Introducción

El invierno es un período de alta incidencia de enfermedades infecciosas respiratorias, que actualmente son endémicas en china.De múltiples patógenosCausarIncluyendo bacterias, micoplasma、Virus de la gripeaY el nuevo tipo de & coronavirus que causó la pandemia mundial. Dado el tracto respiratorioEnfermedadEs altamente contagioso y transmisible.RápidoCaracterísticas,Y diferenteHay diferencias significativas en los síntomas y el tratamiento de las infecciones respiratorias causadas por patógenos, por lo que la detección y el diagnóstico tempranos son efectivos para frenar las vías respiratorias.Propagación de la enfermedadUn medio importante. Aunque los métodos tradicionales de cultivo de aislamiento tienen ventajas significativas en precisión y poder, ya no pueden satisfacer las necesidades reales de las pruebas clínicas actuales debido a sus inconvenientes de operación engorrosa, largo tiempo y riesgos relacionados con la bioseguridad. En la actualidad, los principales métodos de detección incluyen pruebas de ácido nucleico e inmunología, sin embargo, estos métodos requieren equipos de laboratorio profesionales, los operadores necesitan formación profesional, el costo es relativamente alto, mientras que el ciclo de detección es más largo.，Incapacidad para satisfacer el rápido aumento de las vías respiratoriasMuestra de enfermedadLa necesidad urgente de pruebas in situ a gran escala，Por lo tanto, es urgente desarrollar nuevas tecnologías de detección de virus respiratorios.

Cuando la luz se dispersa sobre la materia, la luz dispersa con cambios de longitud de onda se llama dispersión raman. La razón del cambio de longitud de onda es que el nivel de energía de Vibración molecular cambia después de la transferencia de energía entre el fotón y la molécula de la materia irradiada.，Los fotones, por su parte, pueden identificar específicamente el tipo de materia irradiada con diferentes energías transferidas cuando se produce la dispersión Raman en diferentes sustancias. Y el espectro Raman mejorado en superficie()SERS(...)La tecnología, por su parte, consiste en irradiar la materia sobre la base de la dispersión Raman ordinaria.Adsorción o conexiónEn superficies de metales preciosos ásperos, la intensidad de la señal Raman se mejora considerablemente. Sobre la base de las ventajas inherentes de la dispersión Raman ordinaria, como el análisis no destructivo, la ausencia de influencia de la composición del agua, la falta de tratamiento complejo de las muestras, la velocidad de detección rápida y el uso de instrumentos portátiles para el análisis in situ, la tecnología sers tiene una mayor sensibilidad y puede alcanzar el nivel de detección de un solo centavo en algunas condiciones. Al analizar muestras biológicas de pacientes, esta técnica permite detectar rápidamente marcadores moleculares específicos, identificando así las causas de enfermedades respiratorias.EspecíficoPatógeno. Ayuda a los profesionales médicos a hacer un diagnóstico preciso antes y proporcionar a los pacientes un plan de tratamiento más oportuno e individualizado. Al acortar el tiempo de diagnóstico y reducir el engorroso proceso de los exámenes tradicionales, se espera que los métodos de prueba rápida desempeñen un papel clave en la prevención y el control de las enfermedades infecciosas, la mejora de la eficiencia médica y la reducción de la carga médica, proporcionando un apoyo más eficaz para el tratamiento de las enfermedades respiratorias.

