温州大学张鉴教授课题组取得呼气冷凝液革兰氏菌广谱检测传感器新进展_高校之窗|中国高校之窗 
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温州大学张鉴教授课题组取得呼气冷凝液革兰氏菌广谱检测传感器新进展

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近日,温州大学电气与电子工程学院张鉴教授课题组以“Disposable Peptidoglycan-Specific Biosensor for Noninvasive Real-Time Detection of Broad-Spectrum Gram-Positive Bacteria in Exhaled Breath Condensates”为题在《Analytical Chemistry》发表论文,并被选为期刊正封面页(Front Cover)亮点报道。正封面页被用于报道ACS期刊所发表的重要工作,在期刊网站上展示为当期第一个封面,并与印刷版刊物同步发行。这是温州大学研究人员首次在该期刊发表正封面页论文,温州大学在该期刊发表的另一篇封面论文(Supplementary Cover)同样来自张鉴课题组的工作(Anal. Chem. 2022, 94, 6, 2812–2819)。

细菌性下呼吸道感染(LRTI),特别对于欠发达地区及儿童和老年人群,是导致死亡的主要疾病之一。此外,呼吸道病毒感染,如SARS-CoV-2,也常导致严重的细菌合并肺部感染。革兰氏阳性(G+)菌多引起LRTI的急性发作,是医院和社区获得性肺炎的一类主要病原。因此,革兰氏菌的分型与定量对LRTI判型、感染程度评价及抗生素治疗至关重要。传统对LRTI革兰氏分型和计数采用支气管肺泡灌洗液培养和染色方法,存在介入采样、操作复杂、准确率低至60%等缺点,“从样品到结果”的时间需数十小时。另一种常用方法基于PCR技术,成本较高,需DNA提取、扩增、测序和荧光杂交等复杂操作,且无法实现对革兰氏型的广谱实时判断。尽管多年来研究人员不断努力探索对细菌性LRTI革兰氏分型和定量的有效方法,但可实际应用的创新性技术一直未见报道。

张鉴教授课题组基于半导体工艺制备的微电极阵列,结合微流控介电泳富集、超灵敏界面电容传感和G+菌表面肽聚糖的核酸适配体特异性识别机制,实现了一种先进的一次性生物传感器。该传感器体积为5×3.5×2 mm,成本约2元,可在10秒钟内实现对G+菌的实时检测,所需检测样本仅10微升。传感器检出限低至10 CFU/mL(远低于饮用水及透析液中100 CFU/mL的标准),线性范围高达105 CFU/mL,并对G-菌具有1479: 1的高选择比。同时,课题组还基于半导体致冷芯片和3D打印微通道冷凝模块,自主研发了便携式呼气冷凝装置,可在3分钟内冷凝并采集呼气冷凝液,联合生物传感器实现对下呼吸道G+菌的实时分型和定量检测。经健康志愿者、支原体感染、G+菌感染和G-菌感染LRTI患者的临床样本检验,验证了该传感器及检测策略的准确性、可靠性和实用价值。该生物传感器及检测方法为细菌性LRTI诊断和病情分析提供了一种非介入、非染色、非培养、不依赖PCR的实时检测技术。

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《Analytical Chemistry》为分析化学领域顶刊、Nature Index和中科院一区期刊。温州大学为论文第一单位,张鉴教授为论文第一作者及通讯作者,课题组戚昊琛副教授为共同一作,共同通讯作者包括美国田纳西大学Jayne Wu教授、合肥工业大学郑磊教授。电气与电子工程学院汪鹏君教授和董长昆教授对论文工作提供了多方面的帮助与指导。论文工作还得到了温州医科大学附属平阳医院毛选教主任、温州医科大学第二附属医院张海临教授的大力支持。论文封面由戚昊琛副教授设计并绘制。上述工作得到了国家自然科学基金、传感技术国家重点实验室开放课题、数字医学工程全国重点实验室开放课题等项目资助。论文DOI:10.1021/acs.analchem.4c00059。

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