Einleitung

Der Winter ist eine hohe Häufigkeit von Atemwegsinfektionen, die derzeit in unserem Land verbreitet sinddurch verschiedene Krankheitserregerverursachteinschließlich Bakterien und、GrippevirusmitUnd neue & Typen & Coronavirus, die eine globale Pandemie auslösen. Angesichts der AtemwegeKrankheitHoch ansteckend und übertragbarSchnell.Eigenschaften,Und anders.Atemwegsinfektionen, die durch Pathogene ausgelöst werden, unterscheiden sich erheblich in Bezug auf Symptome und Behandlung, daher ist eine frühzeitige Erkennung und Diagnose effektiv, um die Atemwege einzudämmenVerbreitung der KrankheitWichtige Mittel. Obwohl die herkömmlichen Isolationskulturmethoden erhebliche Vorteile in Bezug auf Genauigkeit und Autorität haben, können sie aufgrund ihrer aufwendigen Bedienung, ihrer langen Zeit und ihrer Nachteile wie Risiken für die Biosicherheit nicht mehr die praktischen Anforderungen der aktuellen klinischen Tests erfüllen. Die derzeit hauptsächlich verwendeten Testmethoden umfassen Nukleinsäure-Tests und Immunologie-Tests, aber diese Methoden erfordern professionelle Laborausrüstung, die Bediener benötigen eine fachliche Ausbildung, die relativ hoch sind und die Testzyklen sind länger.，Nicht in der Lage, die schnell zunehmenden Atemwege zu befriedigenKrankheitsprobenDer dringende Bedarf an massiven Vorfeldprüfungen，Deshalb ist es dringend notwendig, neue Technologien zur Erkennung von Atemwegsvirusen zu entwickeln.

Wenn Licht auf eine Substanz bestreut wird, wird die Streuung von Licht, das sich in der Wellenlänge ändert, als Raman-Streuung bezeichnet. Die Wellenlänge ändert sich, weil sich die Energieübertragung zwischen dem Photon und den Molekülen der bestrahlten Substanz ändert.，Während die Energie, die die Photonen bei der Raman-Streuung auf verschiedenen Substanzen übertragen, unterschiedlich ist, kann die Art der bestrahlten Substanz spezifisch identifiziert werden. Oberflächenverstärktes Raman-Spektrum（SERS）Die Technik besteht darin, Materialien auf der Grundlage einer normalen Raman-Streuung zu bestrahlen.Absorption oder VerbindungAuf der rauen Edelmetalloberfläche wird die Raman-Signalstärke erheblich verbessert. Auf der Grundlage der Vorteile der normalen Raman-Streuung-Analyse, die nicht von der Wasserzusammensetzung beeinflusst wird, die Proben keine komplexe Behandlung erfordern, die Erkennungsgeschwindigkeit schnell ist und die Verwendung tragbarer Instrumente für die Feldanalyse ermöglicht, hat die SERS-Technologie eine höhere Empfindlichkeit und kann unter bestimmten Bedingungen ein monomolekulares Testniveau erreichen. Durch die Analyse biologischer Proben von Patienten kann diese Technik spezifische molekulare Marker schnell erkennen, um die Ursache einer Atemwegserkrankung zu bestimmen.SpezifischKrankheitserreger. Es hilft medizinischen Fachleuten, eine präzise Diagnose früher zu stellen und den Patienten eine zeitgerechtere und individuellere Behandlung zu bieten. Durch die Verkürzung der Diagnosezeiten und die Reduzierung der aufwendigen Prozesse herkömmlicher Untersuchungen können schnelle Testmethoden eine entscheidende Rolle bei der Prävention von Infektionskrankheiten, der Verbesserung der medizinischen Effizienz und der Reduzierung der medizinischen Belastung spielen, um die Behandlung von Atemwegserkrankungen effektiver zu unterstützen.

Anwendung der SERS-Technologie bei der Erkennung von Neuen & Coronaviren & Viren (COVID&-19)