Aplicación de la tecnología sers en la detección de covid - 19

El nuevo & tipo & coronavirus es el séptimo coronavirus capaz de infectar a los humanosYCon:Extremadamente & altamente contagioso, por lo que es particularmente urgente desarrollar un nuevo método de detección súper rápido y altamente sensible. Leong y otros diseñaron un nuevo detector portátil de coronavirus basado en la tecnología sers. El instrumento integra tres chips en su interior, equipados con tres grupos de moléculas de sonda sers: ácido 2 - mercaptobenzoico, 4 - mercaptopiridina y trifosfato de adenosina. Estas moléculas de sonda sers se fijan a la superficie de las nanopartículas de plata. Durante la prueba, el sujeto exhaló al equipo durante unos 10 segundos, por lo que el compuesto reaccionado puede caracterizarse por cambios en la señal sers debido a la reacción química del nuevo Biomarcador & tipo & coronavirus en la exhalación con el sensor. Para las pruebas in situ de covid - covid - covid - covid - covid - covid - covid - covid - covid - covid - covid - covid - covid - covid - covid - covid - covid - covid - covid - covid - covid - covid - covid - covid Esto tiene una precisión considerable en comparación con la detección de reacción en cadena de la polimerasa y un costo más bajo, y el tiempo de detección es de solo 5 minutos. Cabe señalar que el instrumento no solo es capaz de detectar cambios en los tipos de compuestos orgánicos volátiles de origen biológico, sino que también se puede utilizar para detectar otros tipos de infecciones virales respiratorias.

Figura 1 diseño de esquema basado en la identificación de compuestos orgánicos volátiles respiratorios de individuos positivos de Nueva & Corona & enfermedad & veneno.

Aplicación de la tecnología sers en la detección del virus de la gripe

Los virus de la gripe son altamente contagiosos y mutantes, pueden desencadenar epidemias estacionales e incluso provocar una pandemia mundial, lo que supone una grave carga para la salud pública. Por lo tanto, es urgente estudiar un método preciso y rápido de detección del virus de la gripe para frenar su propagación mediante pruebas oportunas y precisas antes del brote de gripe. Chen y otros han desarrollado un sensor somatosensorial basado en la dispersión Raman mejorada en superficie (sers) de doble modo, que puede diagnosticar y distinguir con precisión la gripe a h1n1. En esta técnica, los aptamers de ADN con Unión selectiva al SARS - COV - 2 y a la gripe a H1N1 se fijan juntos en un nanosustrato de oro en forma de palomitas de maíz. Los genes de Reporter Raman (cy3 y rrx), conectados al final del aptamer de adn, pueden generar una fuerte señal sers en el nanoespacio del nanosustrato de oro. Al mismo tiempo, el gen reportador Raman estándar interno (4 - mba) se fija al nanosustrato de oro junto con el ADN somatosensorial para reducir el error causado por la medición de cambios ambientales. Cuando el virus del SARS - COV - 2 o la gripe A se acerca al nanosustrato de oro, el ADN asociado se aísla selectivamente del sustrato debido a la notable afinidad de unión entre el aptamer de ADN correspondiente y el virus. Por lo tanto, a medida que aumenta la concentración del virus objetivo, la intensidad de los sers correspondientes disminuye gradualmente. Este sensor adaptativo de ADN basado en sers puede determinar rápidamente si el paciente sospechoso está infectado con SARS - COV - 2 o gripe a, al tiempo que evalúa cuantitativamente la concentración del virus objetivo con alta sensibilidad y no se ve afectado por la respuesta cruzada.

Figura 2(a) síntomas que aparecen en el momento de la infección por SARS - COV - 2 o gripe a, así como RT - PCR y kits de antígenos rápidos para el diagnósticoV;B) palomitas de maízOro en formaFotos e imágenes de Sem del nanosustratoV;C) palomitas de maíz fijas biaptas para la detección de virusFormaNanometro de oroBaseCómo funciona.

