由康涅狄格大学制作
细菌
信用:Pixabay 生物医学工程副教授郑国安开发了一种新的传感器技术，可以进行高时空分辨率、高灵敏度的大规模微生物监测
这种传感器可以确定治疗患者某些细菌感染的最有效抗生素
它为微生物学家和临床医生提供了比传统方法更快、更灵敏的微生物生长的详细信息
康涅狄格已经公布了这项发明的专利
郑的ptychographic传感器在厘米级的视野范围内实现了单细胞的空间分辨率和15秒的时间分辨率
该传感器由三个主要部分组成:照射样品的激光光源、涂有微珠散射层的图像传感器和保持设备在适当温度下运行的冷却器
微珠的散射层用作微生物监测的计算透镜
整个装置可以放在普通的培养箱中，也可以作为独立的培养箱用于长期实验
在最近发表在《生物传感器与生物电子学》上的一篇论文中，郑在E
大肠杆菌，一种非常成功的微生物监测模式生物
他看着何戊
大肠杆菌对两种不同的抗生素有反应:庆大霉素和氨苄青霉素
当病人带着潜在的细菌感染进入医院或其他卫生保健机构时，卫生保健从业者将从感染部位采集样本，并在专门的培养基上培养，如琼脂平板
将不同浓度的不同抗生素添加到培养基中，以确定药物的最小抑制浓度
这一结果使得从业者能够使用最有效的抗生素，同时降低耐药性的风险
“我们的想法是试图找到正确的药物及其剂量来治疗患者，”郑说
在郑的传感器中，样本放在图像传感器上进行数据采集
当激光照射到样品上时，光被样品衍射，并被微珠的散射层调制用于检测
通过将设备平移到不同的x-y位置，可以获得许多衍射光图案，并用于重建细菌菌落的图像
使用ptychographic传感器以15秒的间隔和厘米级的视野对细菌生长进行灵敏跟踪
此处显示的图像是一个微菌落的复原相图
信用:国安郑 重建过程的核心是一种叫做ptychography的成像技术
像图像传感器这样的光检测器只测量照射到它们的光的强度变化
在记录强度的过程中，它们丢失了相位信息，相位信息表征了光在传播过程中被延迟的程度
Ptychography最初是为电子成像开发的，是一种相位恢复方法，它从许多不同的强度测量中恢复丢失的相位信息
这种心理重建过程产生了一个三维图像，科学家可以在计算机上查看该图像，以了解细菌是如何生长的以及对抗生素的反应
图像的3D特性对于临床应用很重要
如果一个细菌群体向上生长而不是向外生长，传统的传感技术无法检测到这种生长，而郑的传感器可以
“对于3D模型来说，这是细菌生长速度的精确测量，”郑说
“如果你只是使用2D模型，它只是没有给你准确的措施来量化这种增长
" 郑的传感器还可以在15秒内，在厘米级的视野范围内对细菌生长进行成像，基本上是实时监控它们
相比之下，现有技术至少需要10分钟才能从相似的视角捕捉到增长的变化
这意味着与使用传统方法相比，郑的技术可以更快地提供可用的结果
郑的传感器可以如此快速地恢复图像，因为它使用了一种被称为“时间相似性约束”的创新技术
“这意味着传感器在捕获下一幅图像之前，会使用早期图像来预测样本将如何生长
“在相邻的时间点，细菌看起来相似，”郑说
“他们没有改变太多
所以这就是为什么我们可以使用前一个时间点的恢复图像作为当前时间点的初始猜测来恢复高分辨率图像
" 郑的传感器还能让科学家看到抗生素诱导的丝化现象
当细菌细胞停止分裂和作为菌落生长，而是开始自我延伸时，就会发生这种情况
传统方法无法在大视野范围内检测到这种影响，这使得细菌生长看起来受到抑制
这意味着所使用的抗生素并不像人们预期的那样有效
这种传感器也可以用于其他类型的测试，不仅仅是细菌感染
郑说，可能的应用包括哺乳动物细胞培养的组织分析和药物筛选
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