Introdução

O inverno é o período de alta incidência de doenças respiratórias, atualmente as doenças respiratórias populares no nosso paíspor vários patógenoscausadoincluindo bactérias e、Vírus da gripeae o novo & tipo & coronavírus que desencadeou a pandemia global. Dadas as vias respiratóriasDoençasAltamente contagioso e transmissívelVelocidade!Características,E diferente.As infecções respiratórias causadas por patógenos variam significativamente nos sintomas e no tratamento, por isso a detecção e o diagnóstico precoces são eficazes para conter as vias respiratórias.Disseminação da doençainstrumentos importantes. Embora os métodos tradicionais de cultura de separação tenham vantagens significativas em termos de precisão e autoridade, não são capazes de atender às necessidades reais de testes clínicos atuais devido a suas operações onerosas, demoras e desvantagens como os riscos envolvidos na biossegurança. Os principais métodos de teste atualmente utilizados incluem o teste de ácido nucleico e o teste imunológico, mas estes métodos exigem equipamentos de laboratório especializados, treinamento profissional do operador, custos relativamente elevados e ciclos de teste mais longos.，Incapacidade de satisfazer o rápido aumento das vias respiratóriasAmostras de doençaNecessidade urgente de testes de campo em massa，Portanto, é urgente desenvolver novas tecnologias de detecção de vírus respiratórios.

Quando a luz é irradiada sobre a matéria, a luz dispersa que muda o comprimento de onda é chamada de dispersão de Raman. O comprimento de onda muda porque o nível de energia da vibração molecular muda após a transferência de energia entre os fótons e as moléculas da matéria irradiada.，A energia transferida pelos fótons durante a dispersão de Raman em diferentes matérias é diferente, o que permite identificar especificamente o tipo de matéria irradiada. E a superfície melhora o espectro de Raman（SERS）A tecnologia é irradiar a substância com base na dispersão Raman normal.adsorção ou conexãoNa superfície de metais preciosos rugosos, a intensidade do sinal de Raman é significativamente melhorada. Com base nas vantagens da análise inerente à dispersão de Raman comum, não afetada pela composição da água, amostras não requerem tratamento complexo, velocidade de detecção rápida e análise de campo com instrumentos portáteis, a tecnologia SERS tem maior sensibilidade e pode atingir níveis de detecção monomolecular em certas condições. Ao analisar amostras biológicas de pacientes, esta técnica pode detectar rapidamente marcadores moleculares específicos para identificar as causas de doenças respiratórias.EspecíficoPatógenos. Ajuda os profissionais de saúde a fazer diagnósticos precisos com antecedência e oferece aos pacientes soluções de tratamento mais oportunas e personalizadas. Ao reduzir o tempo de diagnóstico e reduzir o processo oneroso dos exames tradicionais, os métodos rápidos de teste prometem desempenhar um papel fundamental na prevenção e controle de doenças infecciosas, na melhoria da eficiência e na redução da carga médica, proporcionando um apoio mais eficaz ao tratamento de doenças respiratórias.

Aplicação da tecnologia SERS na detecção de COVID&-19

Novo & tipo & coronavírus é o sétimo coronavírus que pode infectar seres humanosePossui&Extremamente e altamente contagioso, o desenvolvimento de um novo método de detecção ultra-rápido e altamente sensível tornou-se especialmente urgente. LEONG e outros projetaram um novo detector portátil de coronavírus baseado na tecnologia SERS. O instrumento integra três chips internos, equipados com três grupos de moléculas de sonda SERS de ácido 2-mercatbenzônico, 4-mercatpiridina e trifosfato de adenosina, respectivamente. Estas moléculas da sonda SERS são fixadas na superfície das nanopartículas de prata. Durante o teste, o sujeito respira para o dispositivo por cerca de 10 segundos, e devido à reação química dos biomarcadores de novo & tipo & coronavírus na respiração com o sensor, o composto após a reação pode ser caracterizado por mudanças no sinal SERS. Para o teste de campo para o novo & tipo & coronavírus em 501 pessoas em hospitais e aeroportos, os resultados de LEONG et al. mostraram que a taxa de falso negativo para o método de teste foi de 3,8% e a taxa de falso positivo de 0,1%. Isso é bastante preciso em comparação com a detecção de reações em cadeia de polimerasa e é mais barato, com o tempo de detecção de apenas 5 minutos. Vale ressaltar que o instrumento não só é capaz de detectar mudanças de tipo em substâncias orgânicas voláteis de origem biológica, mas também pode ser usado para rastrear outros tipos de infecções virales das vias respiratórias.

Figura 1 Desenho de um programa baseado em compostos orgânicos voláteis respiratórios para identificar indivíduos novos e positivos para a COVID-19.

