传染病病原体生物传感即时检测技术与设备综述(2)
图1 表面等离子共振原理图[7]
具有代表性的光学检测方法及基本情况汇总详见表1。
1.2 电化学检测
1.2.1 伏安法
伏安法是电势控制法的一种,这类方法的电极电势强制依附于已知程序,电势控制在恒定值或者按预先确定的方式随时间变化,通过记录电流与时间或电势的关系从而获得分析结果[13]。Ng 等[14]利用链霉亲和素与生物素具有高亲和力的特点,用金纳米颗粒(gold nanoparticles,AuNPs)电化学法检测结核分枝杆菌,通过检测电极表面AuNPs 偶联物的差分脉冲伏安信号的变化即可定量获得靶核酸浓度(如图2 所示),最低检测浓度达1 cfu/ml,比传统的凝胶电泳灵敏度更高,可应用到便携式恒电位仪上,进一步开发为POCT 诊断工具。Miao 等[15]将微机电系统(micro-electro-mechanical system,MEMS)与适配体结合,开发了一种小型便携式电化学传感器,用于简单、灵敏、快速地检测诺如病毒,采用循环伏安法和方波伏安法(Osteryoung square-wave voltammetry,OSWV)对不同滴度病毒进行电化学测试,结果显示电流大小与病毒浓度呈线性关系,实现了诺如病毒的定量检测。这种便携式MEMS 传感器也可用于其他微生物病原体的检测,具有发展为传染病病原体生物传感POCT 平台的潜力。Grabowska 等[16]将金属碳硼烷氧化还原标记的寡核苷酸探针固定在金电极表面,对甲型H5N1 流感病毒进行检测,用OSWV 记录杂交时产生的信号,检出限为0.08 fmol/L。
表1 具有代表性的光学检测方法及基本情况对照检测方法 目标病原体 检出限 检测完成时间 备注 研究人员基于功能性量子点荧光探针及双功能蛋白结合适配体的荧光偏振法甲型流感病毒 3.45 nmol/L — 线性范围10~100 nmol/L Zhang 等[2]荧光偏振免疫分析方法 布鲁氏菌 — — 阳性率为79.3% Gwida 等[6]荧光偏振法 沙门氏菌 1 cfu/ml 20 min — Park 等[4]SPR 型基因芯片系统 金黄色葡萄球菌等 — — 与临床检测结果一致 田玉峰等[10]多通道SPR 仪 4 种食源性病原菌 3.4×103~1.2×105 cfu/ml — 定量检测 Taylor 等[11]SPR 生物分析系统 猪圆环病毒Ⅱ型 0.04 mg/ml 20 min — Hu 等[12]
图2 伏安法检测结核分枝杆菌示意图[14]
1.2.2 电阻抗法
电阻抗法是近年来发展起来的一项电化学技术,其和微生物检测相结合形成一个独立的研究领域[17]。电阻抗技术是根据微生物在培养基中代谢活动的不同,通过检测培养基电阻抗的变化,判定细菌的生长繁殖特性,即可检测出相应细菌。Wheeler 等[18]使用一种基于阻抗变化原理的电压检测器检测培养基或尿液标本中的大肠杆菌,检测范围为1×103~1×109cfu/ml,这项技术省略了平板计数等方法漫长的实验过程,在10~15 min 内即可确定细菌浓度,可有效用于临床菌尿症标本检测,缺点是无法检测代谢物的变化。András 等[19]研制了一种超灵敏基于聚糖的阻抗生物传感器,用于流感病毒H3N2 检测,其检出病毒颗粒的浓度约为13 个/μl。Maalouf 等[20]利用生物素-亲和素的特性将大肠杆菌抗体与金电极表面的自组装膜结合,用电化学阻抗传感器(electrochemical impedance spectroscopy,EIS)可检测出1×103cfu/ml 大肠杆菌。EIS 方法灵敏度高、特异度强,在生物传感POCT 中有广阔的应用前景。
1.2.3 电压或电流法
电压或电流法是将电极与电位计或电流计连接,记录工作电极上的电位或电流,随着电解池中氧化还原反应的进行并通过适当的媒介,将微生物的氧化还原反应转换为可测量的电信号[13]。Sepunaru等[21]将纳米粒子作为传感器的一部分,通过银纳米颗粒所致的电信号变化检测流感病毒。由于产生的电流峰值大小与溶液中病毒的浓度成正比,因此可用于病毒等病原体的定量检测,优点是设备微型化、自动化,灵敏度高、选择性强、诊断时间短。尽管不能确定具体的病毒种类,但能简单区分病毒和细菌感染。
具有代表性的电化学检测方法及基本情况汇总详见表2。
1.3 磁学检测
1.3.1 电磁法
目前,有研究使用磁性纳米颗粒(magnetite nanoparticle,MNPs)构建有潜力的POCT 诊断平台,用于检测大肠杆菌[22]、流感病毒[23]、伤寒沙门菌、金黄色葡萄球菌[24]和炭疽芽孢杆菌[25]。Shelby 等[23]利用包被聚丙烯酸涂层的超顺磁性氧化铁纳米粒子设计能够检测和区分各种流感病毒糖蛋白的磁弛豫纳米传感器(magnetic relaxation nanosensors,MRnS),通过收集并分析横向弛豫时间来进行研究。MRnS 能区分糖蛋白变异体,可检测浓度低至1 nmol/L 的流感病毒糖蛋白(H1 和H5)。此外,MRnS 可在30 min 内完成检测,操作简单、便携,只需要一个台式磁弛豫仪即可进行样品分析。MRnS 具有稳定和成本低廉的特点,有望成为有价值的POCT 候选诊断方法。Krishna 等[26]构建了基于单克隆抗体和磁性纳米粒子的巨磁电阻(giant magnetoresistance,GMR)生物传感器(如图3所示),可用台式计算机通过检测磁场变化来检测甲型流感病毒,MNPs 的数量与甲型流感病毒的数量成正比。该方法灵敏度优于ELISA,病毒浓度最低检出限为1.5×102TCID50/ml。此外,GMR 生物传感芯片包含64 个磁珠阵列计数器,可与各种抗体结合检测病毒的不同亚型,甚至可以同时检测多种病原体,虽然检测时间较长且操作复杂,但有发展为手持生物传感POCT 设备的潜力。
文章来源:《光学与光电技术》 网址: http://www.gxygdjs.cn/qikandaodu/2021/0708/615.html
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