Neues & Typ & Coronavirus ist das siebte Coronavirus, das den Menschen infizieren kannundbesitzt&Aus der hohen Infektionsfähigkeit ist es besonders dringend, eine neue, ultraschnelle und hochempfindliche Testmethode zu entwickeln. LEONG et al. entwarfen einen neuen, auf der SERS-Technologie basierenden, tragbaren Coronavirus-Detektor. In das Instrument sind drei Chips integriert, die mit 3 Gruppen von SERS-Sondenmolekülen für 2-Mercatbenzonsäure, 4-Mercatpyridin und Adenosin-Triphosphat ausgestattet sind. Diese SERS-Sondenmoleküle werden an der Oberfläche von Silbernanonopartikeln befestigt. Während des Testprozesses atmet der Probanden etwa 10 Sekunden in das Gerät aus, da die neuen & Typ & Coronavirus-Biomarker in der Atmung mit dem Sensor chemisch reagieren, können die Verbindungen nach der Reaktion durch Veränderungen des SERS-Signals charakterisiert werden. Bei einem Feldtest von 501 Personen in Krankenhäusern und Flughäfen zeigten die Ergebnisse von LEONG et al. eine Fälschungsnegativität von 3,8% und eine Fälschungspositivität von 0,1%. Dies ist im Vergleich zur Polymeraskettenreaktionsdetektion sehr genau und kostengünstiger mit einer Detektionszeit von nur 5 Minuten. Es ist bemerkenswert, dass das Gerät nicht nur in der Lage ist, Artenveränderungen von flüchtigen organischen Stoffen aus biologischer Quelle zu erkennen, sondern auch für das Screening anderer Arten von Atemwegsinfektionen verwendet werden kann.

Abbildung 1 Entwurf eines Programms basierend auf der Identifizierung neuer & Corona & Krankheit & Gift-positive Individuen durch atmungsflüchtige organische Verbindungen.

Anwendung der SERS-Technologie zur Erkennung von Grippeviren

Grippeviren haben eine hohe Infektions- und Variationsrate und können saisonale Epidemien auslösen und sogar eine globale Pandemie verursachen, die eine erhebliche Last für die öffentliche Gesundheit darstellt. Daher ist es dringend notwendig, eine genaue und schnelle Methode zur Erkennung von Grippeviren zu entwickeln, um die Ausbreitung durch rechtzeitige und genaue Erkennungen vor einem Grippeausbruch einzudämmen. Chen et al. haben einen adaptiven Sensor entwickelt, der auf der Dual-Mode-Oberflächenverstärkten Raman-Streuung (SERS) basiert, um gleichzeitig die genaue Diagnose und Unterscheidung von Grippe A und H1N1 zu ermöglichen. Bei dieser Technik wurden DNA-Adapter, die selektiv an SARS-CoV-2 und H1N1-Grippe A binden, gemeinsam an einem popcornartigen goldenen Nanobasis befestigt. Die Raman-berichteten Gene (Cy3 und RRX), die an die Enden der DNA-Adapter angeschlossen sind, können ein starkes SERS-Signal im Nano-Spalt der goldenen Nanobasis erzeugen. Gleichzeitig wird das endometrische Raman-Berichtsgen (4-MBA) zusammen mit der adaptiven DNA an der Gold-Nanobasis fixiert, um Fehler durch Messveränderungen in der Umgebung zu reduzieren. Wenn sich SARS-CoV-2 oder das Influenza-Virus A der goldenen Nanobasis nähert, wird der entsprechende DNA-Adaptor selektiv von der Basis getrennt, da es eine signifikante Bindungsanfinität zwischen dem entsprechenden DNA-Adaptor und dem Virus gibt. Daher nimmt die entsprechende SERS-Intensität allmählich ab, wenn die Zielvirenkonzentration steigt. Dieser SERS-basierte DNA-Adapter-Sensor kann schnell feststellen, ob ein verdächtiger Patient mit SARS-CoV-2 oder Grippe A infiziert ist und gleichzeitig die Zielkonzentration des Virus mit hoher Empfindlichkeit und ohne Einfluss von Kreuzreaktionen quantitativ bewerten.

Abbildung 2(a) Symptome bei einer Infektion mit SARS-CoV-2 oder Grippe A sowie RT-PCR und Rapid Antigen Kits zur Diagnose；b) PopcornGeldFotos und SEM-Bilder von Nanobasis；c) Dual-Adapter-Fixed Popcorn zur VirenditektionZustandKim NanmiGrundlageArbeitsprinzip.

