俄羅斯科學(xué)家開發(fā)出了一種新的激光技術(shù)，用于制造新穎的光學(xué)生物傳感器，這種傳感器能夠在幾秒鐘內(nèi)識(shí)別感染性疾病。該裝置通過紅外光來顯示有害的細(xì)菌和病毒，可以在大型的交通樞紐，如機(jī)場等需要不斷監(jiān)測大量的客流的環(huán)境下得到廣泛應(yīng)用。這項(xiàng)研究發(fā)表在《激光物理快報(bào)》雜志上。
該傳感器是由一個(gè)規(guī)則微穿孔化的銀納米薄膜沉積在由天然礦物螢石支撐的透明基板上制作而成。生物材料樣本，如刮下的鼻粘膜的樣品被放置在薄膜上。然后，這一薄膜曝光在一個(gè)普通實(shí)驗(yàn)室中的紅外光譜儀的紅外光中。通過獲取通過樣品的光譜，研究人員可以推斷出特定的細(xì)菌或病毒的存在。
為了證明新型生物傳感平臺(tái)可以立即檢測病原微生物，科學(xué)家們使用了一種常見的細(xì)菌進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，金黃色葡萄球菌。
這種快速分析可能被廣泛應(yīng)用于大型交通樞紐，如機(jī)場這種需要不斷對(duì)流通乘客進(jìn)行健康監(jiān)測的環(huán)境下。目前，這種還是通過熱成像攝像機(jī)跟蹤體溫來實(shí)現(xiàn)。一個(gè)發(fā)燒的乘客可能是一個(gè)潛在的感染源。在這種情況下，一個(gè)清晰的分析是必要的，要辨別出來該人是否實(shí)際上是生病了，還是什么別的原因。利用現(xiàn)有的方法調(diào)查生物材料，如聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)方法要需要幾天。與之相反的是，這種新技術(shù)可以立即提供出檢測的結(jié)果。
這項(xiàng)研究由機(jī)械與光學(xué)大學(xué)、國家核研究大學(xué)、列別捷夫物理研究所、莫斯科物理技術(shù)研究所的科學(xué)家主導(dǎo)進(jìn)行，并與莫斯科傳染病臨床醫(yī)院展開了密切合作。
這種新的生物傳感器的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它的靈敏度。“光學(xué)生物傳感器，使用我們的技術(shù)可以檢測單個(gè)細(xì)菌，”Sergey Kudryashov說，他是機(jī)械與光學(xué)大學(xué)激光技術(shù)與儀器學(xué)院和列別捷夫物理研究所氣體激光器實(shí)驗(yàn)室的領(lǐng)導(dǎo)研究員。“在一些公共機(jī)構(gòu)，如幼兒園、學(xué)校內(nèi)傳染病的早期診斷，特別對(duì)于高校的季節(jié)性流行病有很好的幫助。對(duì)于在傳染病醫(yī)院的醫(yī)生來說，這種技術(shù)可以是一個(gè)寶貴的資產(chǎn)，可用于早期和更快的診斷。”
該生物傳感器的靈敏度歸功于銀質(zhì)薄膜的光柵狀結(jié)構(gòu)。當(dāng)紅外線通過傳感器時(shí)，它會(huì)定期地分布在表面上。隨著光照強(qiáng)度變高微孔會(huì)轉(zhuǎn)變成熱點(diǎn)。生物材料中含有的微生物會(huì)在熱點(diǎn)中有效地填充孔和吸附，這增加了他們的檢測的概率。
數(shù)以百萬計(jì)的微觀孔利用激光進(jìn)行切割，這是通過衍射光學(xué)元件進(jìn)行空間復(fù)用成微束，使研究人員能夠使傳感器的生產(chǎn)自動(dòng)化和更迅速。
“到現(xiàn)在為止，這樣的傳感器只能通過高倍率放大的電子顯微鏡才能看到，所以實(shí)際的實(shí)驗(yàn)室分析是不可能的。我們的方法可以允許這種微孔結(jié)構(gòu)覆蓋更大的面積，擴(kuò)展到一平方厘米面積，用以制作出應(yīng)用在實(shí)際實(shí)驗(yàn)應(yīng)用傳感的原型，以方便生物材料更好的適配，”Sergey Kudryashov說。
對(duì)于光學(xué)生物傳感的反洗方法并不是新創(chuàng)的，而只是實(shí)施過程中效果不佳。這是由于一個(gè)事實(shí)，早期的技術(shù)并不能制造真正的原型，即可用在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中進(jìn)行測試和臨床中實(shí)踐。
這在把這項(xiàng)新技術(shù)用于醫(yī)療實(shí)踐之前，提出了另一個(gè)科學(xué)家必須進(jìn)行解決重大的挑戰(zhàn)，細(xì)菌（紅外光譜庫）的參考數(shù)據(jù)庫的建立，即被用來與從紅外光譜儀形成的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。
紅外光譜儀的讀數(shù)總是要與這種光譜數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比較，即某些官能團(tuán)分子的紅外活性指紋的目錄庫。例如，在研究中使用的金黃色葡萄球菌，有它自己的指紋，來自胡蘿卜素的類胡蘿卜素片段，而胡蘿卜素即是負(fù)責(zé)其顏色的一種物質(zhì)。
科學(xué)家們希望在未來，由于較低的生產(chǎn)成本和快速的制造工藝，以及更常見的基板材料的使用，新的光學(xué)生物傳感器平臺(tái)將得到廣泛的實(shí)際應(yīng)用。此外，根據(jù)研究人員的說明，一旦光譜庫被校準(zhǔn)，傳感器將能夠識(shí)別不僅是致病微生物的類型，且會(huì)包括它們的近似類型。
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