はじめに

冬季は呼吸器感染疾患の高発期であり、現在我が国で流行している呼吸器疾患多種の病原体から引き起こす細菌、マイコプラズマを含む、インフルエンザウイルス以および世界的大流行を引き起こした新&型&冠&状ウイルスなど。気道に鑑みて病気高い伝染性、伝播性を有する足が速いの特徴、かつ異なる病原体による呼吸器感染は症状と治療の面で顕著な差があるため、早期に検査と確定診断を行うことは呼吸器を効果的に抑制することである病気が広がるの重要な手段です。伝統的な分離培養方法は正確性と権利と威信性の面で顕著な優位性を持っているが、その操作が煩雑で時間がかかり、生物安全リスクに関わるなどの欠点のため、現在の臨床検査の実際の需要を満たすことができなくなった。現在、主に採用されている検査方法は核酸検査と免疫学検査を含むが、これらの方法はすべて専門実験室設備を配備する必要があり、操作者は専門的な訓練を受ける必要があり、コストが比較的に高く、同時に検査周期も比較的に冗長である，急速に増加する気道を満たすことができない疾病サンプル大規模な現場検査の切実な需要，そのため、新型の呼吸器ウイルス検出技術の開発が切実に求められている。

光が物質に照射されて散乱すると、波長が変化する散乱光をラマン散乱と呼ぶ。波長が変化する原因は光子と被照射物質の分子間にエネルギー移動が発生した後、分子振動エネルギー準位が変化したためである，光子が異なる物質にラマン散乱を起こしたときに移動するエネルギーが異なると、被照射物質の種類を特異的に識別することができる。一方、表面増強ラマンスペクトル（SERS）通常のラマン散乱に基づいて被照射物質を吸着または接続粗い貴金属表面において、ラマン信号強度を大幅に向上させた。通常のラマン散乱固有の非破壊分析、水成分の影響を受けず、試料は複雑な処理を必要とせず、検出速度が速く、携帯機器を使用して現場分析ができるなどの優位性に基づいて、SERS技術はより高い感度を持ち、ある条件下で単分子検出レベルに達することができる。患者の生体サンプルを分析することで、この技術は特定の分子マーカーを迅速に検出し、呼吸器疾患を引き起こす特異的病原体医療専門家がより早く確実な診断を行い、患者によりタイムリーで個別化された治療案を提供するのに役立つ。診断時間の短縮と伝統的な検査の煩雑な過程の減少を通じて、迅速な検査方法は伝染病の予防制御、医療効率の向上と医療負担の軽減などの面で重要な役割を発揮し、呼吸器疾患の治療により効果的な支持を提供することが期待されている。

新&冠&病&毒（COVID&-19）検査へのSERS技術の応用

新型コロナウイルス&コロナウイルスは、ヒトに感染する7番目のコロナウイルスであるかつ&極めて&高い伝染性のため、超高速で高感度な新型検査方法の開発は特に差し迫っている。LEONGらはSERS技術に基づくハンドヘルドの新&型&冠&状ウイルス検出器を設計した。この装置の内部には3種類のチップが集積されており、それぞれ2-メルカプト安息香酸、4-メルカプトピリジン、アデノシン三リン酸の3組のSERSプローブ分子を搭載している。これらのSERSプローブ分子は銀ナノ粒子表面に固定されている。測定中、被験者は装置に約10秒間呼気し、呼気中の新&型&冠&状ウイルスバイオマーカーがセンサと化学反応するため、SERS信号の変化により反応後の化合物を特徴づけることができる。病院や空港で501人を対象に行った新規&型&コロナ&状ウイルスの現場検出について、LEONGらの研究結果によると、この検出方法の偽陰性率は3.8%、偽陽性率は0.1%であった。これはポリメラーゼ鎖反応検出に比べてかなりの精度があり、しかもコストが低く、検出時間はわずか5分しかかからない。注目すべきは、この装置は生物源の揮発性有機物の種類の変化を検出することができるだけでなく、他のタイプの呼吸器ウイルス感染をスクリーニングすることにも使用できることである。

