Introduction

L'hiver est la période de forte incidence des maladies infectieuses respiratoires, actuellement les maladies respiratoires endémiques dans notre paysPar plusieurs pathogènesProvoque, y compris les bactéries, mycoplasmes、Virus de la grippeàEt le nouveau & type & coronavirus qui a déclenché une pandémie mondiale, etc. Compte tenu des voies respiratoiresLa maladieHautement contagieux, transmissibleVitesse rapideCaractéristiques,Et différentLes infections respiratoires causées par des agents pathogènes diffèrent considérablement en termes de symptômes et de traitement, de sorte que la détection précoce et le diagnostic sont efficaces pour contenir les voies respiratoiresPropagation de la maladieDes moyens importants. Bien que les méthodes traditionnelles de culture d'isolement présentent des avantages significatifs en termes de précision et de puissance, elles ne répondent plus aux besoins réels des tests cliniques actuels en raison de leur manipulation fastidieuse, de leur longueur et de leurs inconvénients liés aux risques de biosécurité. Actuellement, les principales méthodes de test utilisées comprennent le test d'acide nucléique et le test immunologique, mais ces méthodes nécessitent un équipement de laboratoire professionnel, le personnel d'exploitation doit recevoir une formation professionnelle, le coût est relativement élevé, tandis que le cycle de test est également plus long.，Incapacité à satisfaire une augmentation rapide des voies respiratoiresÉchantillons de maladiesUn besoin urgent de détection sur site à grande échelle，Il est donc urgent de développer de nouvelles techniques de détection des Virus respiratoires.

Lorsque la diffusion de la lumière sur la matière se produit, la lumière diffusée dont la longueur d'onde change est appelée Diffusion Raman. La raison de la modification de la longueur d'onde est la modification du niveau de Vibration moléculaire après un transfert d'énergie entre les photons et les molécules de la substance irradiée，Alors que les photons transfèrent différentes énergies lors de la diffusion Raman sur différentes substances, il est possible d'identifier spécifiquement les espèces de substances irradiées. Tandis que la surface renforce la spectroscopie Raman(SERS) etLa technologie sera irradiée sur la base de la diffusion Raman ordinaireAdsorption ou ConnexionSur la surface en métal précieux rugueux, de sorte que la force du signal Raman est grandement améliorée. Sur la base des avantages de l'analyse non destructive inhérente à la diffusion Raman ordinaire, non affectée par la composition de l'eau, l'échantillon n'a pas besoin de traitement complexe, la vitesse de détection est rapide, l'analyse sur le terrain peut être effectuée à l'aide d'instruments portables, etc., la technologie SERS a une sensibilité plus élevée et peut atteindre le niveau d'inspection monomoléculaire dans certaines conditions. En analysant les échantillons biologiques des patients, cette technique permet de détecter rapidement des marqueurs moléculaires spécifiques, ce qui permet d'identifier ceux qui déclenchent des maladies respiratoires.SpécificitéLes pathogènes. Aider les professionnels de la santé à établir un diagnostic précis plus tôt, en offrant aux patients des options de traitement plus rapides et individualisées. En réduisant le temps de diagnostic et en réduisant le processus fastidieux des examens traditionnels, les méthodes de test rapides devraient jouer un rôle clé dans la prévention et le contrôle des maladies infectieuses, l'amélioration de l'efficacité des soins de santé et la réduction du fardeau des soins de santé, offrant un soutien plus efficace au traitement des maladies respiratoires.

