直击疫情

2022年3月15日,中国国家卫健委颁布《关于印发新型冠状病毒肺炎诊疗方案的通知》,调整了解除隔离或出院时核酸检测的标准,Ct值是测定人体某一局部组织或器官密度大小的一种计量单位,该方案将Ct值从40降到了35,与国际同步。Ct值被放到了科学合理的位置,只要患者Ct值到了35,住院7-10天即可。[1]

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封面图绘制:林传伟

随着上海的新冠疫情日益严重,对于上海市的普通社区居民和高校学生,排队外出进行核酸检测和自行居家进行抗原自测是每天的家常便饭。作为化学专业的学生,看到化学技术运用在抗疫大战之中,感到非常的欣慰。让我们去探索一下其中的原理。

由于加测靶标不同,新冠病毒的核酸检测和抗原检测用着两套技术原理。核酸检测能指数倍地扩增模板,即使在咽喉部病毒浓度很低,也可以检测到阳性。但抗原检测并不能进行模板扩增,如咽喉处病毒浓度较低,就可能检查不到阳性,且特异性和敏感度均没有核酸检测的高。所以,新冠病毒检测标准方法是核酸检测,最有效的补充方式之一就是抗原检测。

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图1 上海核酸检测的过程(来源网络)

表面增强拉曼散射(SERS)可以提供分子指纹信息,能够大大提高拉曼散射信号。[2]SERS是一项快速无损检测技术,在核酸检测、病原微生物检测、肿瘤精准分子诊断等应用领域,展现出了良好的应用潜力。[3]

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图2 测试设备:renishaw invia显微拉曼光谱

在使用拉曼光谱技术前,研究者无需预处理样品,直接快速无损地进行在线分析检测。[3]2021年,中科院团队开发了一种新冠病毒SERS传感器及检测技术,成功检测出新冠病毒。[4]2022年,新加坡南洋理工大学的研究团队设计了一款手持模组,当被测者向设备呼气10秒,呼气中的新冠病毒生物标志物,会与传感器发生化学反应。[5]2022年,加拿大蒙特利尔理工学院的研究团队运用激光的拉曼光谱,开发了新型无试剂检测技术,不同于使用咽拭子的PCR技术,它采用唾液样本,更加安全且无创。[6]

常见的基于SERS的核酸检测分析技术,根据有无使用探针标记物,被分为无标记检测(Label-free SERS)和标记型检测(SERS tages )。在无标记检测方法中,当待测样本直接吸附在金属纳米结构表面之后,即可利用SERS技术,直接得到生物样品的拉曼指纹图谱。在标记型检测技术中,拉曼报告分子修饰金属纳米颗粒,发出独特的拉曼信号。[3]

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图3 SERS无标记检测(左)及标记型检测(右)技术基本原理示意图

靶核酸发出拉曼信号时,无标记型检测方法能进行直接检测,然而其灵敏度和特异性不尽如人意。研究者运用了SERS的“指纹图谱”分析优势,标记型检测方法在检测时有高可控度,能得到稳定性好的高通量,提高检测灵敏度及特异性。根据不同的拉曼信号放大方式,SERS标记型核酸检测方法主要包括:夹心法、信号开关法及链式杂交反应信号放大法,夹心法检测策略的灵敏度最高。[7]

“夹心法” 的SERS探针检测结构包括纳米金属核、拉曼活性分子、DNA探针链及封闭液。金属核为SERS探针增强基底,是SERS探针的检测性能实现的重中之重。拉曼活性分子被绑定在金属核表面,用于输出拉曼信号。SERS探针特异性靶向识别、检测目标序列由DNA探针链支持。[8]

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图4 “夹心法”SERS核酸检测结构示意图

“信号开关法”一般通过分子探针与目标序列结合而实现。构建发夹型探针后,由于探针链含有与目标DNA/RNA序列完全互补的环状序列,所以它与目标DNA/RNA序列结合,就可以实现环链的打开,从而导致拉曼活性分子远离基底表面,SERS信号强度发生改变。[8]

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图5 “发夹型”结构形成SERS信号的开关法核酸检测示意图

链式杂交反应(hybridization chain reaction,HCR)在室温条件下进行无酶、线性扩增。触发链产生了一系列HCR反应,DNA发夹探针建构了双螺旋DNA聚合物。当拉曼活性分子包被了金属纳米颗粒时,双螺旋DNA聚合物也连接到了它们,“热点”效应显著放大了拉曼信号。HCR信号放大联合SERS检测的方法,有效达到了检测靶序列的目的。[9-10]

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图6 HCR信号放大联合SERS技术进行核酸检测示意图

随着SERS研究的开展及多学科交叉领域的发展,SERS技术将有望广泛应用于核酸检测以及整个生物医学检测领域,为生命科学提供一种强大的分析技术。[11]疫情促进了拉曼技术在核酸检测方面的探索,拉曼检测相当于核酸Ct35水平,是未来的发展趋势。 



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