図1は、呼吸揮発性有機化合物に基づいて新規&クラウン&病気&毒陽性個体を識別するためのスキーム設計である。

インフルエンザウイルス検出におけるSERS技術の応用

インフルエンザウイルスは高い伝染性と変異率を持ち、季節的な流行を引き起こし、ひいては世界的な大流行を招き、公衆衛生に深刻な負担をもたらす可能性がある。そのため、インフルエンザの爆発前にタイムリーで正確な検査を通じてその伝播を抑制するために、正確で迅速なインフルエンザウイルス検査方法を研究する必要がある。Chenらはデュアルモード表面増強Raman散乱（SERS）に基づくアプタマーセンサーを開発し、同時に正確な診断と区別&新&冠&病&毒&甲型H 1 N 1インフルエンザを開発した。この技術では、SARS−CoV−2と新型H 1 N 1インフルエンザとを選択的に結合したDNAアプタマーがポップコーン状の金ナノ基板上に共固定されている。ラマンレポーター遺伝子（Cy 3とRRX）は、DNAアプタマー末端に接続され、金ナノ基板のナノギャップに強いSERS信号を生成することができる。同時に、内部標識ラマン報告遺伝子（4−MBA）はアプタマーDNAとともに金ナノ基板に固定され、測定環境の変化による誤差を低減する。SARS−CoV−2または新型インフルエンザウイルスが金ナノ基板に接近すると、対応するDNAアプタマーとウイルスとの間に顕著な結合親和性が存在するため、関連するDNAアプタマーは基板から選択的に分離される。したがって、標的ウイルス濃度の増加に伴い、対応するSERS強度は徐々に低下する。このSERSベースDNAアプタマーセンサーは、疑いのある患者がSARS-CoV-2または新型インフルエンザに感染しているかどうかを迅速に決定することができ、同時に高感度で標的ウイルス濃度を定量的に評価し、交差反応の影響を受けない。

図2（a）SARS-CoV-2または新型インフルエンザに感染した場合に現れる症状、および診断のためのRT-PCRおよび迅速抗原キット；（b）ポップコーンじょうきんナノ基板の写真とSEM画像；（c）ウイルス検出用の双適体固定ポップコーンじょうたい金ナノメートルきていの動作原理を説明します。

細菌感染検出におけるSERS技術の応用

細菌感染はい死亡の主な原因は、先進国や途上国で年間670万人の命が奪われていることだ。これらの感染の治療費も高く、米国だけで年間医療支出の8.7%、つまり330億ドルを占めている。現在の診断方法では、細菌とその抗生物質感受性を検出し識別するためにサンプル培養を行う必要があり、これは***の実験室でも数日かかる可能性がある緩やかなプロセスである。通常、培養結果を待つ間に広範な抗生物質が処方され、疾病制御と予防センターのデータに基づいて、30%以上の患者が不要な治療を受けた。したがって、細菌感染を迅速かつ無培養で診断するための新しい方法が必要であり、より早く標的抗生物質を放出し、抗生物質耐性の軽減を支援することができる。ラマンスペクトルは細菌の種類と抗生物質耐性を識別する可能性があり、共焦点スペクトルと結合すると、機械的に単一の細菌細胞の分析ができる。異なる細菌表現型は独&特の分子組成を有し、その対応するラマンスペクトルに微細な差がある。しかしながら、ラマン散乱効率は低い(~ 10^?8散乱確率）、これらの微細なスペクトル差は背景ノイズによって容易にマスクされる。そのため、高い識別精度を達成するには高信号対雑音比が必要であり、通常は長い測定時間が必要であり、これは高フラックス単細胞技術の発展を阻害する。また、大量の臨床関連種、菌株、抗生物質耐性モデルは全面的なデータセットを必要とするが、これらのデータセットは種分離株または抗生物質感受性の区別に焦点を当てた研究では収集されていない。HoらはSERS技術を用いた畳み込みニューラルネットワーク訓練と結合してこの課題に対応し、細菌SERSスペクトルを分離、経験的治療、抗生物質耐性により分類した。

