用于细菌毒素的基于孢子的生物混合微型机器人和自动化检测系统技术方案

本发明专利技术公开了用于使用微型机器人检测试样中的靶分子的材料、设备、方法和系统。靶分子可以是细菌毒素。微型机器人可以包括生物混合材料，诸如多孔孢子芯，用于在流体中进行驱动和操控以及进一步与功能性探针缀合的涂覆在孢子芯上的中间层，以及用于附着于流体中的靶分子以响应于荧光追踪的锚定在中间层上的传感探针。公开了用于检测细菌毒素的系统，并且该系统包含基于自动化荧光识别和检测方法的智能运动控制系统，其可以推动和引导微型机器人以预先设计的路径实现自动化运动并且在与倒置荧光显微镜或荧光发射多重读取器集成时进行实时监视。

Spore based hybrid micro robot and automatic detection system for bacterial toxins

【技术实现步骤摘要】
用于细菌毒素的基于孢子的生物混合微型机器人和自动化检测系统专利
本专利技术一般涉及使用官能化微型机器人设备、自动化荧光识别和检测方法以及相关的检测系统来检测微生物毒素和确定细菌的存在。
技术介绍
人体中存在成千上万种细菌。有益细菌可以帮助人体将大的食物分子分解成可用的燃料并且产生维生素来保护人体免受疾病侵害，而有害细菌可以使我们的身体不适，并且感染有害细菌可以引发一系列与细菌有关的疾病并且甚至导致死亡。为了及早治愈细菌感染，快速、灵敏和及早地鉴定临床样本中的特定细菌是有利的。例如，艰难梭菌(Clostridiumdifficile(C.diff))是革兰氏阳性厌氧菌和胃肠道病原体，在发达国家造成数十万医院感染，感染艰难梭菌可以导致从轻度腹泻到甚至致死性假膜性结肠炎的一系列与艰难梭菌有关的疾病(CDAD)。市售的艰难梭菌诊断策略通常包括酶免疫测定(EIA)，细胞培养物细胞毒性中和测定(CCNA)，谷氨酸脱氢酶(GDH)测定和对粪便样品进行的分子测定，乙状结肠镜检查或结肠镜检查，以及计算机断层(CT)扫描。这些商用诊断策略或是通过缀合技术利用由艰难梭菌产生的两种毒素的特异性靶向来检测，或是对疑似感染部位进行直接观察。然而，这些常规的艰难梭菌筛查受到以下限制：分析成本高，对参考物的依赖性强，处理时间长(例如24-48小时)，灵敏度和特异性变动大，来自临床图像的非特异性和低准确性信息，以及要求明显的感染部位。开发一种简单、快速且实时监视的诊断方法将有利于临床需求，并且有助于临床医生在感染开始时开出有效治疗的处方。r>
技术实现思路
本专利技术的实施方案涉及用于实施在流体中检测靶分子例如检测毒素的材料、设备、方法和系统。检测可以使用运动控制系统和图像处理器而基于连续运动的荧光微型机器人的强度识别和追踪。本专利技术包括在数十分钟内进行至少一个循环步骤的细菌毒素检测方法，该方法可以包括初始优化选择步骤和连续运动检测步骤。此外，本专利技术涉及设计用于检测细菌毒素的所有材料、设备和系统。在一方面，本专利技术提供了用于检测靶分子的在流体中推进的设备，该设备包括微型机器人。通过利用从微米/纳米材料继承的独特机械运动和官能化容易性，由各种类型的能源驱动的人工微米/纳米机器人可以用于遥感策略。运动传感设备可以提供实时和现场测量，并且还可以引起“运动中(on-the-move)”反应，从而加快由来自连续运动的内置(built-in)样品溶液混合和改善的接触所产生的反应速率。运动维度的引入为高效的化学/生物传感分析提供了解决方案。本技术的实施方案可以包括生物混合(biohybrid)官能化微型机器人，以与靶分子例如毒素分子相互作用。生物混合官能化微型机器人包括芯、磁性涂层和检测探针涂层。芯可以是天然孢子，其具有独特且复杂的三维雕塑构造并且可以大量培养。在芯的表面上是中间层。中间层可以由用于在流体中驱动和操控以及锚定官能团的分级结构构成。在中间层的表面上是检测探针涂层，其可以由官能化碳量子点构成，所述官能化碳量子点用于在流体中附着于靶分子(例如毒素分子)，从而产生荧光变化以进行追踪。使用检测探针涂层，生物混合官能化微型机器人适用于检测靶分子的存在，以基于“运动中”反应的荧光变化来检测样本中生物靶标的存在。