恒温扩增型太赫兹超材料纳米生物传感器用于病原菌快速检测的研究

Development of a new method for rapid and accurate detection of pathogenic bacteria is of great significance for the diagnosis and treatment of infectious diseases. Terahertz technology has the ability of rapid detection of pathogen species, but specificity and sensitivity become the bottleneck of its application in clinical pathogen detection. Our group is going to build a terahertz-metamaterial-nano biosensors based on isothermal amplification by combining the terahertz technology with the rolling circle amplification technology, the metamaterials nanoparticle signal amplification system and the microfluidic technology. Our biosensor can distinguish different pathogenic bacteria with a high sensitivity and specificity by detecting the amplified products of the nucleic acid fragment. It can be used for rapid, accurate and high-throughput detection of a variety of pathogens. The implementation of this project will provide a new idea for the applications of THz technology in the field of biomedical detection. The terahertz-metamaterial-nano biosensors based on isothermal amplification can effectively solve the the sensitivity and specificity, a problem that the application of terahertz technology in the field of laboratory medicine must face. In addition, our biosensor intergratea various methods and steps with the microfluidic technology, which has the potential to become a new method for rapid, accurate and high throughput detection of pathogenic bacteria.

建立一种快速准确检测病原菌的新方法对于感染性疾病的诊断和治疗具有重要的意义。太赫兹波检测技术具有快速检测病原菌种属的能力，但是该技术目前的特异性和灵敏度无法满足临床病原菌检测的实际需求。本课题组拟在原有太赫兹波检测技术的基础上，结合滚环扩增技术、超材料-纳米颗粒信号放大系统和微流体技术，构建恒温扩增型太赫兹超材料纳米生物传感器。该传感器可通过对病原菌核酸片段扩增产物的检测实现病原菌种属的高灵敏和高特异性区分，实现多种病原菌的快速准确高通量检测。本课题的顺利实施将为太赫兹波检测技术应用于生物医学检测领域提供了一种全新的研究思路，所建立的恒温扩增型太赫兹超材料纳米生物传感器可有效解决太赫兹波应用于检验医学领域必须面对的特异性和灵敏度问题，并通过微流体技术整合各个方法与步骤，是一种快速、准确、高通量检测病原菌的新方法。

建立一种快速准确检测病原菌的新方法对于感染性疾病的诊断和治疗具有重要的意义。太赫兹（THz）波检测技术具有快速检测病原菌种属的潜力，但是该技术目前的特异性和灵敏度无法满足临床病原菌检测的实际需求。本研究选取病原菌菌体、特异性核酸片段两个层次的靶标，通过创新性构建适用于病原菌特异性检测的滚换扩增（RCA）反应体系、超材料-纳米颗粒信号放大系统和微流体芯片，进行临床常见病原菌的THz光快速传感机制和运用基础研究。在课题实施过程中，开展THz成像技术用于单菌落快速可视化检测的研究，通过基于多分类器投票机制的细菌THz光谱自动识别方法实现13种菌落的快速无标记识别，1123份临床样本初步运用中总体识别率达到80.77%，验证了THz波技术精准、快速检测病原菌的可行性。更进一步地，为了提高检测特异性和灵敏度，我们以病原菌特异性DNA片段为靶标，从分子水平开展THz-RCA液相传感体系的构建。在理论模拟的基础上，设计并构建了与RCA扩增反应产物尺寸相匹配的超材料结构，通过对超材料表面不同材质、不同规格的金属纳米颗粒对THz波检测信号的响应研究，阐明了超材料-纳米颗粒在THz波段的信号响应机制。通过整合RCA反应模块及超材料-纳米颗粒信号放大模块构建了集“扩增-纯化-信号放大-平行检测”一体化操作的微流体芯片结构，并对其检测临床菌株的性能进行了系统性评估，实现了2.77fM合成序列和0.08pg/μL病原菌基因组核酸片段的高灵敏和高特异性检测。通过上述工作，本研究构建了一套适用于病原菌菌体和特异性核酸的恒温扩增型太赫兹超材料纳米生物传感检测技术，为THz波生物医学研究和病原菌检测领域提供了新思路。