図3コンボリューションニューラルネットワークは、SERSスペクトル中で細菌を識別する。

まとめ

SERS技術の進歩に伴い、現在、検査分野では主に3種類の応用構想がある：（1）特異性核酸配列と抗体をナノ粒子表面に付着させ、SERSラベルを構築し、それによって複雑な体液中で呼吸器ウイルスの正確な検査を実現する、（2）新型補強基板の製造技術を利用して、ナノ粒子間の「ホットスポット」サイズをウイルス粒子により適合させ、検査効率を高め、コストを削減すると同時に、唾液、血液などの生物背景が検査結果に対する干渉を効果的に回避した、（3）SERS−クロマトグラフィー連携技術などの他の検出技術と連携して使用し、SERS強化基板を光ファイバ上に組み込み、高感度の検出センサとする。さらに、結合SERSとプラズマセンシングは生体分子相互作用の高感度定量検出に使用できる。SERS技術は通常のラマンスペクトル信号が弱い欠点を克服し、入手困難な構造情報を提供する。

SERS技術は呼吸器疾患の病原検出において顕著な進展を遂げたが、呼吸器ウイルスをより包括的に、深く研究し、診断するために、研究者は通常共焦点顕微ラマン分光器を使用することを選択する。この器具はレーザー共焦点顕微鏡とラマン分光計の特徴を結合し、気道疾患病原のSERS検査に独&特の優位性を提供した：

高空間分解能：共焦点顕微鏡ラマン分光計は高分解能のイメージング能力を持ち、ミクロスケールでサンプルの構造と組織を観察することができる。気道疾患の病原検出において、このような高空間分解能は、研究者が微小なウイルス粒子または細胞構造を正確に特定し、観察するのを助けることができる。

深さ情報の取得：共焦点顕微鏡ラマン分光計は三次元イメージングを実現でき、研究者にサンプル内部の深さ情報を提供する。これは異なる細胞レベルにおける病原体の分布と相互作用を理解する上で重要であり、呼吸器疾患の発展過程をより全面的に理解するのに役立つ。

リアルタイムモニタリング：共重合焦点顕微鏡ラマン分光計はリアルタイムモニタリング機能を備え、サンプル中の病原体の動態変化を追跡することができる。呼吸器疾患の研究において、リアルタイムモニタリングは、研究者がウイルスのライフサイクル、感染過程及び治療介入の効果を理解するのに役立つ。

背景干渉の低減：共焦点顕微鏡ラマン分光計は焦点を精密に制御することにより、背景信号の干渉を低減することができる。これは、検出結果の正確性と信頼性を確保するために、複雑な生物サンプルにおける高感度SERS検出に特に重要である。

オースペクトル天成ATR 8800シリーズマイクロラマン分光計最大4つのレーザを集積し、顕微鏡とラマン分光計の両者の利点を結合し、顕微鏡ラマン検出プラットフォームは「見たものは測定」を可能にし、可視化された精確なラマン検出プラットフォームを位置決めし、観察者はサンプル上の異なる表面状態のラマン信号を検出することができ、コンピュータ上で検出された位置のマイクロ領域の形態を同期的に表示することができ、ラマンマイクロ領域の検出を極めて便利にした。

ATR8800全シリーズは全自動合焦、全自動スキャンを行うことができ、ワンクリック操作で、ロット実験、均一性スキャンなどを行うことができ、待つ必要がなく、しかも高信頼性のスキャンイメージングRamanデータを得ることができる、

ATR8800異なる焦点距離の分光計を搭載し、異なる解像度の要件を達成するために、ATR 8800はまた、レーザ光スポットが回折限界に近づくようにラマンシステムに特化して設計された対物レンズを搭載し、さらに500万カメラを通じて焦点情報を正確に直感的にコンピュータに表示する。通常のラマンシステムで収集されたラマン信号の焦点面が実際の**焦点面よりやや高いかやや低いという問題を克服し、ラマンスペクトル品質を向上させた。

ATR8800完&美的にカメライメージングの時間路の損失を解決し、カメライメージングとラマン信号収集の分離を実現し、それによって**の信号強度を得る。同時に、ATR 8800は顕微ラマンシステムの最適化に特化した高性能ラマンを使用し、感度、信号対雑音比、安定性などにかかわらず、業界トップ&トップレベルであり、ラマン研究に強力な保障を提供した。

参考文献：

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