Application de la technologie sers à la détection de nouveaux coronavirus, maladies et virus (covid & 19)

Le nouveau & coronavirus est le 7ème coronavirus à infecter les humainsEtAvec &Extrêmement contagieux, il est donc particulièrement urgent de développer un nouveau test ultra - rapide et très sensible. Leong et al. ont conçu un nouveau & type & coronavirus & détecteur portable basé sur la technologie SERS. Trois puces sont intégrées à l'intérieur de l'instrument, chargées de 3 groupes de molécules sondes SERS, à savoir l'acide 2 - mercaptobenzoïque, la 4 - Mercaptopyridine et l'adénosine triphosphate. Ces molécules sondes SERS sont fixées sur la surface des nanoparticules d'argent. Au cours de la détection, la personne testée a expiré dans l'appareil pendant environ 10 secondes et, comme les nouveaux biomarqueurs de type & coronavirus dans l'expiration réagissent chimiquement avec le capteur, les composés après réaction peuvent être caractérisés par des changements dans le signal SERS. Pour les tests de dépistage du nouveau coronavirus et du coronavirus effectués sur le terrain auprès de 501 personnes dans les hôpitaux et les aéroports, les résultats de Leong et al. ont montré un taux de faux négatifs de 3,8% et un taux de faux positifs de 0,1%. C'est une précision comparable à la détection par réaction en chaîne de la polymérase et un coût inférieur, avec un temps de détection de seulement 5 minutes. Il est important de noter que l'instrument est capable de détecter non seulement les changements d'espèces de COV d'origine biologique, mais peut également être utilisé pour dépister d'autres types d'infections virales respiratoires.

La figure 1 est basée sur la conception d'un protocole pour identifier les individus nouveaux & coronariens & malades & toxiques positifs pour les COV respiratoires.

Application de la technologie sers à la détection des virus de la grippe

Les virus de la grippe ont des taux élevés d'infectiosité et de variabilité, ce qui peut déclencher des épidémies saisonnières et même entraîner des pandémies mondiales, ce qui représente un lourd fardeau pour la santé publique. Il est donc urgent d'étudier une méthode de détection précise et rapide du virus de la grippe pour freiner sa propagation par une détection rapide et précise avant une éclosion de grippe. Chen et al. ont développé un capteur aptamère basé sur la diffusion Raman améliorée de surface (SERS) à deux modes qui permet de diagnostiquer et de différencier avec précision et simultanément les virus et les virus de la grippe A (H1N1). Dans cette technique, les aptamères d'ADN qui se lient sélectivement au SRAS - CoV - 2 et à la grippe A (H1N1) sont fixés ensemble sur un nanosubstrat d'or en forme de pop - corn. Les gènes rapporteurs Raman (Cy3 et rrx), attachés aux extrémités des aptamères d'ADN, peuvent produire un signal sers intense dans les Nanogaps du nanosubstrat d'or. Dans le même temps, le gène Rapporteur Raman étalon interne (4 - MBA) est fixé sur un nanosubstrat d'or avec l'ADN aptamère pour réduire les erreurs causées par les changements environnementaux mesurés. Lorsque les virus du SRAS - CoV - 2 ou de la grippe A s'approchent du nanosubstrat d'or, les aptamères d'ADN associés sont sélectivement séparés du substrat en raison de la présence d'une affinité de liaison significative entre les aptamères d'ADN correspondants et le virus. Ainsi, à mesure que la concentration virale cible augmente, l'intensité sers correspondante diminue progressivement. Ce capteur d'aptamère d'ADN basé sur sers peut rapidement déterminer si un patient suspecté est infecté par le SRAS - CoV - 2 ou la grippe A, tout en évaluant quantitativement la concentration virale cible avec une sensibilité élevée, sans être affecté par une réaction croisée.

Figure 2A) symptômes observés lors de l’infection par le SRAS - CoV - 2 ou l’influenza a, ainsi que par RT - PCR et kits antigéniques rapides pour le diagnostic;B) PopcornComme l'orPhotos et images SEM de nanosubstrats;C) pop - corn fixe à double aptamère pour la détection de virusCommeNanomètre d'orBasePrincipe de fonctionnement.

