用于微生物病原体即时检测的材料功能化微流控系统研究进展

2023-07-29

微流控分析芯片最初只是作为纳米技术革命的一个补充,在经历了大肆宣传及冷落的不同时期后,最终却实现了商业化生产。微流控分析芯片最初在美国被称为“芯片实验室”,在欧洲被称为“微整合分析芯片”,随着材料科学、微纳米加工技术和微电子学所取得的突破性进展,微流控芯片也得到了迅速发展,但还是远不及“摩尔定律”所预测的半导体发展速度。今天阻碍微流控技术发展的瓶颈仍然是早磨运期限制其发展的制造加工和应用方面的问题。芯片与任何远程的东西交互存在一定问题,更不用说将具有全功能样品前处理、检测和微流控技术都集成在同一基质中。由于微流控技术的微小通道及其所需部件,在设计时所遇到的喷射问题,与大尺度的液相色谱相比,更加困难。上世纪80年代末至90年代末,尤其是在研究芯片衬底的材料科学和微通道的流体移动技术得到发展后,微流控技术也取得了较大的进步。为适应时代的需求,现今的研究集中在集成方面,特别是生物传感器的研究,开发制造具有超强运行能力的多功能芯片。 美国圣母大学的Hsueh-Chia Chang博士与微生物学家和免疫检测专家合作研究,提高了微流控分析设备检测细胞和生物分子的速度和灵敏性。同时,Chang对交流电动电学进行了改善改瞎,因为他认为交流电可作为选择平台,驱动流体通过用于医学和研究的微流控分析仪。微流控分析仪最初的驱动机制是常规的直流电动电学,但是使用时容易产生气泡并引起物质在电极发生化学反应的缺点限制了直流电的应用,此外,为保证其对流量的精确控制,直流电极必须放置在储液池中,不能直接连接在电路中。

三个因素美国Caliper Life Sciences公司Andrea Chow博士认为,微流控技术的成功取决于联合、技术和应用,这三个因素是相关的。他说:“为形成联合,我们尝试了所有可能达到一定复杂性水平的应用。从长远且严密的角度来对其进行改进,我们发现了很多无需经过复杂的集成却有较高使用价值的应用,如机械阀和微电动机械系统。”改进的微流控技术,一般用于蛋白或基因电泳,常常可取代聚丙烯酰胺凝胶电泳。进一步开发的芯片可用于酶和细胞的检测,在开发新药方面很有用。更进一步的产品是可集成样品前处理的基因鉴定,例如基于芯片的链式聚合反应。由于具有高度重复和低消耗样品或试剂的特性,这种自动化和半自动化的微流控芯片在早期的药瞎歼梁物研发中,得到了广泛应用。Caliper的商业模式是将芯片看作是与昂贵的电子学和光学仪器相连接的一个消费品,目前,已被许多公司独立的采用。每个芯片完成一天的实验运作的成本费用大概是5美元,而高通量的应用成本是几百到几千美元,但预计可以重复循环使用几百或几千次,以一次分析包括时间和试剂的成本计算在内,芯片的成本与一般实验室分析成本相当。此外,特定设计芯片的批量生产也大大降低了其成本。Caliper的旗舰产品是LabChip 3000新药研发系统,其微流体成分分析可以达到10万个样品,还有用于高通量基因和蛋白分析的LabChip 90 电泳系统。据Caliper宣称,75 %的主要制药和生物技术公司都在使用LabChip 3000系统。美国加州的安捷伦科技公司曾与Caliper科技公司签署正式合作协议,该项合作于1998年开始,去年结束。安捷伦作为一个仪器生产商的实力,结合其在喷墨墨盒的经验,在微流控技术尚未成熟时,就对微流体市场做出了独特的预见,喷墨打印是目前为止微流控技术应用最多的产品,每年的使用价值100亿美元。安捷伦已有一些仪器使用趋向于具有更多可用性方面的经验,并将这些经验应用到了微流体技术开发上。微流体和生物传感器的项目经理Kevin Killeen博士在接受采访时说,安捷伦的目标是为终端使用者解除负担,“由适宜的仪器产品组装成的系统可以让非专业人士操纵专业设备”。微流体技术也需要适时表现出其自身的实用性和可靠性,例如,纳米级电喷雾质谱分析不必考虑其顶端的闭合及边带的加宽,Killeen补充道:“对于生物学家来说,微流控技术的价值就在于此。” 安捷伦在微流控技术平台上的三个主要产品是Agilent 2100 Bioanalyzer/5100 Automated Lab-on-a-Chip 或培养物

