生物醫(yī)學(xué)工程副教授鄭國(guó)安開發(fā)了一種新的傳感器技術(shù)，可以進(jìn)行高時(shí)空分辨率和高靈敏度的大規(guī)模微生物監(jiān)測(cè)。
該傳感器可以確定治療患者某些細(xì)菌感染的最有效抗生素。與傳統(tǒng)方法相比，它為微生物學(xué)家和臨床醫(yī)生提供了更多關(guān)于微生物生長(zhǎng)的詳細(xì)信息，速度更快，靈敏度更高。UConn 已經(jīng)公布了這項(xiàng)發(fā)明的專利。
鄭的 ptychographic 傳感器在厘米尺度的視野內(nèi)實(shí)現(xiàn)了單細(xì)胞空間分辨率和 15 秒的時(shí)間分辨率。
該傳感器由三個(gè)主要部分組成：照亮樣品的激光光源、涂有微珠散射層的圖像傳感器，以及保持設(shè)備在適當(dāng)溫度下運(yùn)行的冷卻器。微珠的散射層用作微生物監(jiān)測(cè)的計(jì)算透鏡。
整個(gè)設(shè)備可以放置在一個(gè)普通的孵化器中，也可以作為一個(gè)獨(dú)立的孵化單元進(jìn)行長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)。
在最近發(fā)表在Biosensors and Bioelectronics 上的一篇論文中，Zheng 在大腸桿菌(一種用于微生物監(jiān)測(cè)的模式生物)上測(cè)試了這項(xiàng)技術(shù)，并取得了巨大成功。他研究了大腸桿菌對(duì)兩種不同抗生素的反應(yīng)：慶大霉素和氨芐青霉素。
當(dāng)患者因潛在的細(xì)菌感染而進(jìn)入醫(yī)院或其他醫(yī)療機(jī)構(gòu)時(shí)，醫(yī)療保健從業(yè)人員將從感染部位采集樣本并將其培養(yǎng)在專門的培養(yǎng)基上，如瓊脂平板。將不同濃度的不同抗生素添加到培養(yǎng)基中以確定藥物的最小抑制濃度。結(jié)果使從業(yè)者能夠使用最有效的抗生素，同時(shí)降低耐藥風(fēng)險(xiǎn)。
“這個(gè)想法是我們?cè)噲D找到正確的藥物及其劑量來治療患者，”鄭說。
在鄭的傳感器中，樣品位于圖像傳感器的頂部以進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。當(dāng)激光照射到樣品上時(shí)，光從樣品上衍射出來并被微珠的散射層調(diào)制以進(jìn)行檢測(cè)。通過將設(shè)備平移到不同的 xy 位置，可以獲得許多衍射光圖案并用于重建細(xì)菌菌落的圖像。
重建過程的核心是一種稱為 ptychography 的成像技術(shù)。諸如圖像傳感器之類的光檢測(cè)器僅測(cè)量撞擊它們的光的強(qiáng)度變化。在記錄強(qiáng)度的過程中，它們丟失了相位信息，該信息表征了光在傳播過程中延遲了多少。Ptychography 最初是為電子成像而開發(fā)的，是一種相位檢索方法，可從許多不同的強(qiáng)度測(cè)量中恢復(fù)丟失的相位信息。
這種 ptychographic 重建過程產(chǎn)生了一個(gè) 3-D 圖像，科學(xué)家可以在計(jì)算機(jī)上查看該圖像，以了解細(xì)菌如何生長(zhǎng)和對(duì)抗生素的反應(yīng)。
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