Anwendung der SERS-Technologie zur Erkennung bakterieller Infektionen

Bakterielle InfektionjaDie Hauptursache des Todes tötet jährlich 6,7 Millionen Menschen in den entwickelten und Entwicklungsländern. Auch die Kosten für die Behandlung dieser Infektionen sind hoch und machen allein in den USA 8,7 Prozent der jährlichen Gesundheitsausgaben oder 33 Milliarden Dollar aus. Die aktuellen Diagnosemethoden erfordern eine Probenkultur, um Bakterien und ihre Antibiotikaempfindlichkeit zu erkennen und zu identifizieren, ein langsamer Prozess, der sogar in einem Labor von *** Tage dauern kann. In der Regel werden breitspektrige Antibiotika verschrieben, während sie auf die Kulturergebnisse warten, und nach Angaben des Centers for Disease Control and Prevention erhalten mehr als 30% der Patienten eine unnötige Behandlung. Daher sind neue Ansätze zur schnellen, kulturfreien Diagnose bakterieller Infektionen erforderlich, um gezielte Antibiotika früher verschreiben zu können und zur Verringerung der Antibiotikaresistenz beizutragen. Das Raman-Spektrum hat das Potenzial, die Arten von Bakterien und Antibiotikaresistenz zu erkennen, und kann in Kombination mit dem konfokalen Spektrum eine mechanische Analyse einzelner Bakterienzellen ermöglichen. Verschiedene bakterielle Phänotypen haben eine einzigartige und einzigartige molekulare Zusammensetzung, die zu feinen Unterschieden in ihrem entsprechenden Raman-Spektrum führt. Aufgrund der geringeren Effizienz der Raman-Streuung (~10)^?8Diese subtilen spektralen Unterschiede können leicht durch Hintergrundgeräusche verdeckt werden. Daher ist ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis erforderlich, um eine hohe Erkennungsgenauigkeit zu erreichen, was in der Regel eine lange Messzeit erfordert, was die Entwicklung der Hochdurchfluss-Einzellertechnologie behindert. Darüber hinaus erfordern eine Vielzahl von klinisch relevanten Arten, Stämmen und Mustern der Antibiotikaresistenz umfassende Datensätze, die in Studien, die sich auf die Unterscheidung von Isolationen von Arten oder Antibiotikaempfindlichkeit konzentrieren, nicht gesammelt wurden. Ho et al. lösten diese Herausforderung mit der SERS-Technologie in Kombination mit dem konvolutiven neuronalen Netzwerktraining, um das SERS-Spektrum der Bakterien durch Isolation, empirische Therapie und Antibiotikaresistenz zu klassifizieren.

Abbildung 3Konventionelle neuronale Netzwerke werden vonSERSErkennung von Bakterien im Spektrum.

Zusammenfassung

Mit dem Fortschritt der SERS-Technologie gibt es derzeit drei Anwendungsgeschichte im Bereich der Detektion: (1) spezifische Nukleinsäuresequenzen und Antikörper an die Oberfläche von Nanopartikeln befestigen und SERS-Etiketten aufbauen, um eine genaue Detektion von Atemwegsvirusen in komplexen Körperflüssigkeiten zu erreichen; (2) die Verwendung einer neuen Technologie zur Verbesserung der Basisvorbereitung, um die "Hotspot"-Größe zwischen den Nanopartikeln für Viruspartikel besser zu gestalten, die Effizienz der Detektion zu verbessern und die Kosten zu senken, während die Störungen von Speichel, Blut und anderen biologischen Hintergründen effektiv vermieden werden; (3) In Kombination mit anderen Erkennungstechnologien, wie der SERS-Chromatografie-Kombinationstechnologie, wird das SERS-verstärkte Substrat als hochempfindlicher Erkennungssensor auf die Faser montiert. Darüber hinaus kann die Kombination von SERS und Plasma-Sensing für die hochempfindliche quantitative Detektion von biomolekularen Wechselwirkungen verwendet werden. Die SERS-Technologie überwindet die Schwächen des normalen Raman-Spektralsignals und liefert strukturelle Informationen, die schwer zugänglich sind.

Die SERS-Technologie hat erhebliche Fortschritte bei der Erkennung von Pathogenen für Atemwegserkrankungen gemacht, aber für eine umfassendere und tiefere Untersuchung und Diagnose von Atemwegsviren wählen Forscher in der Regel das kofokurale Raman-Mikrospektrometer. Dieses Gerät kombiniert die Eigenschaften des Laserkonfokusmikroskops und des Raman-Spektrometers und bietet einen einzigartigen Vorteil für die SERS-Detektion von Atemwegserkrankungen:

Hohe räumliche Auflösung: Das Kofokuss-Mikro-Raman-Spektrometer verfügt über eine hochauflösende Bildgebungskapazität, die die Struktur und das Gewebe der Probe auf mikroskopischer Skala beobachten kann. Diese hohe räumliche Auflösung hilft Forschern bei der Erkennung von Atemwegserkrankungen, kleine Viruspartikel oder Zellstrukturen genau zu lokalisieren und zu beobachten.