Application de la technologie sers à la détection des infections bactériennes

Infections bactériennesOuiLa principale cause de mortalité tue 6,7 millions de personnes par an dans les pays développés et en développement. Le traitement de ces infections est également coûteux, Représentant 8,7% des dépenses de santé annuelles, soit 33 milliards de dollars, rien qu’aux États - Unis. Les méthodes de diagnostic actuelles nécessitent des cultures d'échantillons pour détecter et identifier les bactéries et leur sensibilité aux antibiotiques, un processus lent qui peut prendre des jours, même dans un laboratoire * * *. Des antibiotiques à large spectre sont généralement prescrits en attendant les résultats de la culture et, selon les Centers for Disease Control and Prevention, plus de 30% des patients reçoivent un traitement inutile. De nouvelles méthodes de diagnostic rapide et sans culture des infections bactériennes sont donc nécessaires pour pouvoir prescrire des antibiotiques ciblés plus tôt et aider à réduire la résistance aux antimicrobiens. La spectroscopie Raman a le potentiel d'identifier les espèces bactériennes et la résistance aux antibiotiques et, lorsqu'elle est combinée à la spectroscopie confocale, peut être mécaniquement capable d'analyser des cellules bactériennes individuelles. Différents phénotypes bactériens ont une composition moléculaire unique et spécifique, ce qui entraîne de légères différences dans leurs spectres Raman correspondants. Cependant, en raison de la faible efficacité de diffusion Raman (~ 10)^{? 8}Probabilité de diffusion), ces différences spectrales subtiles sont facilement masquées par le bruit de fond. Par conséquent, un rapport signal sur bruit élevé est nécessaire pour atteindre une grande précision d'identification, nécessitant souvent de longs temps de mesure, ce qui entrave le développement de la technologie unicellulaire à haut débit. De plus, un grand nombre d'espèces, de souches et de profils de résistance aux antibiotiques cliniquement pertinents nécessitent des ensembles de données complets qui n'ont pas été recueillis dans des études axées sur la différenciation des isolats d'espèces ou sur la sensibilité aux antibiotiques. Ho et al. ont relevé ce défi avec la technologie sers combinée à la formation de réseaux neuronaux convolutifs, classant les spectres sers bactériens par isolement, traitement empirique et résistance aux antibiotiques.

Figure 3Réseaux de neurones convolutifs pour l'utilisation à partir deSERSIdentification des bactéries dans le spectre.

Résumé

Avec les progrès de la technologie SERS, il existe actuellement trois principales idées d'application dans le domaine de la détection: (1) Fixer des séquences d'acides nucléiques spécifiques et des anticorps à la surface des nanoparticules pour construire des étiquettes sers permettant une détection précise des Virus respiratoires dans des fluides corporels complexes; (2) l'utilisation de la nouvelle technologie de préparation de substrat améliorée pour rendre la taille de « point chaud» entre les nanoparticules plus appropriée pour les particules virales, améliorer l'efficacité de la détection, réduire les coûts, tout en évitant efficacement l'interférence du fond biologique comme la salive, le sang et d'autres résultats de test; (3) Application conjointe avec d'autres technologies de détection telles que la technologie combinée sers - chromatographie pour assembler la base renforcée SERS sur une fibre optique en tant que capteur de détection hautement sensible. En outre, la combinaison de SERS et de détection plasma peut être utilisée pour la détection quantitative hautement sensible des interactions biomoléculaires. La technologie sers surmonte l'inconvénient d'un signal Spectral Raman commun faible, fournissant des informations structurelles difficiles à obtenir.

La technologie SERS a fait des progrès significatifs dans la détection des pathogènes des maladies respiratoires, cependant, pour étudier et diagnostiquer les Virus respiratoires de manière plus complète et plus approfondie, les chercheurs choisissent souvent d'utiliser un spectromètre Raman microscopique confocal. Cet instrument combine les caractéristiques d'un Microscope confocal au laser et d'un spectromètre Raman, offrant des avantages uniques et spécifiques pour la détection sers des pathogènes des maladies respiratoires:

Haute résolution spatiale: les spectromètres Raman microscopiques confocaux ont des capacités d'imagerie à haute résolution et sont capables d'observer la structure et l'Organisation de l'échantillon à l'échelle microscopique. Dans la détection des pathogènes des maladies respiratoires, cette résolution spatiale élevée peut aider les chercheurs à localiser et à observer avec précision de minuscules particules virales ou des structures cellulaires.