在实施方案中，可以通过逐步涂覆技术来配置生物混合官能化微型机器人。如此获得的官能化微型机器人可以用于基于在数十分钟内在各种介质中连续运动所引起的荧光变化来检测一系列靶标毒素。微型机器人可以包括天然孢子芯、中间层涂层和检测探针涂层。天然孢子芯可以包括任何植物和真菌的孢子。芯也可以是合成芯，并且优选合成多孔芯。例如，芯可以包括介孔二氧化硅微米/纳米结构。多孔芯的存在有利于：大规模制造官能化微型机器人，目视观察用以追踪，以及检测探针的高质量负载，以使在低于纳克/毫升的水平(与市售ELISA相当)下具有良好灵敏度。中间层涂层可以包括驱动和操控的结构以及含有与自组装单层分子缀合的磁性纳米颗粒的官能化组件，其可以为微型机器人提供用于在磁场发生器中运动的磁特性和用于进一步缀合的官能性。磁性涂层可以包括Fe3O4纳米颗粒，其可以扩展到其他磁性颗粒，诸如镍、铁及其氧化物以及其他磁性金属氧化物。如本文所使用的，术语“磁性”是指响应于磁场的材料特性，例如但不限于顺磁性和铁磁性。检测探针涂层可以包括具有荧光发射的碳点和各种特异性基团或配体分子，例如，靶向重复性寡肽的寡糖，靶向内毒素的苯基硼酸(PAPA)，与霉菌毒素和蓖麻毒素B毒素结合的不同适体。检测探针涂层还可以包括具有相同的靶向检测官能度的其他荧光探针。在实施方案中，检测探针涂层可以包括具有不同特异性靶向能力的不同探针类型用以检测不同靶标。检测探针涂层中的检测探针可以与靶分子例如生物靶标结合并且与其形成复合物。可以检测这样的复合物形成，并且基于运动官能化微型机器人的传感荧光变化来确认靶分子的存在。测试流体中的靶标可以包括细菌毒素，例如艰难梭菌毒素的毒素A和毒素B，革兰氏阴性细菌的内毒素，来自腐烂食品中的真菌的霉菌毒素(赭曲毒素A(ochratoxinA)和串珠镰孢菌毒素B1(fumonisineB1))，甚至以及植物蓖麻毒素B毒素。在另一个方面，本专利技术提供了检测流体中的细菌毒素的系统，所述系统基于官能化微型机器人连同自动化荧光识别和检测方法。该系统可以包括如上所述的运动荧光微型机器人和运动控制系统，该运动控制系统以自动或手动操作模式在流体中推进微型机器人运动。该系统还包括成像设备，例如倒置荧光显微镜或荧光发射多重读取器(multi-reader)，并且可以直接应用于检测毒素靶标的存在。该方法包括对荧光微型机器人的初始优化识别以及随后的随着运动的强度估计，这通过运动控制系统来实现。在实施方案中，该系统可以使用官能化微型机器人和运动控制系统进行配置，该运动控制系统由磁场发生器、控制器箱和用于荧光观察的机动样品平台构成。运动控制系统可以推进官能化微型机器人在各种介质中游动，用以基于“运动中化学(chemistry-on-the-move)”反应所引起的荧光强度的变化来检测特定浓度的靶标毒素的存在。运动控制系统还可以以手动或自动操作模式控制官能化微型机器人运动。磁场发生器提供外部旋转磁场，并且包括多个电磁线圈和/或旋转磁铁。控制器箱包括硬件和软件以控制官能化微型机器人的运动路径的自动规划，以完成荧光变化的实时监视。样品平台可以包括机动自动台和样品架(holder)，并且可以用于移动样品以进行初始优化识别和荧光观察，这将在下面更详细地讨论。该系统可以集成到倒置荧光显微镜上，或者与荧光发射多重读取器集成在一起，用以通过基于官能化微型机器人的运动所引起的加速荧光变化来感测复合物形成，以检测生物或临床样本中细菌毒素的存在。可以以提供以下优点中的一个或多个的特定方式来实施本专利技术中描述的主题。例如，所公开的官能化微型机器人可以通过逐步涂覆使用低成本天然孢子大规模地生产，这优于常规的耗时且昂贵的模板辅助合成，该模板辅助合成通常使用模板(如阳极氧化铝模板)以通过初始沉积和随后移除模板来获得所需的结构。所公开的官能化微型机器人包本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可操控的微型机器人，所述可操控的微型机器人包含：/n最宽尺寸小于20微米的芯；/n所述芯的表面上的磁性涂层；和/n所述磁性涂层的表面上的检测探针涂层，其被配置成特异性地结合靶分子。/n

