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  近期,俄罗斯科学家开发出了一种新的激光技术,用于制造新颖的光学生物传感器,这种传感器能够在几秒钟内识别感染性疾病。该装置通过红外光来显示有害的细菌和病毒,可以在大型的交通枢纽,如机场等需要不断监测大量的客流的环境下得到广泛应用。

  这项研究发表在《激光物理快报》杂志上。该传感器是由一个规则微穿孔化的银纳米薄膜沉积在由天然矿物萤石支撑的透明基板上制作而成。生物材料样本,如刮下的鼻粘膜的样品被放置在薄膜上。然后,这一薄膜曝光在一个普通实验室中的红外光谱仪的红外光中。通过获取通过样品的光谱,研究人员可以推断出特定的细菌或病毒的存在。

  为了证明新型生物传感平台可以立即检测病原微生物,科学家们使用了一种常见的细菌进行实验,金黄色葡萄球菌。

  这种快速分析可能被广泛应用于大型交通枢纽,如机场这种需要不断对流通乘客进行健康监测的环境下。目前,这种还是通过热成像摄像机跟踪体温来实现。一个发烧的乘客可能是一个潜在的感染源。在这种情况下,一个清晰的分析是必要的,要辨别出来该人是否实际上是生病了,还是什么别的原因。利用现有的方法调查生物材料,如聚合酶链式反应方法要需要几天。与之相反的是,这种新技术可以立即提供出检测的结果。

  这项研究由机械与光学大学、国家核研究大学、列别捷夫物理研究所、莫斯科物理技术研究所的科学家主导进行,并与莫斯科传染病临床医院展开了密切合作。

  这种新的生物传感器的另一个优点是它的灵敏度。“光学生物传感器,使用我们的技术可以检测单个细菌,”Sergey Kudryashov说,他是机械与光学大学激光技术与仪器学院和列别捷夫物理研究所气体激光器实验室的领导研究员。“在一些公共机构,如幼儿园、学校内传染病的早期诊断,特别对于高校的季节性流行病有很好的帮助。对于在传染病医院的医生来说,这种技术可以是一个宝贵的资产,可用于早期和更快的诊断。”

  该生物传感器的灵敏度归功于银质薄膜的光栅状结构。当红外线通过传感器时,它会定期地分布在表面上。随着光照强度变高微孔会转变成热点。生物材料中含有的微生物会在热点中有效地填充孔和吸附,这增加了他们的检测的概率。

  数以百万计的微观孔利用激光进行切割,这是通过衍射光学元件进行空间复用成微束,使研究人员能够使传感器的生产自动化和更迅速。

  “到现在为止,这样的传感器只能通过高倍率放大的电子显微镜才能看到,所以实际的实验室分析是不可能的。我们的方法可以允许这种微孔结构覆盖更大的面积,扩展到一平方厘米面积,用以制作出应用在实际实验应用传感的原型,以方便生物材料更好的适配,”Sergey Kudryashov说。

  对于光学生物传感的反洗方法并不是新创的,而只是实施过程中效果不佳。这是由于一个事实,早期的技术并不能制造真正的原型,即可用在实验室环境中进行测试和临床中实践。

  这在把这项新技术用于医疗实践之前,提出了另一个科学家必须进行解决重大的挑战,细菌(红外光谱库)的参考数据库的建立,即被用来与从红外光谱仪形成的数据进行比较。

  红外光谱仪的读数总是要与这种光谱数据库进行比较,即某些官能团分子的红外活性指纹的目录库。例如,在研究中使用的金黄色葡萄球菌,有它自己的指纹,来自胡萝卜素的类胡萝卜素片段,而胡萝卜素即是负责其颜色的一种物质。

  科学家们希望在未来,由于较低的生产成本和快速的制造工艺,以及更常见的基板材料的使用,新的光学生物传感器平台将得到广泛的实际应用。此外,根据研究人员的说明,一旦光谱库被校准,传感器将能够识别不仅是致病微生物的类型,且会包括它们的近似类型。

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