基于太赫兹超材料检测微量活细菌的方法技术

本发明专利技术公开了基于太赫兹超材料检测微量活细菌的方法，具体方法为取菌液加至太赫兹超材料中心，烘干后利用太赫兹时域光谱仪在18～25℃、检测池相对湿度低于2％条件下采用透射模式进行测量透射光谱；其中太赫兹超材料由硅基底和硅基底上周期性排列金属开口谐振环所组成，本发明专利技术的方法能够快速、无标记检测微量活细菌。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于检测领域，具体涉及基于太赫兹超材料检测微量活细菌的方法。
技术介绍
传统细菌检测方法是根据细菌培养后的形态和代谢特征，进行种属的鉴定。通常需要几天的时间来获取致病菌的种类，而某些生长较为缓慢的细菌所需要时间更长。基于核酸放大技术的反应，例如PCR可以更加快速的鉴定出病原菌类型，但是需要复杂的核酸提取过程和提前制备与其匹配的引物。基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱(MALDI-TOF-MS)可以避免核酸提取直接检测培养后的纯菌落，但灵敏度较低，灵敏度仅为105-106CFU。更为重要的是，核酸放大技术和MALDI-TOF-MS分别是检测细菌的特异性核酸和蛋白，不能区分待检细菌的生存状态，因为特异性成分可来自活菌也可来自死菌。检测到死菌对感染性疾病诊断意义不大，并且可能导致假阳性结果的产生。因此，建立一种简便、快速的微量活细菌的检测方法对于临床感染性疾病的诊断具有非常重要的意义。太赫兹(Terahertz，THz)辐射是指频率在0.1～10THz，波长在30～3000μm之间的电磁波，由于其波段位于微波和红外之间，早些年也被称为远红外射线(Far-infraredrays)。太赫兹时域光谱仪(THz-TDS，Terahertztime-domainspectroscopy)由于其较高的信噪比、可直接获取折射率和吸收系数等优点被广泛运用生物医学研究中，包括癌症成像、残留抗生素成分检测和蛋白质动力学研究。由于不同细菌具有的其特定结构在THz频段下具有不同的介电响应特征，并且同种细菌的活菌和死菌具有明显的差异性光谱，为太赫兹波用于细菌检测提供了相关理论支撑和契机。但是，大多数繁殖体细菌由于胞内水强烈吸收的掩盖作用，并不能显示出特异性的吸收峰，吸收系数光谱为相对平滑的曲线，只能通过数值大小进行鉴别。此外，由于太赫兹波长(1THz处为300μm)和细菌大小(通常1-2μm)存在长度尺寸失配的问题，根据瑞利散射原理，可导致低散射截面。因此，需要寻找一种方法，解决太赫兹波长与细菌大小不相匹配的问题。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的之一在于提供基于太赫兹超材料检测微量活细菌的方法，不需要标记，能够快速检测，并且方法简单。为实现上述专利技术目的，本专利技术提供如下技术方案：基于太赫兹超材料检测微量活细菌的方法，取菌液加至太赫兹超材料中心，烘干后太赫兹时域光谱仪在18～25℃、检测池相对湿度低于2％条件下采用透射模式进行测量透射光谱；所述太赫兹超材料由硅基底和硅基底上周期性排列金属开口谐振环所组成。优选的，所述烘干为42℃条件下烘干10min。优选的，所述菌液添加量为菌体数量至少为103CFU。更优选的，取10μL菌液浓度为105CFU/ml的菌液添加至太赫兹超材料中心。优选的，每个由五个金属开口谐振环组成，中间缺口大小为2～3μm。更优选的，所述硅基底的厚度为470μm，所述金属开口谐振环的金属厚度为200nm。本专利技术的有益效果在于：本专利技术公开了基于太赫兹超材料检测微量活细菌的方法，该方法简单，不需要标记，能够快速检测，太赫兹超材料具有多个吸收峰，因此能够实现多种细菌鉴别，并且需要的样品量少，极大的提高检测灵敏度，检测灵敏度达到103CFU，实现微量细菌的有效鉴别。附图说明为了使本专利技术的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本专利技术提供如下附图：图1为太赫兹超材料的光学显微镜图片。图2为利用太赫兹超材料检测微量大肠杆菌透射光谱图。图3为利用太赫兹超材料检测微量大肠杆菌活菌和死菌的透射光谱图。