重水

世卫组织专家估计，到2050年，由于抗生素耐药导致的死亡人数可能从目前估计的每年70万人增加到每年1000万人，世界生产总值的损失将达到100万亿美元。导致耐药菌出现和蔓延的一个主要原因是在治疗感染类疾病时存在滥用和过度使用抗生素的情况。目前病原菌感染在临床的检验流程如图1所示，往往需要3-7天才能从病人标本中分析出病原菌鉴定和抗生素药敏的结果。快速检测感染细菌的药敏特性对确保有效抗生素的使用和减少对广谱药物的需求起着关键作用。那么如何准确且快速的判断感染细菌的药敏特性呢？ 近日，中国科学院苏州生物医学工程技术研究所的宋一之、复旦大学附属华山医院的王明贵和英国牛津大学的Wei Huang联合团队利用单细胞拉曼光谱-重水标记联用技术开发了一种适用于血液和尿液标本的快速药敏检测方法（FRAST），该方法将尿液和血液标本的药敏检测时间由3-4天分别缩短为3小时和21小时。 图1. 传统尿液和血液样本的药敏检测时间与FRAST的比较 FRAST方法基于拉曼光谱——重水标记联用技术，其主要原理为，细菌可通过重水（氘代水）培养可实现氘元素的标记，使拉曼光谱中的碳-氘峰成为单细胞水平细菌代谢活动的标记物。在抗生素作用下，易感菌代谢活性会受到抑制，而耐药菌则不受影响并产生明显的碳-氘峰，因此可以克服临床微生物试验对长时间培养的要求，使快速药敏成为可能。 FRAST方法的具体流程如图2所示。对于尿液感染标本，首先进行离心收集细菌，然后在共聚焦显微拉曼系统下对细菌观察并进行拉曼指纹图谱的采集，这一过程可判断尿液中是否有菌及菌量，同时将采集到的图谱利用机器学习模型与革兰氏阴性菌和阳性菌的数据库进行比对，准确预测样品中细菌的革兰氏阴阳性并以此选择合适的药敏板。将尿液加入到药敏板并作用1h后加入重水，待重水标记1h后离心洗涤样品并采集拉曼信号，通过对抗生素作用下的C-D峰的强度的统计计算读取最小抑菌浓度（MIC）。对于血液标本，则是在血培养瓶内进行培养，血培养瓶报阳后用同样的方法采集拉曼光谱并计算MIC值。 图2. FRAST用于临床尿液样本和血液样本的药敏试验流程图 在该研究中，团队对包含质控菌株和临床原始标本在内的超过3000个样本采集了6万余张单细胞拉曼光谱，并与临床金标准（微量肉汤稀释法或临床自动药敏系统）进行了对比，结果显示FRAST方法对革兰氏染色结果的预测准确率为100%（图3），药敏结果与金标准总体一致率大于88%。与其他基于Raman-DIP的病原菌药敏研究相比，该研究国际首次证明单细胞拉曼与重水标记结合可用于分析真实的尿液或血液标本中病原菌的耐药性，而且基于拉曼的革兰氏染色预测方法的整合使得FRAST成为相对独立完整的测试方法，临床医生可以无需其他手段辅助，完成“从样本到报告”的快速诊断。与近年来发展较快的耐药分子诊断技术相比，FRAST药敏是基于抗生素对细菌作用的表型，因此该结果不会因未知的耐药机制或基因表达调控影响而产生对药敏的误判。 图3. FRAST方法可以准确预测病原菌的革兰氏染色分类结果 这一成果近期发表在Analytical Chemistry上，论文标题为Development of a Fast Raman-Assisted Antibiotic Susceptibility Test (FRAST) for the Antibiotic Resistance Analysis of Clinical Urine and Blood Samples。该研究得到了科技部重点研发计划、中科院科研仪器设备研制等项目资助。 论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.analchem.0c04709