Aplicação da tecnologia SERS na detecção de vírus da gripe

Os vírus da gripe têm taxas elevadas de transmissibilidade e variabilidade que podem desencadear epidemias sazonais e até mesmo levar a pandemias globais, colocando um grande fardo na saúde pública. Portanto, é urgente pesquisar um método preciso e rápido de detecção do vírus da gripe para conter sua propagação com detecções oportunas e precisas antes de um surto de gripe. Chen et al. desenvolveram um sensor adaptador baseado na dispersão de Raman com reforço superficial em duplo modo (SERS) para diagnosticar e distinguir com precisão a gripe H1N1. Nesta técnica, os adaptadores de DNA que se ligam seletivamente ao SARS-CoV-2 e à gripe A H1N1 são fixados conjuntamente em uma base de ouro em forma de popcorn. Genes relatados por Raman (Cy3 e RRX), ligados à extremidade do adaptador de DNA, podem produzir fortes sinais SERS no nano-intervalo da base oura. Enquanto isso, o gene de relatório Raman endoscópico (4-MBA) foi fixado junto com o DNA apropriado no nanobase de ouro para reduzir os erros causados ​​pelas mudanças no ambiente de medição. Quando o SARS-CoV-2 ou o vírus da gripe A se aproximam do nanobase ouro, o adaptador de DNA correspondente é separado seletivamente do base devido à afinidade de ligação significativa entre o adaptador de DNA correspondente e o vírus. Assim, à medida que a concentração de vírus alvo aumenta, a intensidade do SERS correspondente diminui gradualmente. Este sensor adaptador de DNA baseado em SERS pode determinar rapidamente se um paciente suspeito está infectado com SARS-CoV-2 ou gripe A, ao mesmo tempo que avalia quantitativamente a concentração do vírus alvo com alta sensibilidade, sem ser afetado por respostas cruzadas.

Figura 2(a) Os sintomas da infecção por SARS-CoV-2 ou gripe A, bem como RT-PCR e kits de antígeno rápido para diagnóstico；b) PopcornEstatutoFotografias e imagens de SEM de base nanométrica；c) Popcorn fixa com duplo adaptador para detecção de vírusEstadoKim NanmiBasePrincípio de funcionamento.

Aplicação da tecnologia SERS na detecção de infecções bacterianas

Infecção bacterianasimA principal causa de morte é a morte de 6,7 milhões de pessoas por ano em países desenvolvidos e em desenvolvimento. O custo do tratamento dessas infecções também é alto, representando 8,7% dos gastos anuais com saúde, ou 33 bilhões de dólares, apenas nos Estados Unidos. Os métodos atuais de diagnóstico exigem culturas de amostras para detectar e identificar as bactérias e sua sensibilidade aos antibióticos, um processo lento que pode levar vários dias, mesmo em laboratórios ***. Antibióticos de amplo espectro são geralmente prescritos à espera dos resultados da cultura e, de acordo com os Centros de Controle e Prevenção de Doenças, mais de 30% dos pacientes receberam tratamento desnecessário. Portanto, novas abordagens rápidas e sem cultura para diagnosticar infecções bacterianas são necessárias para que os antibióticos direcionados possam ser prescritos mais cedo e ajudar a reduzir a resistência aos antibióticos. O espectro de Raman tem o potencial de identificar espécies de bactérias e resistência a antibióticos e, quando combinado com o espectro confocal, permite a análise mecânica de células bacterianas individuais. Diferentes fenótipos bacterianos têm composições moleculares únicas e específicas, o que resulta em pequenas diferenças no espectro de Raman correspondente. No entanto, devido à baixa eficiência da dispersão Raman (~10)^?8Probabilidade de dispersão), essas sutis diferenças espectrais são facilmente escondidas pelo ruído de fundo. Portanto, uma alta relação sinal-ruído é necessária para alcançar uma alta precisão de reconhecimento, que geralmente requer um longo tempo de medição, o que dificulta o desenvolvimento de tecnologias de célula única de alto fluxo. Além disso, um grande número de espécies, cepas e padrões de resistência aos antibióticos clínicamente relevantes exigem conjuntos de dados abrangentes que não foram coletados em estudos que se concentraram em distinguir cepas isoladas de espécies ou sensibilidade aos antibióticos. Ho et al. abordaram esse desafio através da tecnologia SERS combinada com treinamento de rede neural convulsiva, classificando o espectro SERS bacteriano por meio de isolamento, terapia empírica e resistência a antibióticos.

Figura 3Redes neurais convulsivas são usadas paraSERSIdentificação de bactérias no espectro.

Resumo

Com o progresso da tecnologia SERS, existem atualmente três principais ideias de aplicação no campo da detecção: (1) a ligação de sequências específicas de ácidos nucleicos e anticorpos à superfície das nanopartículas, a construção de etiquetas SERS, para alcançar a detecção precisa de vírus respiratórios em líquidos corporais complexos; (2) Usar uma nova tecnologia de preparação de base melhorada para tornar o tamanho do "ponto quente" entre as nanopartículas mais adequado para as partículas de vírus, melhorar a eficiência da detecção e reduzir os custos, ao mesmo tempo que evita eficazmente a interferência de fundo biológico, como saliva e sangue, nos resultados do teste; (3) Aplicações conjuntas com outras tecnologias de detecção, como a tecnologia combinada SERS-cromatografia, montam o substrato reforçado SERS em fibra óptica como um sensor de detecção altamente sensível. Além disso, a combinação de sensores SERS e plasma pode ser usada para detecção quantitativa de alta sensibilidade de interações biomoléculares. A tecnologia SERS supera as desvantagens do sinal espectral Raman comum e fornece informações estruturais difíceis de obter.

