基于压电传感的微生物快速检测研究

发布时间：2019-04-10 16:35

【摘要】：由微生物引起的感染性疾病已严重威胁到人类健康,特别是血流感染导致的高死亡率。微生物的快速准确检测对降低感染性疾病引起的死亡率至关重要。目前,全自动微生物检测系统如BACTEC产品和Bac T/Alert产品已用于临床微生物的快速准确检测,然而在检测过程中,非细菌性因素引起的CO2增加易引起假阳性结果,BACTEC 460存在放射性污染。同时这些仪器价格昂贵,使用成本高,增加了患者的医疗成本,对于血流感染发生率高的贫穷国家及发展中国家,难以推广应用,无法满足更多的临床需求。研发一种快速、灵敏、准确、低成本易于推广的全自动微生物检测系统是目前亟待解决的问题。串联式压电传感器对电导电极间的电参数变化有灵敏的频率响应,由于其具有操作简便、成本低、实时在线监测等优点,深受研究者欢迎,被广泛应用于分析检测等相关领域。但其无法实现微生物的选择性和多样本检测。论文在前期工作的基础上,将新材料和新技术引入到串联式压电传感器中,充分结合功能材料、CAN总线控制技术和串联式压电传感器的优势,致力于研发快速、灵敏、特异的多通道全自动压电微生物传感检测系统。鉴于此,本文主要开展了以下研究工作:1.本文首次构建了适配体-单壁碳纳米管-叉指金电极压电(Apt-SWCNTIDE-SPQC)传感器用于快速、选择性地检测化脓性链球菌。该传感器利用高特异性结合化脓性链球菌的适配体(Apt)作为识别探针,灵敏的叉指金电极压电传感器(IDE-SPQC)作为检测平台,具有高比表面积和优良导电性的单壁碳纳米管(SWCNT)作为交联剂及信号放大因子。实验利用修饰在SWCNT-IDESPQC上的Apt与靶标发生特异性结合,该过程导致的电极表面电参数的改变引起传感器发生灵敏的频率变化。该方法可以对化脓性链球菌进行定量检测,检测限低至12 cfu/m L,检测在40 min内完成。该法具有快速、选择性高、简便、灵敏、成本低等优点,有望能应用于环境、食品和临床中化脓性链球菌的快速检测及鉴定。2.血培养是临床诊断血流感染的“金标准”,传统的手工培养劳动强度大、易污染,全自动血培养系统使血培养更便捷、快速、准确。但这些进口设备及其耗材价格较贵,无法普及应用。为满足临床需求,基于串联式压电传感器,利用控制器局域网络(CAN)技术研发了新的可扩展的多通道压电全自动血培养仪。此外,为便于用户使用,对仪器配套的检测软件也做了改进,使新研发的压电全自动血培养系统操作简便、运行稳定可同时检测多个样本。对临床血流感染常见微生物的检测结果与医院所用的Bac T/Alert 3D结果一致,灵敏度低至10cfu/m L。新开发的压电全自动血培养仪有望降低医疗成本,促进我国全自动血培养仪的发展和普及应用。3.抗生素对微生物的生长具有抑制作用,抗生素的存在是导致血培养阳性检出率低或检出时间延长的重要原因。所以临床微生物检验还要考虑到送检的样本中可能含有抗生素的情况。为提高全自动压电血培养仪的阳性检出率和缩短检出时间,研发了混合树脂用于其配套培养瓶。根据树脂吸附效果,筛选出CAD-40、HPD-950和HZ-90树脂,将其混合,利用正交实验得到了具有普适性的吸附抗生素的混合树脂优组合(0.20 g CAD-40、0.25 g HPD-950和0.35 g HZ-90)。将该混合树脂用于压电全自动血培仪配套培养瓶对模拟血样进行了培养检测,与不加树脂前相比,混合树脂的引入使压电系统检测含抗生素模拟样本时的假阴性结果全部转为阳性结果。4.为弥补血培养方法检测时间长的不足,本文第五章提出将pleurocidin抗菌肽作为识别探针修饰于SWCNT叉指金电极上,结合多通道压电石英晶体(MSPQC)传感平台构建了可普适性检出微生物的新型压电传感系统。其检测原理是当血样中有微生物存在时,广谱pleurocidin抗菌肽与微生物细胞发生特殊作用,而从SWCNT-IDE-MSPQC表面脱落,导致修饰电极表面电参数的改变,引起传感器灵敏的频移响应。新构建的方法成功地检测了多种临床常见菌,检测时间仅需15 min。有望将此法用于临床微生物引起的感染快速诊断中。5.为了实现无修饰传感电极的选择性检测,本文第六章在IDE-MSPQC传感体系中引入磁珠-Apt-Poly(A)DNA复合物,用于选择性检测铜绿假单胞菌。其中,磁珠作为载体用于固定铜绿假单胞菌Apt,Apt通过碱基互补配对与含Poly(A)的DNA短链结合。当检测液中存在铜绿假单胞菌时,菌体与磁珠-AptPoly(A)DNA复合物中的Apt相互作用,使信号探针Poly(A)DNA链从磁珠上脱落进入检测液。由于Poly(A)与Au之间具有强作用力,检测液中的Poly(A)DNA链会结合到Au-IDE上,导致电极电阻增大,引起了MSPQC传感器灵敏的频移响应。该方法检测速度快,检测下限低至9 cfu/m L,并成功用于模拟血液样品中铜绿假单胞菌的检测,回收率为88%~104%。构建的传感器有望应用于环境、食品、临床中快速检测和鉴定铜绿假单胞菌。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP212.9;R446.5

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本文编号：2455952