【技术特征摘要】
20181030 US 16/175,0241.一种可操控的微型机器人，所述可操控的微型机器人包含：
最宽尺寸小于20微米的芯；
所述芯的表面上的磁性涂层；和
所述磁性涂层的表面上的检测探针涂层，其被配置成特异性地结合靶分子。


2.根据权利要求1所述的可操控的微型机器人，其中所述芯是天然存在的生物材料。


3.根据权利要求2所述的可操控的微型机器人，其中所述芯是植物或真菌孢子，优选灵芝(Ganodermalucidum)孢子或石松(Lycopodium)孢子。


4.根据权利要求1所述的可操控的微型机器人，其中所述芯是合成的。


5.根据权利要求1所述的可操控的微型机器人，其中所述芯的表面是多孔的。


6.根据权利要求5所述的可操控的微型机器人，其中所述多孔表面的孔的直径具有100nm至400nm的直径。


7.根据权利要求1所述的可操控的微型机器人，其中所述磁性涂层包含磁性纳米颗粒。


8.根据权利要求7所述的可操控的微型机器人，其中所述磁性涂层包含铁、镍和/或磁性金属氧化物，并且优选包含Fe3O4。


9.根据权利要求1所述的可操控的微型机器人，其中所述磁性涂层具有约50nm至200nm的厚度。


10.根据权利要求1所述的可操控的微型机器人，所述可操控的微型机器人还包含自组装单层，其中所述自组装单层使所述磁性涂层官能化。


11.根据权利要求10所述的可操控的微型机器人，其中所述自组装单层是巯基化自组装单层。


12.根据权利要求1所述的可操控的微型机器人，其中所述检测探针涂层与毒素靶分子结合。


13.根据权利要求1所述的可操控的微型机器人，其中所述检测探针涂层包含用靶向配体官能化的碳点。


14.根据权利要求1所述的可操控的微型机器人，其中所述检测探针涂层包含寡糖官能化的碳点。


15.根据权利要求1所述的可操控的微型机器人，其中所述检测探针涂层被配置成检测多于一种类型的靶分子。


16.根据权利要求1所述的可操控的微型机器人，其中所述检测探针涂层被配置成检测与细菌有关的毒素，优选与艰难梭菌(C.diff)细菌有关的毒素。


17.根据权利要求1所述的可操控的微型机器人，其中所述检测探针涂层被配置成在与靶分子结合时发射或猝灭荧光。


18.根据权利要求1所述的可操控的微型机器人，其中所述检测探针涂层包含两个以上探针，所述两个以上探针被配置成与不同的靶分子结合。


19.一种制备根据权利要求1所述的可操控的微型机器人的方法，所述方法包括：
在芯的表面上用磁性涂层涂覆所述芯；和
在用所述磁性涂层涂覆所述芯之后用传感探针涂层涂覆所述芯。


20.根据权利要求19所述的方法，所述方法还包括在用所述磁性涂层涂覆所述芯之前移除所述芯的外膜和内芯物质上的杂质，其中所述芯是已经失活的细菌、真菌或植物孢子。


21.根据权利要求19所述的方法，所述方法还包括在用所述磁性层涂覆所述芯之后和在用所述传感探针涂层涂覆所述芯之前，用自组装单层涂覆所述芯。


22.一种使用根据权利要求1所述的可操控的微型机器人检测试样中的细菌的方法，所述方法包括：
使用图像传感器感测在试样中所述可操控的微型机器人的荧光。


23.根据权利要求22所述的方法，所述方法还包括使所述可操控的微型机器人连续运动。


24.根据权利要求23所述的方法，其中用磁场发生器产生的旋转磁场使所述可操控的微型机器人连续运动。


25.根据权利要求24所述的方法，其中所述磁场发生器包含多个电磁线圈。


26.根据权利要求24所述的方法，其中所述磁场发生器包含旋转磁铁。


27.根据权利要求23所述的方法，其中使所述可操控的微型机器人连续运动包括控制自旋、旋转-平移和/或翻转。


28.根据权利要求23所述的方法，其中使所述可操控...

【专利技术属性】
技术研发人员：张立，张亚斌，杨立冬，陈启枫，张琳，胡嘉麒，
申请(专利权)人：香港中文大学，
类型：发明
国别省市：中国香港;81