Tiefenerfassung: Das kofokurale Raman-Spektrometer ermöglicht eine dreidimensionale Bildgebung, die Forschern Tiefeninformationen über das Innere der Probe liefert. Dies ist von entscheidender Bedeutung für das Verständnis der Verteilung und Wechselwirkungen von Pathogenen auf verschiedenen Zellenebenen und hilft, ein umfassenderes Verständnis der Entwicklung von Atemwegserkrankungen zu erhalten.

Echtzeit-Überwachung: Das kofokurale Raman-Spektrometer verfügt über eine Echtzeit-Überwachung, die die dynamischen Veränderungen der Krankheitserreger in der Probe verfolgt. Bei der Studie von Atemwegserkrankungen hilft die Echtzeitüberwachung den Forschern, den Lebenszyklus des Virus, den Infektionsprozess und die Wirkung von therapeutischen Interventionen zu verstehen.

Verringerung der Hintergrundstörungen: Das kofokusierte Raman-Spektrometer kann durch eine präzise Steuerung des Fokuspunkts die Störungen des Hintergrundsignals reduzieren. Dies ist besonders wichtig bei der Durchführung hochempfindlicher SERS-Tests in komplexen biologischen Proben, um die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Testergebnisse zu gewährleisten.

MikroRaman-Spektrometer der ATR8800-SerieMit bis zu vier Lasern und der Kombination der Vorteile des Mikroskops und des Raman-Spektrometers ermöglicht die Mikro-Raman-Erkennungsplattform die "gesehen wie gemessen" und die visualisierte präzise Positionierung der Raman-Erkennungsplattform, so dass der Beobachter das Raman-Signal in verschiedenen Oberflächenzustanden auf der Probe erkennen kann und die Mikrozonenmorma der erkannten Position auf dem Computer synchronisieren kann, was die Raman-Mikrozonen-Erkennung erheblich erleichtert.

Der ATR8800Die gesamte Serie kann vollautomatisch fokussieren, vollautomatisch scannen, mit einem Klick, kann Batch-Experimente, Gleichmäßigkeit-Scan usw. durchführen, ohne zu warten, und kann eine hohe Zuverlässigkeit der Scan-Imaging-Raman-Daten erhalten;

Der ATR8800Ausgestattet mit einem Spektrometer mit unterschiedlichen Brennweiten, um die Anforderungen an unterschiedliche Auflösungen zu erfüllen, ist der ATR8800 auch mit Objektiven ausgestattet, die speziell für das Raman-System entwickelt wurden, um den Laserfleck der Diffraktionsgrenze zu nähern und anschließend die Fokusinformationen präzise und intuitiv über eine 5-Millionen-Kamera auf dem Computer anzuzeigen. Die Problematik der Aufnahme von Raman-Signalen in normalen Raman-Systemen, deren Brennfläche etwas höher oder geringer als die tatsächliche *** ist, wurde überwunden, um die Qualität des Raman-Spektrums zu verbessern.

Der ATR8800Perfekt & perfekt löst den Verlust der Kamera-Bildgebung Zeitweg, die Trennung der Kamera-Bildgebung und Raman-Signalsammlung zu erreichen, wodurch ** Signalstärke erhalten. Gleichzeitig verwendet der ATR8800 ein hochleistungsfähiges Raman-System, das speziell für Mikro-Raman-Systeme optimiert wurde, unabhängig davon, ob es sich um Empfindlichkeit, Signal-Rausch-Verhältnis, Stabilität usw. handelt.

Referenzen:

Jiang Heng, Zhang Zhe, Jiangshen Übersicht, etc. Fortschritte der Forschung über Oberflächenverstärkte Raman-Spektrum in Atemwege-Virus-Detektion [J].Testmedizin und Klinik, 2023, 20(14):2096-2099.

Leong, Shi Xuan, et al. 'Nichtinvasives und Point-of-Care-Surface-Enhanced Raman Scattering (SERS)-basiertes Atmungsanalysator für das Massenscreening der Coronavirus-Erkrankung 2019 (COVID&-19) unter 5 Minuten.' ACS nano 16.2 (2022): 2629-2639.

Chen, Hao, et al. 'SERS-basierte Dual-Mode-DNA-Aptasensoren für die schnelle Klassifizierung von SARS-CoV-2 und Influenza A/H1N1-Infektion. '
Sensoren und Aktuatoren B: Chemie
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Ho, Chi-Sing, et al. Schnelle Identifizierung pathogener Bakterien mit Raman-Spektroskopie und Deep Learning. ' Naturkommunikation 10.1 (2019): 4927.