无监督学习辅助声学驱动纳米透镜全息技术用于活细菌的超灵敏和无扩增检测

细菌感染作为导致公共卫生安全问题的重要因素之一，常导致食物中毒、严重感染和潜在的健康风险，尤其是在资源匮乏的发展中地区。细菌的早期诊断需要一个快速、灵敏且具有成本效益的检测平台，从预防的角度来看，用于病原体相关事故的管理。实时定量聚合酶链反应（qPCR）被广泛用于检测细菌，由于其固有的优点，如高灵敏度、卓越的特异性和出色的可重复性，被认为是金标准。此外，许多新兴的核酸检测技术由于其最先进的高灵敏度生物传感策略和先进的数据处理算法而具有许多优势。然而，这些策略中的大多数主要依赖于DNA扩增，需要昂贵的荧光信号读出设备，并且通常仅在专业实验室中可用，以避免气溶胶污染。此外，在传统的病原体检测方法中，识别活菌一直是一个无法克服的问题。因此，灵敏高效的生物传感策略的开发，以及经济实惠的信号读出设备的可用性，对于细菌检测技术的发展至关重要。

UL-SNH生物传感平台的原理和设计

UL-SNH生物传感平台主要由三个关键部分组成：增强型CRISPR-Cas12a生物传感、基于SNH显微镜的超宽FOV超灵敏全息成像和 UL 辅助图像处理技术。作为概念验证，应用UL-SNH生物传感平台检测细菌，并使用多个crRNA介导的CRISPR-Cas12a系统。MNP-噬菌体以高特异性捕获各种样品中的活菌，形成MNP-噬菌体-细菌复合物，这些复合物在磁性分离富集后快速裂解以提取核酸。这些crRNAs准确识别靶细菌的特异性DNA序列并激活Cas12a酶的反式切割活性。PS-SA和MNP-ssDNA-生物素偶联物结合形成PS-SA-生物素-ssDNA-MNP 复合物。Cas12a酶复合物（Cas12a-多crRNA-靶DNA）被靶阳性DNA反式切割的ssDNA激活，以防止PS-MNP复合物的形成。非靶标阴性DNA不会激活Cas12a酶的切割活性来反式切割ssDNA。磁分离后，收集上清液中的PS-SA信号探针进行全息成像，卷积神经网络完成信号转导。PS微球信号探针的数量与目标活菌的浓度直接相关，无需额外的信号放大。

真实样品分

混淆矩阵总结了两种方法获得的鼠伤寒沙门氏菌的阳性和阴性检测结果。UL-SNH和qPCR方法检测到9个阳性食物样本（猪肉样本4、7和11号；生菜样本2、5和9个；牛奶样本6、10和11个）、34个阴性食物样本、3个阳性临床样本（2、4和10号）和12个阴性临床样本。由于UL-SNH生物传感平台的高灵敏度，低浓度鼠伤寒沙门氏菌污染样品（牛奶样品的3号）通过UL-SNH检测呈阳性，但qPCR方法无法准确鉴定。此外，UL-SNH成功鉴定了人工污染食品样品（生菜样品的第10号）中的活细菌，并且没有出现假阳性。第二个特征对于细菌检测的实际应用至关重要。相比之下，qPCR未能准确检测10号生菜样品。尽管UL-SNH在检测阴性样品时可能会产生一些假阳性，但最终结果与基准一致。

结论

开发了一种无监督学习辅助和SAW-IDT驱动的纳米透镜全息生物传感平台，用于超灵敏和无扩增的活细菌检测。基于纳米透镜的全息显微镜实现了较小尺寸PS微球信号探针的超灵敏全息成像，突破了低SNR限制，具有超宽FOV和高灵敏度。此外，无监督学习辅助目标检测算法可以准确检测PS微球，并在快速训练后促进信号转导，而无需手动标记数据集和高配置计算机。因此，我们的策略将无监督学习和超灵敏全息成像技术集成到一个具有广泛潜力的生物传感平台中，与以前的工作和传统的qPCR方法相比，该平台在时间、成本和准确性方面具有许多优势。

参考文献：

Zhou Y, Zhao J, Wen J, et al. Unsupervised Learning‐Assisted Acoustic‐Driven Nano‐Lens Holography for the Ultrasensitive and Amplification‐Free Detection of Viable Bacteria[J]. Advanced Science, 2025, 12(2): 2406912.