Aplicación de la tecnología sers en la detección de infecciones bacterianas

Infección bacterianasíLa principal causa de muerte se cobra 6,7 millones de vidas al año en los países desarrollados y en desarrollo. El costo del tratamiento de estas infecciones también es alto, representando solo en Estados Unidos el 8,7% del gasto médico anual, es decir, 33.000 millones de dólares. Los métodos de diagnóstico actuales requieren un cultivo de muestras para detectar e identificar bacterias y su sensibilidad a los antibióticos, un proceso lento que puede llevar varios días incluso en un laboratorio de sexo. Por lo general, se prescriben antibióticos de amplio espectro a la espera de los resultados del cultivo, y más del 30% de los pacientes reciben tratamiento innecesario, según los datos de los centros para el control y la prevención de enfermedades. Por lo tanto, se necesitan nuevos métodos rápidos y sin cultivo para diagnosticar las infecciones bacterianas, a fin de poder prescribir antibióticos específicos antes y ayudar a reducir la resistencia a los antibióticos. El espectro Raman tiene el potencial de identificar los tipos de bacterias y la resistencia a los antibióticos, y cuando se combina con el espectro confocal, puede ser mecánicamente capaz de analizar células bacterianas individuales. Los diferentes fenotipos bacterianos tienen una composición molecular única y especial, lo que resulta en diferencias sutiles en sus espectros Raman correspondientes. Sin embargo, debido a la baja eficiencia de la dispersión de Raman (~ 10^{¿ 8}Probabilidad de dispersión), estas sutiles diferencias espectrales se ocultan fácilmente por el ruido de fondo. Por lo tanto, se necesita una alta relación señal - ruido para lograr una alta precisión de reconocimiento, que generalmente requiere mucho tiempo de medición, lo que dificulta el desarrollo de la tecnología unicelular de alto rendimiento. Además, un gran número de especies clínicamente relevantes, cepas y patrones de resistencia a los antibióticos requieren conjuntos de datos completos que no se han recopilado en estudios centrados en distinguir entre aislados de especies o sensibilidad a antibióticos. Ho y otros han respondido a este desafío a través de la tecnología sers combinada con el entrenamiento de redes neuronales de convolución, clasificando los espectros sers bacterianos a través del aislamiento, el tratamiento experiencial y la resistencia a los antibióticos.

Figura 3Las redes neuronales de convolución se utilizan paraSERSIdentificar bacterias en el espectro.

Resumen

Con el avance de la tecnología sers, actualmente hay tres ideas principales de aplicación en el campo de la detección: (1) adherirse secuencias de ácidos nucleicos específicos y anticuerpos a la superficie de nanopartículas y construir etiquetas sers para lograr una detección precisa de virus respiratorios en fluidos corporales complejos; (2) utilizar nuevas tecnologías de preparación de sustratos mejorados para hacer que el tamaño del "punto caliente" entre las nanopartículas sea más adecuado para las partículas virales, mejorar la eficiencia de la detección y reducir los costos, evitando efectivamente la interferencia de antecedentes biológicos como la saliva y la sangre en los resultados de la detección; (3) aplicaciones conjuntas con otras tecnologías de detección, como la tecnología conjunta sers - cromatografía, ensamblan sustratos mejorados sers en fibra óptica como sensores de detección altamente sensibles. Además, la combinación de sers y sensores de plasma se puede utilizar para la detección cuantitativa de alta sensibilidad de interacciones biomoleculares. La tecnología sers supera las deficiencias de las débiles señales espectrales Raman ordinarias y proporciona información estructural difícil de obtener.

La tecnología sers ha logrado avances significativos en la detección de patógenos de enfermedades respiratorias, sin embargo, para estudiar y diagnosticar los virus respiratorios de manera más completa y profunda, los investigadores suelen optar por utilizar el espectrómetro micro - Raman confocal. Este instrumento combina las características del Microscopio confocal láser y el espectrómetro raman, proporcionando ventajas únicas y especiales para la detección de sers de patógenos de enfermedades respiratorias:

Alta resolución espacial: el espectrómetro micro Raman confocal tiene una capacidad de imagen de alta resolución y puede observar la estructura y la estructura de la muestra a escala microscópica. En la detección de patógenos de enfermedades respiratorias, esta alta resolución espacial puede ayudar a los investigadores a localizar y observar con precisión pequeñas partículas virales o estructuras celulares.

