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新型荧光纳米传感器可快速检测病原体
2020-12-05 10:42:26   来源:麦姆斯咨询   评论:0   点击:

研究团队将九个纳米传感器集成到水凝胶阵列中,创建了空间编码的传感器模式,旨在在对光谱输出进行适当的数据分析后,产生细菌活动的近红外指纹。

波鸿鲁尔大学(University of Bochum)及其合作伙伴联合开发出对有害病原体产生反应的结构。

据麦姆斯咨询报道,波鸿鲁尔大学、哥廷根大学和Fraunhofer IMS等团队研究人员开发出一种检测细菌和感染的新方法,可以比现有技术更快地揭示有害病原体的存在。这项新方法基于在近红外波段发出荧光的纳米管。该研究发表在《自然-通讯》期刊上。

新型荧光纳米传感器可快速检测病原体

项目研究人员:Sebastian Kruß和Robert Nißler

尽管使用纳米材料作为生物传感器的概念已成为近期许多研究的主题,但是对于细菌进行远程光学检测以及有效临床应用所需的选择性和灵敏度仍然是一个挑战。

该研究小组在其发表的论文中指出:“由于感染或污染是一个高度复杂的生化过程,因此用于检测细菌的传感器要求非常高。”

“此外,仅凭一个传感器就不能具有足够的选择性。因此,在不进行大量样本采集和处理的情况下进行快速、无接触的局部检测可以促进个性化病原体诊断领域的发展。”

该项目的解决方案基于半导体单壁碳纳米管(SWCNT),其新颖的光学和电学特性已经吸引了包括光伏和环境监测在内的许多应用。

众所周知,半导体单壁碳纳米管能够在近红外条件下发出荧光,由于生物组织中此类结构的光吸收和散射可能会减少,加上超低背景荧光,因此可以开启生物光子学的新应用。

半导体单壁碳纳米管的荧光行为也会因环境中某些分子的存在而改变,这是新项目打算利用的现象。将精心选择的肽连接到半导体单壁碳纳米管上,可以合成受细菌代谢产物和毒力因子影响的纳米管,例如细胞壁成分、螯合分子和酶活性。

该项目设想将改良的荧光纳米传感器整合到聚乙二醇水凝胶阵列中,细菌可以在该聚乙二醇水凝胶阵列上生长。当细菌释放的分子到达半导体单壁碳纳米管时,传感器阵列的近红外光谱指纹将以特定病原体的特征方式发生改变。

人体植入物感染的检测

“该传感器在近红外范围内的工作原理与光学成像特别相关,因为在此范围内,可以破坏结果的背景信号要少得多。”研究人员Sebastian Kruß说,“由于这种波长的光比可见光更深入人体组织,因此即使在伤口敷料下或人体植入物下,传感器也能读出细菌信号。”

在试验中,该研究团队将九个纳米传感器集成到水凝胶阵列中,创建了空间编码的传感器模式,旨在在对光谱输出进行适当的数据分析后,产生细菌活动的近红外指纹。

该研究项目还采用了手性纯化的半导体单壁碳纳米管,以便多个传感器也可以在900纳米、1000纳米和1250纳米处进行光谱编码,并用于重要细菌的高光谱区分。

对人工关节植入物术后感染的六种最显著的细菌进行测试表明,距离水凝胶超过25厘米远的远程近红外成像可以成功地识别和区分细菌。此外,光谱编码的传感器可以区分两种主要病原体,铜绿假单胞菌和金黄色葡萄球菌,深度超过5毫米。

进一步的发展可能会看到一种多路复用方法,使用不同的近红外荧光纳米传感器不仅可以远程检测和区分重要的病原体,还可以开发用于临床的智能表面。

哥廷根大学的Robert Nißler评论说:“未来,这将成为光学检测人体植入物感染的基础,因为不再需要取样。”

“这将使愈合过程中可能的感染得到快速检测,从而改善患者护理。但是可能的应用领域不限于此。例如,在败血症的情况下,血液培养快速诊断的改进在未来也是可以期待的。”

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