“我们不仅可以发现细菌存在，还可以发现样本中存在哪些细菌 - 大肠杆菌，葡萄球菌，链球菌，阿尔莫氏菌，炭疽等，”材料科学与工程副教授Jennifer Dionne说。“每种微生物都有自己独特的光学指纹。这就像在光中潦草的遗传和蛋白质组学代码。

Dionne是《纳米快报》(Nano Letters)杂志上一项新研究的资深作者，该研究详细介绍了她的团队开发的一种创新方法，该方法可以对几乎任何可能想要测试微生物的流体进行更快(几乎立即)，廉价和更准确的微生物测定。

今天仍在使用的传统培养方法可能需要数小时甚至数天才能完成。结核病培养需要40天，Dionne说。该团队表示，新的测试可以在几分钟内完成，并有望更好，更快地进行感染诊断，改善抗生素的使用，更安全的食品，加强的环境监测和更快的药物开发。

老狗，新花样

突破不在于细菌显示这些光谱指纹，这一事实已经知道了几十年，而是研究小组如何在每个样本反射的致盲光阵列中揭示这些光谱。

“不仅每种类型的细菌都表现出独特的光模式，而且给定样品中的几乎所有其他分子或细胞也是如此，”第一作者，Dionne实验室的博士生Fareeha Safir说。“样本中的红细胞，白细胞和其他成分正在发回自己的信号，这使得很难将微生物模式与其他细胞的噪音区分开来。

、一毫升血液 - 大约雨滴大小 - 可以包含数十亿个细胞，其中只有少数可能是微生物。该团队必须找到一种方法来分离和放大细菌反射的光。为了做到这一点，他们沿着几个令人惊讶的科学切线冒险，结合了从计算中借来的四十年前的技术 - 喷墨打印机 - 和我们这个时代的两项尖端技术 - 纳米粒子和人工智能。

“将细菌光谱与其他信号分离的关键是分离极小样本中的细胞。我们使用喷墨打印的原理来打印数千个小血点，而不是询问单个大样本，“共同作者Butrus”Pierre“Khuri-Yakub解释说，他是斯坦福大学电气工程名誉教授，他在1980年代帮助开发了原始喷墨打印机。

“但你不能只是买一台现成的喷墨打印机，然后添加血液或废水，”萨菲尔强调说。研究人员修改了打印机，使用声脉冲将样品放在纸上，以规避处理生物样品的挑战。每个打印的血液点的体积只有万亿分之二升 - 比雨滴小十亿倍以上。液滴非常小，以至于它们在这种规模下可能只能容纳几十个细胞。

此外，研究人员在样品中注入了金纳米棒，这些金纳米棒附着在细菌上，如果存在的话，并且像天线一样，将激光吸引到细菌中，并将信号放大约1500倍于其未增强的强度。适当分离和扩增，细菌光谱像科学酸痛的拇指一样突出。

难题的最后一部分是使用机器学习来比较每个打印的流体点反射的几个光谱，以发现样品中任何细菌的明显特征。

“这是一个创新的解决方案，有可能挽救生命。我们现在对商业化机会感到兴奋，这些机会可以帮助重新定义细菌检测和单细胞表征的标准，“资深合著者Amr Saleh说，他是Dionne实验室的前博士后学者，现在是开罗大学的教授。

协作的催化剂

这种跨学科合作是斯坦福传统的标志，来自看似不同领域的专家利用他们不同的专业知识来解决具有社会影响的长期挑战。

这种特殊方法是在校园咖啡馆的午餐会议上孵化出来的。2017年，他是斯坦福大学协作解决方案催化剂(Catalyst for Collaborative Solutions)分发的一系列3万美元赠款的首批接受者之一。催化剂资助特别旨在激发斯坦福大学研究人员在医疗保健、环境、自治和安全等高回报领域的跨学科冒险和合作。

虽然这项技术是使用血液样本创建和完善的，但Dionne同样有信心，它可以应用于细菌以外的其他液体和靶细胞，例如测试饮用水的纯度，或者可能比现在的方法更快，更准确，成本更低地发现病毒。