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中科院化学所宋延林苏萌《AM》:纳米绿色印刷快速超灵敏细菌检测芯片

  细菌是生物的主要类群之一,与日常生活关系十分密切。研究表明,每个人的身体中大约有几百种不同种类的细菌,而有些细菌如沙门氏菌、李斯特菌、结核菌、葡萄球菌等对人类健康和生命安全造成了严重的威胁。调查报告显示,每年仅在我国就有超百万人因细菌感染而住院,全世界则有数十亿病例与细菌感染相关。临床上常用的细菌检测方法是平板计数法,需要将菌液培养1-2天,操作繁琐,且费时费力,亟待发展新的快速超灵敏的细菌检测方法。

  最近,中科院化学所宋延林研究员和苏萌研究员研究团队将一维纳米结构的光学信号放大作用与毛细力驱动的颗粒预富集相结合,设计了一种快速超灵敏的生物检测芯片。不仅能够用于可视化地分析细菌的生理环境、活性、繁殖等状态,而且还可以连续监测水、血清、尿液以及蔬菜等样本中细菌,为许多临床和环境应用中的微生物病原体即时检测提供了一种简单、易操作的工具。

  与以往报道的基于纳米结构的光学检测方法不同的是,这种生物检测芯片制备简单,成本低,能够结合普通的商业显微镜或者手机直接获取细菌的检测结果。研究人员以聚苯乙烯纳米粒子悬浮液为墨水,在基底上制备了大面积的一维纳米阵列。利用聚苯乙烯颗粒表面大量的羧基与抗体的氨基高效偶联,特异性识别待检测样本中的致病菌。实验发现,将毛细力诱导的咖啡环效应引入细菌检测,可以在基底上对目标病原体进行预富集,显著提高检测效率。此外,纳米阵列除了能特异性捕获细菌,还具有强的光场局域能力,可以放大细菌的散射光信号,提高检测灵敏度,允许在单细菌水平上对其物理特征进行可视化分析。

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  细菌的物理特征承载着其结构和活性的信息,是生物学诊断的理想指标。利用纳米阵列的光学放大作用,该检测芯片能够测量微生物细菌的尺寸、数目等。

  利用纳米阵列生物芯片测试水、尿液和血清样本中的致病菌,能够定量检测 0至10 7 CFU mL -1范围内的细菌载量。此外,作者还对连续监测能力进行了评估,成功识别出在新鲜生菜上接种的大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和单核增生乳杆菌,证明该方法具有高选择性。

  该研究提供了一种快速、简单的微生物病原体检测手段。通过简单的印刷制备即可得到具有高特异性的生物检测芯片,可广泛适用于医疗诊断、食品安全、环境监测和农业等领域。

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