人菌大战又见分晓:新型光学传感器助力抗菌工程

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大肠埃希氏菌(E. coli),俗称大肠杆菌,在1885年的首次发现之后一直被认为是正常肠道菌群中非致病菌中的一员。直到20世纪中叶,大肠杆菌在人和动物体内的病原性才为人所知,原来它就是导致诸多严重腹泻和败血症病例的罪魁祸首。

    这种致命的细菌通常以潜伏在食物和饮用水中的方式传播到人群中,老人和幼童尤其面临被感染的风险。2011年春季,发生在德国的一场大肠杆菌爆发就导致数千人患病50余人死亡,足以证明其危害非同小可。

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    日前,科学家们全新研制出了一种可以快速有效的检测大肠杆菌存在与否的传感器,成功将漫长的探测周期缩短到15-20分钟,明显优于传统的实验测试方法。

    来自加拿大魁北克大学(Universityof Quebec)光子学研究中心(Photonics Research Centre)的研究团队在Wojtek J. Bock教授的带领下与印度理工学院(IndianInstitute of Technology)合作研制出了这款新型的传感器,它能够在较宽的温域下快速高效的检测出大肠杆菌的存在与否。参与此项研究的科学家们在《光学快报》(Optics Letters)中详细描述了该传感器的设计与制造。

  “现行的测菌手段大多都基于样本的扩增,利用这一方法检测细菌生长所需的时间快则数小时慢则数日。因此,我们非常期待更快、更准确的检测方法来代替现今的技术,”印度理工学院的物理学家Saurabh Mani Tripathi 解释说。只有更快的监测机制才能使更加及时的患者诊疗以及更加简单便捷的环境监测成为可能。

  新型传感器主要利用了噬菌体(Bacteriophages),一种能自动抓住并杀死细菌的病毒。这些噬菌体被固定在光学纤维的表面,目的在于捕获样品中的大肠杆菌并使其同样附着在光纤上。

  倘若这时一束光照向该表面,大肠杆菌的存在会导致光子波长的变化,样本细菌污染的报警信号就这样被制造出来了。

  光纤测菌在技术上的最大挑战在于温度的变化会影响材料的光学性质。正因如此,光学传感器一般都要在特定的温度下工作,过热或过冷的样本都会导致读数不准。Tripathi团队的设计却成功攻克了这一难题,其秘诀在于额外添加可以抵消温度变化影响的光学组件。

  在20摄氏度或68华氏度的温域内,例如从室温到40摄氏度或104华氏度的温度变化,他们所设计的传感器都可以正常运行。良好的温度不敏感性(TemperatureInsensitivity)为其创造了更加广泛的室外应用,其中包括蓄水池和水库的现场监测。

  Tripathi也提到说,食品工业以及病理实验室等也将是这一新型传感器的潜在大客户。进一步完善过后,该设备也将可以利用不同的噬菌体来监测其它种类的细菌。

  此项目的科研团队当前正在与加拿大的国际安全保护股份有限公司(Security and Protection International, Inc.)在产品商业化方面进行合作。Bock表示,现阶段还很难为他们设计的仪器定价,不过该团队希望能够为市场提供便携高效、价格不超过几千美元的产品。

  “病理细菌感染是导致死亡最主要的原因之一,因此只有“早发现”“早治疗”才能帮助大家远离其危害,”Tripathi先生指出。“我们的传感器可以快速、准确的检测出来自不同环境的水样本中是否存在大肠杆菌,这的确是令人振奋的进步!”

  


 

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