將激光照射在一滴血、粘液或廢水上，反射回來的光可用于陽性鑒定樣品中的細菌。“我們不僅可以發(fā)現(xiàn)細菌的存在，還可以發(fā)現(xiàn)樣品中具體含有哪些細菌——大腸桿菌、葡萄球菌、鏈球菌、沙門氏菌、炭疽病等等，”材料科學與工程副教授詹妮弗·迪翁說，，禮貌地，斯坦福大學放射學。“每一種微生物都有自己獨特的光學指紋。這就像在光中涂寫的遺傳和蛋白質(zhì)組代碼。”
Dionne是《納米快報》(NanoLetters)雜志上一項新研究的資深作者，該研究詳細介紹了她的團隊開發(fā)的一種創(chuàng)新方法，這種方法可以更快(幾乎立即)、更便宜、更準確地對幾乎任何人們可能想要檢測微生物的液體進行微生物檢測。
今天仍在使用的傳統(tǒng)培養(yǎng)方法可能需要數(shù)小時甚至數(shù)天才能完成。結核病培養(yǎng)需要40天，Dionne說。該團隊表示，新的測試可以在幾分鐘內(nèi)完成，并有望更好更快地診斷感染、改進抗生素的使用、更安全的食品、加強環(huán)境監(jiān)測和更快的藥物開發(fā)。
老狗，新把戲
突破并不在于細菌顯示出這些光譜指紋，這是幾十年來為人所知的事實，而在于該團隊如何能夠在每個樣本反射的令人眼花繚亂的光陣列中揭示這些光譜。
“不僅每種細菌都表現(xiàn)出獨特的光模式，而且給定樣本中的幾乎所有其他分子或細胞也表現(xiàn)出獨特的光模式，”第一作者FareehaSafir博士說。Dionne實驗室的學生。“樣本中的紅細胞、白細胞和其他成分正在發(fā)回它們自己的信號，這使得很難甚至不可能將微生物模式與其他細胞的噪音區(qū)分開來。”
一毫升血液(大約雨滴大小)可以包含數(shù)十億個細胞，其中只有少數(shù)可能是微生物。該團隊必須找到一種方法來分離和放大僅從細菌反射的光。為了做到這一點，他們沿著幾個令人驚訝的科學切線冒險，將一項從計算中借來的已有40年歷史的技術——噴墨打印機——和我們這個時代的兩項尖端技術——納米粒子和人工智能結合起來。
“將細菌光譜與其他信號分離的關鍵是在極小的樣本中分離細胞。我們使用噴墨打印原理打印數(shù)千個微小的血液點，而不是詢問單個大樣本，”合著者Butrus解釋說。Pierre"Khuri-Yakub，斯坦福大學電氣工程名譽教授，他在1980年代幫助開發(fā)了最初的噴墨打印機。
“但你不能只買一臺現(xiàn)成的噴墨打印機并添加血液或廢水，”Safir強調(diào)說。為了規(guī)避處理生物樣本的挑戰(zhàn)，研究人員修改了打印機，使用聲脈沖將樣本打印到紙上。每個打印出來的血點的體積只有一升的萬億分之二——比雨滴小十億倍以上。在這種規(guī)模下，液滴非常小，可能只容納幾十個細胞。
此外，研究人員將金納米棒注入樣品中，如果存在的話，這些金納米棒會附著在細菌上，并像天線一樣，將激光引向細菌，并將信號放大到其未增強強度的大約1500倍。適當分離和放大后，細菌光譜就像科學大拇指一樣突出。
難題的最后一部分是使用機器學習來比較從每個打印的流體點反射的幾個光譜，以發(fā)現(xiàn)樣本中任何細菌的指示性特征。
“這是一種具有挽救生命影響潛力的創(chuàng)新解決方案。我們現(xiàn)在對商業(yè)化機會感到興奮，這可以幫助重新定義細菌檢測和單細胞表征的標準，”高級合著者AmrSaleh說，他曾是該研究所的博士后學者。Dionne的實驗室，現(xiàn)在是開羅大學的教授。
雖然這項技術是使用血液樣本創(chuàng)建和完善的，但Dionne同樣有信心將其應用于細菌以外的其他類型的液體和目標細胞，例如測試飲用水的純度，或者更快、更準確、更低成本地發(fā)現(xiàn)病毒成本比現(xiàn)在的方法。
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