A tecnologia SERS fez progressos significativos na detecção de patógenos de doenças respiratórias, no entanto, para estudar e diagnosticar os vírus respiratórios de forma mais abrangente e aprofundada, os pesquisadores geralmente optam por usar espectrômetros de microraman confocais. Este instrumento combina as características do microscópio confocal a laser e do espectrómetro Raman para oferecer vantagens únicas e exclusivas para a detecção de patógenos SERS para doenças respiratórias:

Alta resolução espacial: O espectrómetro microRaman cofocal tem capacidade de imagem de alta resolução para observar a estrutura e o tecido da amostra em escala microscópica. Na detecção de patógenos de doenças respiratórias, essa alta resolução espacial ajuda os pesquisadores a localizar e observar com precisão pequenas partículas virales ou estruturas celulares.

A obtenção de informações de profundidade: o espectrómetro de microscópio Raman cofocal permite a imagem tridimensional, fornecendo aos pesquisadores informações de profundidade dentro da amostra. Isso é essencial para a compreensão da distribuição e interação de patógenos em diferentes níveis celulares e contribuir para uma compreensão mais abrangente do processo de desenvolvimento de doenças respiratórias.

Monitoramento em tempo real: o espectrômetro de microscópio Raman confocal tem monitoramento em tempo real para acompanhar as mudanças dinâmicas de patógenos em amostras. No estudo de doenças respiratórias, a monitorização em tempo real ajuda os pesquisadores a entender o ciclo de vida do vírus, o processo de infecção e o efeito das intervenções terapêuticas.

Redução da interferência de fundo: o espectrómetro microRaman cofocal é controlado com precisão pelo ponto de foco para reduzir a interferência do sinal de fundo. Isso é especialmente importante para a realização de testes SERS de alta sensibilidade em amostras biológicas complexas para garantir a precisão e confiabilidade dos resultados.

Espectrómetro microRaman da série ATR8800Com a integração de até quatro lasers e a combinação das vantagens do microscópio e do espectrómetro de Raman, a plataforma de detecção de microraman torna possível o "ver como medir", a plataforma de detecção de Raman de localização precisa da visualização permite que o observador detecte sinais de Raman em diferentes estados de superfície da amostra e exiba sincronicamente a forma de microzona da localização detectada no computador, facilitando muito a detecção de microzona de Raman.

do ATR8800A série completa pode realizar foco totalmente automático, varredura totalmente automática, operação de um clique, pode realizar experimentos em lote, varredura de uniformidade, etc., sem esperar, e pode obter dados Raman de imagem de varredura de alta confiabilidade;

do ATR8800Equipado com espectrômetros com diferentes distâncias focais para atender às diferentes resoluções, o ATR8800 também tem objetivos projetados especificamente para o sistema Raman, que aproximam a mancha laser do limite de difração e mostram a informação de foco de forma precisa e intuitiva no computador através de 5 milhões de câmeras. A qualidade do espectro de Raman foi melhorada ao superar o problema de que a superfície focal do sinal Raman coletado em um sistema Raman comum é ligeiramente superior ou inferior à superfície focal real.

do ATR8800Resolve perfeitamente a perda do caminho temporal da imagem da câmera, alcançando a separação da imagem da câmera da coleta do sinal Raman, obtendo assim a intensidade do sinal **. Ao mesmo tempo, o ATR8800 usa Raman de alto desempenho otimizado especificamente para sistemas de microraman, seja em termos de sensibilidade, relação sinal-ruído, estabilidade, etc., é líder e líder no setor, fornecendo uma forte garantia para a pesquisa Raman.

Referências:

Jiang Heng, Zhang Zhe, Jiang Shen revisão, etc. Progresso da pesquisa no espectro de Raman melhorado de superfície na detecção de vírus respiratórios [J].Teste Medicina e Clínica, 2023, 20(14):2096-2099.

Leong, Shi Xuan, et al. 'Analisador respiratório não invasivo e baseado em dispersão de Raman melhorada na superfície do ponto de cuidado (SERS) para triagem em massa da doença do coronavírus 2019 (COVID&-19) em menos de 5 minutos.' ACS nano 16.2 (2022): 2629-2639.

Chen, Hao, et al. 'aptasensores de DNA de modo duplo baseados em SERS para classificação rápida da infecção por SARS-CoV-2 e gripe A/H1N1. '
Sensores e atuadores B: Químicos
355 (2022): 131324.

Ho, Chi-Sing, et al. Identificação rápida de bactérias patogênicas usando espectroscopia de Raman e aprendizagem profunda. ' Comunicações naturais 10.1 (2019): 4927.