细菌感染是导致公共卫生安全问题的重要因素之一，经常引起食物中毒、严重感染和潜在的健康风险，特别是在资源贫乏的发展中地区。细菌的早期诊断需要一个快速、灵敏、高性价比的检测平台，从预防的角度进行病原体相关事故的管理。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，大多数这些策略主要依赖于DNA扩增，需要昂贵的荧光信号读出设备，并且通常只能在专门的实验室中使用，以避免气溶胶污染。

无透镜全息成像

无透镜全息成像可以直接捕获CMOS传感区域内样品的全息图，并对目标样品的相位和幅度进行数字化重建。这种方法通常提供比传统成像设备大得多的吞吐量。在之前的研究中成功开发了一个基于聚苯乙烯（PS）微球单粒子计数的多功能生物传感平台，使用自制的便携式无透镜全息显微镜对多种类型的目标进行灵敏检测。作为理想的光信号探针，功能化PS微球具有性价比高、化学性质稳定、形貌均匀等优点。一般来说，小PS微球信号探针增加了生化反应效率，从而提高了检测灵敏度。然而，便携式全息显微镜受信噪比差的限制，无法实现超宽视场下的超灵敏全息成像。无透镜全息成像技术虽然可以实现超宽视场数字成像，但其灵敏度从根本上受到光衍射和CMOS传感器等因素的制约，使得高信噪比全息成像成为一个挑战。全息成像采用了一系列创新策略来应对这些挑战，包括对每个传感器像素进行虚拟细分以提高信噪比，以及使用流体聚合物形成纳米透镜，以提高对比度和来自小纳米颗粒的信号水平。大批量全息图的高速处理对同时实现超宽视场和高信噪比全息成像提出了相当大的挑战。

图1. 无监督学习辅助声驱动纳米透镜全息平台原理^[1] 

无监督学习（UL）辅助和表面声波(SAW) -数字转换器（IDT）驱动的纳米透镜全息（UL-SNH）生物传感平台

噬菌体特异性地捕获和丰富活菌并诱导它们释放DNA，这些DNA被用作底物DNA，激活集群规则间隔短回文重复序列(CRISPR) - CRISPR相关蛋白12a （Cas12a）系统的反式切割能力。这些过程导致生物素修饰的单链DNA （ssDNA）的反式切割。ssDNA通过SA与生物素之间的生物正交反应，作为连接PS-streptavidin （SA）信号探针与磁性纳米粒子(MNP) - ssDNA -生物素复合物的桥梁。多种靶向特异性CRISPR RNAs (crRNAs)可与Cas12a复合，形成核糖核蛋白（RNPs），从而提高反式切割效率。逐步添加试剂会触发生化反应，改变上清液中PS-SA探针的数量，这一过程与目标菌的浓度直接相关。利用SNH显微镜捕获PS微球探针的全息图，并通过操纵液体产生局部纳米透镜效应来提高信噪比，实现超宽视场下的超灵敏全息成像。

 结论

UL辅助图像处理算法不仅可以在不需要对应真值标签的情况下完成小批量训练，而且可以实现精确的目标检测。CRISPR-Cas12a系统、SNH显微镜和UL辅助图像处理技术的多学科有机集成创造了一个创新的生物传感平台，为细菌检测提供了一个成本效益高、用户友好且现场便携式的系统。

参考文献：[1] 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.