ với độ dài tiêu cự khác nhau để đạt được yêu cầu về độ phân giải khác nhau, ATR8800 cũng được trang bị mục tiêu được thiết kế đặc biệt cho hệ thống Raman, làm cho điểm laser gần với giới hạn nhiễu xạ, sau đó hiển thị thông tin lấy nét chính xác và trực quan trên máy tính thông qua 5 triệu máy ảnh. Khắc phục vấn đề bề mặt tiêu cự thu thập tín hiệu Raman trong hệ thống Raman thông thường cao hơn hoặc thấp hơn một chút so với bề mặt tiêu cự ** thực tế, do đó cải thiện chất lượng phổ Raman.

Sản phẩm ATR8800Finish&Midea giải quyết sự mất mát của đường thời gian hình ảnh máy ảnh, nhận ra sự tách biệt giữa hình ảnh máy ảnh và bộ sưu tập tín hiệu Raman, do đó có được cường độ tín hiệu *. Trong khi đó, ATR8800 sử dụng Raman hiệu suất cao được tối ưu hóa đặc biệt cho các hệ thống Raman vi mô, cho dù đó là độ nhạy, tỷ lệ tín hiệu tiếng ồn, độ ổn định, v.v., dẫn đầu ngành công nghiệp&mức độ tiên phong, cung cấp một bảo đảm mạnh mẽ cho nghiên cứu Raman.

Tài liệu tham khảo:

Khương Hằng, Trương Triết, Giang Thân tổng hợp, chờ. Tiến bộ trong nghiên cứu quang phổ Raman tăng cường bề mặt trong phát hiện virus hô hấp [J]. Y học thử nghiệm và lâm sàng, 2023, 20 (14): 2096-2099.

Leong, Shi Xuan, et al. 'Phân tích hô hấp dựa trên phân tán Raman không xâm lấn và tăng cường bề mặt chăm sóc điểm (SERS) để sàng lọc hàng loạt bệnh coronavirus 2019 (COVID&-19) dưới 5 phút.' ACS nano 16.2 (2022): 2629-2639.

Chen, Hao, et al. 'SERS-based dual-mode DNA aptasensors for rapid classification of SARS-CoV-2 and influenza A/H1N1 infection. '
Cảm biến và bộ truyền động B: Hóa chất
355 (2022): 131324.

Ho, Chi-Sing, et al. 'Xác định nhanh chóng vi khuẩn gây bệnh bằng cách sử dụng quang phổ Raman và học sâu. ' Truyền thông thiên nhiên 10.1 (2019): 4927.