Acquisition d'informations en profondeur: un spectromètre Raman à Microscope confocal peut permettre une imagerie 3D qui fournit aux chercheurs des informations sur la profondeur à l'intérieur de l'échantillon. Ceci est essentiel pour comprendre la distribution et l'interaction des agents pathogènes à différents niveaux cellulaires, contribuant à une compréhension plus complète du processus de développement des maladies respiratoires.

Surveillance en temps réel: le spectromètre Raman à Microscope confocal est doté d'une fonction de surveillance en temps réel qui permet de suivre les changements dynamiques des agents pathogènes dans l'échantillon. Dans l'étude des maladies respiratoires, la surveillance en temps réel aide les chercheurs à comprendre le cycle de vie du virus, le processus d'infection et les effets des interventions thérapeutiques.

Réduction des interférences de fond: le spectromètre Raman à Microscope confocal est capable de réduire les interférences du signal de fond en effectuant un contrôle précis de la mise au point. Ceci est particulièrement important pour effectuer des tests sers hautement sensibles dans des échantillons biologiques complexes afin de garantir la précision et la fiabilité des résultats des tests.

Spectromètres Raman microscopiques de la série atr8800Intégrant jusqu'à 4 lasers et combinant les avantages du microscope et du spectromètre Raman, la plate - forme de détection Raman microscopique permet de "voir comme mesuré", la plate - forme de détection Raman visualisée de positionnement précis permet aux observateurs de détecter les signaux Raman de différents états de surface sur l'échantillon et peut afficher la morphologie de la microzone de l'emplacement détecté de manière synchrone sur l'ordinateur, ce qui facilite grandement la détection de la microzone Raman.

ATR8800La gamme complète peut faire la mise au point entièrement automatique, balayage entièrement automatique, opération d'un clic, peut faire l'expérience de lot, balayage uniforme, etc., sans attente, et peut obtenir des données Raman d'imagerie de balayage de haute fiabilité;

ATR8800Équipé de Spectromètres de différentes longueurs focales pour répondre aux exigences de différentes résolutions, l'atr8800 est également équipé d'objectifs spécialement conçus pour les systèmes Raman, permettant au spot laser d'approcher la limite de diffraction et d'afficher les informations de mise au point de manière précise et intuitive sur un ordinateur via une caméra de 5 millions d'euros. Le problème de la surface focale collectant le signal Raman dans un système Raman ordinaire est surmonté légèrement au - dessus ou légèrement au - dessous de la surface focale réelle * *, améliorant ainsi la qualité spectrale Raman.

ATR8800Complètement et parfaitement résolu la perte de temps d'imagerie de la caméra, la séparation de l'imagerie de la caméra de la collecte de signaux Raman, ce qui donne * * La force du signal. Dans le même temps, l'atr8800 utilise un Raman haute performance spécialement optimisé pour les systèmes Raman microscopiques, qu'il s'agisse de la sensibilité, du rapport signal sur bruit, de la stabilité, etc., qui est le leader de l'industrie et le premier niveau, offrant une garantie solide pour la recherche Raman.

Références:

Jiang Heng, Zhang Zhe, jiangshen, et al. Advances in Research in Surface Enhanced Raman Spectroscopy in respiratory virus detection [j]. Examen médical et clinique, 2023, 20 (14): 2096 - 2099.

Leong, Shi Xuan, et al. « Analyseur respiratoire non invasif et basé sur la dispersion Raman améliorée en surface (SERS) au point de soins pour le dépistage de masse de la maladie coronavirus 2019 (COVID&-19) en moins de 5 min. » ACS nano 16,2 (2022): 2629 - 2639.

Chen, Hao, et al. 'Aptasenseurs d'ADN à double mode à base de SERS pour la classification rapide de l'infection par le SARS-CoV-2 et la grippe A/H1N1. '
Capteurs et actionneurs B : produits chimiques
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Ho, Chi-Sing, et al. Identification rapide des bactéries pathogènes en utilisant la spectroscopie Raman et l'apprentissage profond. ' Communications naturelles 10,1 (2019): 4 927.