中有多种细菌时对某一种细菌的分离。细菌的生长繁殖需要一定时间,检测周期较长,不能同时处理批量样本。为解决这一问题,各

工数不

种自动化培养和鉴定系统不断产生,传统鉴定方法也在逐步改进,大大加快了检验速度。例如Microscan WalLCAway全自动微生物分析仪,可同时做细菌鉴定和药敏试验,检验500多个菌种。苛养菌如肺炎链球菌、淋病奈瑟菌、流感嗜血杆菌等对营养要求比较高,常规培养阳性率低。雍刚 等将不要同比例的葡萄糖、玉米淀粉、生长因子、酵母粉、氨基酸等特殊增菌剂加入到巧克力培养基中制成了新型淋病奈瑟菌培养基,大大提高了淋病奈瑟菌的分离培养率。苏盛通等在营养琼脂中加人了中药红枣、赤小豆培养甲型链球菌、乙型链球菌、肺炎链球菌等细菌,生长指数明显高于血平板。1.3 组织细胞培养 活组织细胞培养适于专营活组织细胞内生存的病原体,包括病毒、立克次体、衣原体等。不同病原体敏感的组织细胞是不一样的,将活细胞从病原体敏感的动物组织中取出在体外进行原代培养或用病原体敏感细胞系进行传代培养,再将病原体接种于相应的组织细胞中后,病原体可在其中繁殖增长,引起特异性的细胞病变效应。也可以将病原体直接接种于敏感动物体内,引起相应组织器官出现特异的病理学改变。往往可以根据这些特异的病变对病原体进行鉴定。2 血清学与免疫学检测血清学检测是通过已知的抗体或抗原来检测病原体的抗原或抗体从而对病原体进行快速鉴定的技术,简化了鉴定步骤,常用的方法包括血清凝集技术、乳胶凝集实验、荧光抗体检测技术、协同凝集试验、酶联免疫测试技术等。酶联免疫技术的应用大大提高了血清学检测的敏感性和特异性,不仅可检测样本中病原体抗原,也可检测机体的抗体成分。幽门螺奸菌在我国人群感染率高达50% ~80% ,应用酶联免疫吸附法检测唾液中抗HP抗体来诊断HP感染,其结果满意。乙型肝炎病毒在我国人群中感染率极高,ELISA应用於乙型肝炎病人早期血清学诊断的效果最为明显。临床上致病菌往往和非致病菌混合在一起,如何从这些细菌中分离出目标菌是关键。免疫磁珠分离技术是近年来发展起来的在微生物检测领域中一种新技术。其基本原理是将特定病原体的单抗或多抗或二抗偶联到磁珠微球上,通过抗原抗体反应形成磁珠一目标病原体复合物或磁珠一一抗一目标病原体复合物,在外部磁场磁力的作用下,将目标病原体分离出来。目前已经开发出了针对各种病原体的免疫磁珠,如大肠埃希菌、李斯特菌、白色念珠菌、军团菌等,广泛应用到各级科研和实验室 。经IMBS分离出的白色念珠菌可直接在显微镜下检测,检测时间缩短至4 h。IM—Bs还可以和其它检测技术联合来检测病原菌,免疫磁珠分离得到的目标菌可继续用于分离培养使大肠埃希菌0157最低检测限由200 cfu·g 提高到2 cfu·g~;IMBS结合聚合酶链反应可对培养条件比较特殊的细菌如苛养菌、厌氧菌进行快速检测,肉类中的产毒素型产气荚膜梭菌经IMBS.PCR检测