Adquisición de información profunda: el espectrómetro micro Raman confocal puede realizar imágenes tridimensionales, proporcionando a los investigadores información profunda en el interior de la muestra. Esto es esencial para comprender la distribución e interacción de los patógenos a diferentes niveles celulares y ayuda a comprender de manera más completa el proceso de desarrollo de las enfermedades respiratorias.

Monitoreo en tiempo real: el espectrómetro micro Raman confocal tiene una función de monitoreo en tiempo real para rastrear los cambios dinámicos de los patógenos en las muestras. En el estudio de las enfermedades respiratorias, la vigilancia en tiempo real ayuda a los investigadores a comprender el ciclo de vida del virus, el proceso de infección y los efectos de las intervenciones terapéuticas.

Reducir la interferencia de fondo: el espectrómetro micro Raman confocal puede reducir la interferencia de la señal de fondo controlando con precisión el foco. Esto es particularmente importante para la detección de sers de alta sensibilidad en muestras biológicas complejas para garantizar la precisión y fiabilidad de los resultados de la detección.

Espectrómetro microscópico Raman de la serie atr8800 de espectro olímpico TianchengIntegrando hasta cuatro láseres y combinando las ventajas del microscopio y el espectrómetro raman, la Plataforma de detección Raman micro hace posible "ver y medir", y la Plataforma de detección Raman de posicionamiento preciso visual permite al observador detectar señales Raman en diferentes Estados superficiales de la muestra y mostrar simultáneamente la morfología de la microzona de la posición detectada en la computadora, lo que facilita enormemente la detección de la microzona raman.

ATR8800Toda la serie puede realizar un enfoque totalmente automático, un escaneo totalmente automático, una operación de un clic, puede realizar experimentos por lotes, escaneo de uniformidad, etc., sin esperar, y puede obtener datos Raman de imágenes de escaneo altamente confiables;

ATR8800Equipado con espectrómetros con diferentes longitudes focales para cumplir con los requisitos de diferentes resoluciones, el atr8800 también está equipado con un objetivo especialmente diseñado para el sistema raman, lo que permite que el punto láser se acerque al límite de difracción, y luego muestra la información del foco con precisión e intuición en la computadora a través de una cámara de 5 millones. Se supera el problema de que el plano focal de la señal Raman recogida en el sistema Raman ordinario es ligeramente superior o ligeramente inferior al plano focal real, mejorando así la calidad del espectro raman.

ATR8800Wan & midea resuelve la pérdida del camino del tiempo de imagen de la Cámara y realiza la separación de la imagen de la Cámara de la recopilación de señales raman, obteniendo así la intensidad de la señal de *. Al mismo tiempo, atr8800 utiliza Raman de alto rendimiento especialmente optimizado para sistemas Raman microscópicos, ya sea sensibilidad, relación señal - ruido, estabilidad, etc., son líderes de la industria y primeros niveles, proporcionando una fuerte garantía para la investigación raman.

Referencias:

Jiang heng, Zhang zhe, Jiang Shen resumen, etc. Avances en la investigación de la espectrometría Raman mejorada en superficie en la detección de virus respiratorios [j] medicina y clínica de laboratorio, 2023, 20 (14): 2096 - 2099.

Leong, Shi Xuan, et al. 'Análisis respiratorio no invasivo y basado en dispersión de Raman mejorada en la superficie en el punto de atención (SERS) para el cribado masivo de la enfermedad por coronavirus 2019 (COVID&-19) en menos de 5 minutos.' ACS nano 16.2 (2022): 2629 - 2639.

Chen, Hao, et al. aptasensores de ADN de modo dual basados en SERS para la clasificación rápida de la infección por SARS-CoV-2 y la influenza A/H1N1. '
Sensores y accionadores B: Químicos
355 (2022): 131324.

Ho, Chi-Sing, et al. Identificación rápida de bacterias patógenas utilizando espectroscopia de Raman y aprendizaje profundo. ' Comunicaciones naturales 10.1 (2019): 4.927.