图4为采用有限元分析方法模拟出的覆盖了大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的透射光谱图。具体实施方式下面将结合附图，对本专利技术的优选实施例进行详细的描述。实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件或按照制造厂商所建议的条件。太赫兹超材料是制作在半导体衬底或者电介质上的亚波长金属结构组成的，具有自然材料不具备的特异电磁特性的人工复合材料。以前的功能性超材料主要集中在操纵微波、远红外和可见光频段，很少见超材料用于太赫兹频段的相关报道，本专利技术通过制备适用于太赫兹频段的超材料，弥补超材料用于太赫兹频段空缺的机遇。本专利技术的太赫兹超材料是在硅基底上周期性排列的金属开口谐振环所组成，硅片为470μm厚，硅片上的金膜为200nm厚，每个周期由五个金属开口谐振环所组成，中间的缺口大小为2-3μm，与细菌大小尺寸相匹配(图1)。其中超材料由现有光刻技术制备。如果把超材料中的开口谐振环(SRR)看作为一个电感电容电路元件，超材料的共振频率即可表示为其中L和C分别是电感和电容。电感主要是所制备超材料的几何参数所决定，而电容与电容器的有效介电常数密切相关。当细菌覆盖于超材料表面时，有效介电常数的改变导致了电容的改变，最终导致了共振频率的位移。由于不同细菌在太赫兹波段具有不同的介电相应特征，介电常数改变上的差异引起共振频率位移数值上的差异，从而可用于细菌种属间的鉴别。超材料的强局域场分布和高Q值谐振使其对材料表面的物质非常敏感，使得太赫兹超材料能用于痕量细菌的检测。此外，因为材料内间隙的大小和细菌大小尺寸相匹配，均为微米级，太赫兹超材料适宜于细菌检测。利用太赫兹超材料检测微量活细菌的方法，具体步骤如下：(1)细菌培养：将冻存的标准菌株大肠杆菌接种于哥伦比亚血琼脂平板，在温度为37℃、CO2体积分数为5％的恒温孵箱中培养过夜，培养后挑选无污染、形态典型的单菌落，利用灭菌生理盐水充分润洗去除培养基成分，随后离心富集，重悬于灭菌生理盐水中，根据吸光度(OD600)和菌液中每毫升的菌落形成单位数值(cfu/mL)的标准曲线，测量吸光度，配置成105CFU/ml的浓度；(2)样品测量：测量高阻硅的透射光谱作为样本的参考信号，以消除硅片本身带来F-P驻波的影响，然后分别取10μL菌液加至太赫兹超材料中心，放置于热板上在42℃条件下烘干10min，然后用太赫兹时域光谱仪(THz-TDS，Terahertztime-domainspectroscopy)在室温(18～25℃)下采用透射模式进行测量，为了避免水蒸气的强烈吸收影响检测结果，在光路中配置有密闭装置并冲入高浓度氮气，使检测池相对湿度降至2％以下；并以测量未加样本的太赫兹白超材料作对比，结果如图2所示。结果显示，大肠杆菌透射光谱与空白样本的投射光谱不同，其共振频率产生了偏移，其原因是大肠杆菌覆盖于超材料表面时，有效介电常数的改变导致了电容的改变，最终导致了共振频率的位移。其中本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于太赫兹超材料检测微量活细菌的方法，其特征在于：取菌液加至太赫兹超材料中心，烘干后利用太赫兹时域光谱仪在18～25℃、检测池相对湿度低于2％条件下采用透射模式测量透射光谱；所述太赫兹超材料由硅基底和硅基底上周期性排列金属开口谐振环所组成。

【技术特征摘要】
1.基于太赫兹超材料检测微量活细菌的方法，其特征在于：取菌液加至太赫兹超材料中心，
烘干后利用太赫兹时域光谱仪在18～25℃、检测池相对湿度低于2％条件下采用透射模式
测量透射光谱；所述太赫兹超材料由硅基底和硅基底上周期性排列金属开口谐振环所组
成。
2.根据权利要求1所述基于太赫兹超材料检测微量活细菌的方法，其特征在于：所述烘干为
42℃条件下烘10min。
3.根据权利要求1...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨翔，府伟灵，黄庆，罗阳，刘跃平，余抒，徐含青，赵祥，刘羽，杨柯，
申请(专利权)人：中国人民解放军第三军医大学第一附属医院，
类型：发明
国别省市：重庆;50