当前可供您选择的检测策略包括国家标准方法、适用于生成分析报告的传统仪器技术、PCR核酸检测试剂盒,以及近年来兴起的快速检验手段。这些方法各具特色与应用场景,具体的挑选应根据您的特定需求来决定。

HIV的微生物学检测法主要包括多种途径以确保准确诊断和监控病毒状况。首先采用的是酶联免疫吸附实验,该方法利用抗体结合到特定抗原上的特性进行病毒蛋白质的识别与检测。

梅毒,作为一种由苍白螺旋体引发的性传播疾病,其检测主要关注两种抗体的存在:特异性抗体,它们属于IgM类别。这些抗体在对抗活螺旋体时展现出活性,不仅能够抑制其动力,还能促进杀灭或溶解病原体,在预防再感染方面提供保护。

同时,还存在一类非特异性抗体,即快速血浆反应素,主要以IgA与IgM的形式出现。它们虽能与正常生物组织中的类脂抗原产生结合,但不具保护性功能,对机体并无防护作用。这些检测方法共同构成了梅毒诊断的综合体系,确保了病情的准确识别与及时治疗。

传统的评估手段包含三项关键环节:

一、直观的显微镜审视:在统一的培养环境中,即采用同一配方的培养基,在恒定的温度和时间条件下培育后,同类微生物会呈现出一致且稳定的形态特征。

二、菌落特性解读:通过显微镜观察并辨识这些独特的形态特征,进而对微生物的种类作出精准判断。

采用精心设计的培养基与适宜的环境条件,旨在筛选并促进目标菌株的成长与发展,同时排斥其他非目标微生物。通过配置选择性培养基,我们可以精确地为特定种类的微生物提供理想的生长环境,同时也有效抑制了竞争性和非相关生物体的滋生,从而实现对目标微生物群体的有效分离与增殖。

在这一过程中,我们通常会依据目标菌株的同化作用类型或特有生理特征进行间接评估和识别。尽管最终获得的微生物种类可能并不单一,但通过此法可以大体上辨识出这些微生物共有的特质,并据此初步确立其分类归属,为后续深入研究与应用提供科学依据。

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利用特定的代谢指标或化学试剂对培养基进行甄别,根据所培养微生物的独特代谢特征,在基质中添加相应的指示剂或化学药品,以实现对其种类的直接精确鉴定。相较于选择性培养方法,鉴别培养方法聚焦于具体目标的精准识别,其结果范围更为集中和明确,专用于确认特定微生物的存在与特性。

微生物,作为微小生命的统称,无法凭借肉眼直接窥见其全貌,涵盖了细菌、病毒、真菌以及极少部分的藻类,虽然其中亦存在个体规模足以用肉眼捕捉的例外,如某些形态特殊的真菌种类,比如蘑菇与灵芝等。

病毒,一类由核酸和蛋白质构成的“非细胞生物”,尽管在物质组成上显得极为简单,却在其生命活动中展现出对活细胞的依赖性。它们的生存、复制乃至传播过程皆需借助于宿主细胞完成,彰显出独特的生存策略。

微生物的多样性和适应性令人惊叹,它们根据所处环境的不同可分为空间微生物和海洋微生物等,而从细胞结构上则被细分为原核微生物与真核微生物两大类。这一分类不仅揭示了生命的复杂多样性,也反映了自然界的精密平衡与演化智慧。

1、体积虽微,其表面积显著;
2、汲取效率高,转化速率迅捷;
3、发展与分裂速度极尽迅速。

此特性令微生物在工业化领域展现出极高的价值与潜力,涵盖诸如发酵工艺及单细胞蛋白质生产等多个关键环节。无疑,微生物扮演着人类益友的角色,在众多应用中发挥着不可或缺的作用。

