基于壓電傳感的微生物快速檢測研究.pdf

1、由微生物引起的感染性疾病已嚴重威脅到人類健康，特別是血流感染導致的高死亡率。微生物的快速準確檢測對降低感染性疾病引起的死亡率至關重要。目前，全自動微生物檢測系統(tǒng)如BACTEC產品和BacT/Alert產品已用于臨床微生物的快速準確檢測，然而在檢測過程中，非細菌性因素引起的CO2增加易引起假陽性結果，BACTEC460存在放射性污染。同時這些儀器價格昂貴，使用成本高，增加了患者的醫(yī)療成本，對于血流感染發(fā)生率高的貧窮國家及發(fā)展中國家，難以推

2、廣應用，無法滿足更多的臨床需求。研發(fā)一種快速、靈敏、準確、低成本易于推廣的全自動微生物檢測系統(tǒng)是目前亟待解決的問題。
　　串聯(lián)式壓電傳感器對電導電極間的電參數(shù)變化有靈敏的頻率響應，由于其具有操作簡便、成本低、實時在線監(jiān)測等優(yōu)點，深受研究者歡迎，被廣泛應用于分析檢測等相關領域。但其無法實現(xiàn)微生物的選擇性和多樣本檢測。論文在前期工作的基礎上，將新材料和新技術引入到串聯(lián)式壓電傳感器中，充分結合功能材料、CAN總線控制技術和串聯(lián)式壓電傳感

3、器的優(yōu)勢，致力于研發(fā)快速、靈敏、特異的多通道全自動壓電微生物傳感檢測系統(tǒng)。鑒于此，本文主要開展了以下研究工作:
　　1.本文首次構建了適配體-單壁碳納米管-叉指金電極壓電(Apt-SWCNT-IDE-SPQC)傳感器用于快速、選擇性地檢測化膿性鏈球菌。該傳感器利用高特異性結合化膿性鏈球菌的適配體(Apt)作為識別探針，靈敏的叉指金電極壓電傳感器(IDE-SPQC)作為檢測平臺，具有高比表面積和優(yōu)良導電性的單壁碳納米管(SWCNT)

4、作為交聯(lián)劑及信號放大因子。實驗利用修飾在SWCNT-IDE-SPQC上的Apt與靶標發(fā)生特異性結合，該過程導致的電極表面電參數(shù)的改變引起傳感器發(fā)生靈敏的頻率變化。該方法可以對化膿性鏈球菌進行定量檢測，檢測限低至12 cfu/mL，檢測在40 min內完成。該法具有快速、選擇性高、簡便、靈敏、成本低等優(yōu)點，有望能應用于環(huán)境、食品和臨床中化膿性鏈球菌的快速檢測及鑒定。
　　2.血培養(yǎng)是臨床診斷血流感染的“金標準”，傳統(tǒng)的手工培養(yǎng)勞動強

5、度大、易污染，全自動血培養(yǎng)系統(tǒng)使血培養(yǎng)更便捷、快速、準確。但這些進口設備及其耗材價格較貴，無法普及應用。為滿足臨床需求，基于串聯(lián)式壓電傳感器，利用控制器局域網絡(CAN)技術研發(fā)了新的可擴展的多通道壓電全自動血培養(yǎng)儀。此外，為便于用戶使用，對儀器配套的檢測軟件也做了改進，使新研發(fā)的壓電全自動血培養(yǎng)系統(tǒng)操作簡便、運行穩(wěn)定可同時檢測多個樣本。對臨床血流感染常見微生物的檢測結果與醫(yī)院所用的BacT/ Alert3D結果一致，靈敏度低至10 c

6、fu/mL。新開發(fā)的壓電全自動血培養(yǎng)儀有望降低醫(yī)療成本，促進我國全自動血培養(yǎng)儀的發(fā)展和普及應用。
　　3.抗生素對微生物的生長具有抑制作用，抗生素的存在是導致血培養(yǎng)陽性檢出率低或檢出時間延長的重要原因。所以臨床微生物檢驗還要考慮到送檢的樣本中可能含有抗生素的情況。為提高全自動壓電血培養(yǎng)儀的陽性檢出率和縮短檢出時間，研發(fā)了混合樹脂用于其配套培養(yǎng)瓶。根據樹脂吸附效果，篩選出CAD-40、HPD-950和HZ-90樹脂，將其混合，利用正

7、交實驗得到了具有普適性的吸附抗生素的混合樹脂優(yōu)組合(0.20 g CAD-40、0.25 g HPD-950和0.35 g HZ-90)。將該混合樹脂用于壓電全自動血培儀配套培養(yǎng)瓶對模擬血樣進行了培養(yǎng)檢測，與不加樹脂前相比，混合樹脂的引入使壓電系統(tǒng)檢測含抗生素模擬樣本時的假陰性結果全部轉為陽性結果。
　　4.為彌補血培養(yǎng)方法檢測時間長的不足，本文第五章提出將pleurocidin抗菌肽作為識別探針修飾于SWCNT叉指金電極上，結合

8、多通道壓電石英晶體(MSPQC)傳感平臺構建了可普適性檢出微生物的新型壓電傳感系統(tǒng)。其檢測原理是當血樣中有微生物存在時，廣譜pleurocidin抗菌肽與微生物細胞發(fā)生特殊作用，而從SWCNT-IDE-MSPQC表面脫落，導致修飾電極表面電參數(shù)的改變，引起傳感器靈敏的頻移響應。新構建的方法成功地檢測了多種臨床常見菌，檢測時間僅需15 min。有望將此法用于臨床微生物引起的感染快速診斷中。
　　5.為了實現(xiàn)無修飾傳感電極的選擇性檢測

9、，本文第六章在IDE-MSPQC傳感體系中引入磁珠-Apt-Poly(A)DNA復合物，用于選擇性檢測銅綠假單胞菌。其中，磁珠作為載體用于固定銅綠假單胞菌Apt，Apt通過堿基互補配對與含Poly(A)的DNA短鏈結合。當檢測液中存在銅綠假單胞菌時，菌體與磁珠-Apt-Poly(A)DNA復合物中的Apt相互作用，使信號探針Poly(A)DNA鏈從磁珠上脫落進入檢測液。由于Poly(A)與Au之間具有強作用力，檢測液中的Poly(A)D