这款微生物检测试纸片专为检测大肠杆菌O157:H7而设计,尤其针对引发食物传播性疾病及严重并发症的新型病因。自美国首度报告与该致病菌相关的食物中毒事件后,该疫情已逐步在多个国家爆发和蔓延,并在我国多个地区以及各类食品中被检测到。

3方元方圆生物公司提供的大肠杆菌O157测试片,采用了进口高选择性显色培养基作为核心原料,结合其专有技术,形成了一次性快速检验产品。此产品只需在15~24小时内进行一步培养即可确认检测结果,显著简化了传统检测流程,使得各级检验部门和食品企业均能高效便捷地使用。

该测试片特别适用于海产品、水产品、各种熟肉制品、冷荤、蛋及蛋制品等的快速筛查,确保食品安全。其检测标准参照《食品卫生微生物学检验大肠埃希氏菌O157:H7/NM检验》,从而提供准确可靠的检测结果。

以精细消毒流程示之:于被试区域选定25平方厘米之面积,通过旋转浸透了无菌生理盐水的棉签进行十次均匀涂抹。随后,精确地剪除接触过手部的那一段棉签,并将其置入内含10毫升无菌生理盐水的取样管中,以备送检。

在擦拭过程中,确保棉签持续转动以确保每一点的准确覆盖。对于每一个被擦拭点,详录其确切的位置、操作时间以及该区域的消毒周期,旨在实现全面而精确的追踪与记录。

首先,精心配置固体培养基,随后于次日进行细致的划线操作。其后,逐一选取各菌落中的代表性细菌样本,精心制作玻片标本,并通过显微镜深入探索和鉴赏每种细菌的独特类型。

定量 PCR 技术以其精密度与敏感性而著称,在生命科学研究领域中扮演着不可或缺的角色,它不仅有效解决了诸多实验挑战,并且为科研探索带来了前所未有的洞察力。伴随着科技的不断进步,该技术亦焕发出新的活力,近期,《科学》杂志于10月7日刊发了一篇题为“qPCR 创新与蓝图”的专题文章,此文不仅详述了这一领域中的最新进展,还提供了从实验规划到样品前处理、数据分析直至成果报告的全方位 qPCR 实验操作指南。这项综合性的资源旨在助益研究者们在复杂的生命科学探索中更加游刃有余。

qPCR技术的卓越性能,使其能够迅疾生成海量且品质精良的数据,从而极大地推动了微流体及微型化技术在科学研究领域的应用与普及。这一平台扮演着重要角色,为高通量、高敏感性的科研工具——如数字PCR和单细胞分析等技术的开发提供了强有力的支持。借助这些先进的方法学手段,科学家们得以深入探究遗传学和癌症生物学之谜,进而孕育出一系列创新的研究成果和精准检测方案。

自1997年由Kalinina团队提出以来,数字PCR这项创新性技术的诞生与演变已在科学界引发了广泛关注。这一突破性的方法,在历经多年的理论探索和实践验证后,最终在美国国家科学院院刊上由Vogelstein等专家撰文进行阐述并推向了世界舞台。自此以后,数字PCR作为一种高度精确、灵敏度极高的分子检测技术,以其独特的魅力迅速崛起于诸多研究领域,为基因突变的定量分析、病原体载量评估以及癌症早期诊断提供了前所未有的可能性与便利性。这一技术的发展历程不仅见证了科学创新的无尽潜力,同时也标志着精准医学领域步入了一个崭新的纪元。

借助于一种独特的量化方法论,此技术在识别拷贝数变异方面展现出了显著的优势。一篇由《自然方法》杂志发布的文章深入探讨了对该技术的重大革新,在这一过程中,通过大幅度提升反应容器的数量,并将密度推升至普通数字PCR的百倍之多,从而实现了令人瞩目的飞跃。此优化不仅极大地增强了检测精度,还赋予了该技术前所未有的广泛动态范围——高达10^7级,能够灵敏地捕捉到万分之一级别的突变以及百分之一染色体水平的变化。

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