近日，四川大学卢志云教授团队成功地提出了一种能区分D2O和H2O的光学探针分子的理性设计策略，该项研究在比率型重水光学探针方面获得了突破性的研究成果。区分D2O和H2O的必要性重水是由氘和氧组成的化合物，分子式为D2O，在天然水中的含量少，不到0.1%。无论是作为研究化学和生理变化中使用的材料，还是在原子能技术中的重要应用等等，重水在尖端技术上无疑是一种为宝贵的资源。重水的制备主要来自天然水，然而，由于氘与氢的性质差别小，D2O和H2O的很多化学性质也较为相似，因此，如何利用化学方法将D2O中的H2O中高效区分出来，这是具有挑战性的研究工作。光学探针新发现光学探针是化学分析中较为常用的方法，具有操作方便、选择性高等优点，但目前重水光学探针不但种类稀少，而且响应机理复杂。近日，四川大学卢志云教授团队成功地提出了一种能区分D2O和H2O的光学探针分子的理性设计策略，其方法不但简单，而且更为高效。卢志云教授团队通过文献调研发现：D2O和H2O的酸碱性有一定差异[pH(H2O) = 6.5~7.0，pD(D2O) = ~7.5]。因此，他们推断如果能开发出一种光学探针，其pKa值既能满足pD(D2O) ≥ pKa（探针）≥ pH(H2O)，且其去质子化物种的光谱性质还可产生显著变化，那么就有望能实现定性区别H2O和D2O，以及对D2O中H2O的含量进行高效准确的定量检测。两种探针的开发基于该策略，作者开发了两种比率型光学探针：NIM-2F和AF，两者都含有酸性较强的酚羟基（-OH），其pKa值（分别为7.05和7.29）均能满足pD(D2O) ≥ pKa（探针）≥ pH(H2O)这一要求。在弱碱性环境中两者的酚羟基能够有效地去质子化，生成相应的酚氧负离子物种（-O-）。基于-OH和-O-基团的显著不同的供电子能力，初始物种（含-OH）和去质子化物种（含-O-）在吸收光谱和荧光光谱的性质上也产生了明显差别。结果表明，NIM-2F和AF均确能实现对H2O和D2O的定性区分。相较于已知的利用无机荧光材料与水和重水的物理作用差异来对两者进行区分的方法，这种利用水和重水的化学性质差异的光学分子探针对其进行区分的方法更为高效便捷。在实验过程中，两种探针分子均表现出较高的选择性，除定性区分外，还可以实现对D2O中H2O含量的准确定量检测，且灵敏度令人满意，实验结果也较为理想。在定性和定量检测之余，作者借助稳态荧光、瞬态荧光、核磁滴定等多种研究手段，确定了上述探针分子对H2O和D2O的响应机制来自两者在酸碱性上的化学性质差异，而非其他化学或物理性质的差异。研究意义与背景该项研究为发展新型高性能的重水探针分子提供了崭新的理性设计策略，对光学探针的基础研究也具有非常重要的意义。相关研究成果以《A Facile Strategy for the Construction of Purely Organic Optical Sensors Capable of Distinguishing D2O from H2O》为题，于近期发表在《Angew. Chem. Int. Ed.》2019期刊上。团队介绍&论文直达文章的作者是四川大学化学学院的博士研究生罗艳菊和硕士研究生李川，通讯作者是卢志云教授以及郑徐军博士。全部作者为：Yanju Luo, Chuan Li, Wencheng Zhu, Xujun Zheng, Yan Huang, Zhiyun Lu。点击阅读原文，查看更多导师信息。长按识别二维码阅读英文原文免责说明HORIBA Scientific公众号所发布内容（含图片）来源于文章原创作者提供或互联网转载。文章版权、数据及所述观点归原作者原出处所有，HORIBA Scientific 发布及转载目的在于传递更多信息及用于网络分享，供读者自行参考及评述。如果您认为本文存在侵权之处，请与我们取得联系，我们会及进行处理。HORIBA Scientific 力求数据严谨准确，如有任何失误失实，敬请读者不吝赐教批评指正。我们也热忱欢迎您投稿并发表您的观点和见解。HORIBA科学仪器事业部结合旗下具有近 200 年发展历史的 Jobin Yvon 光学光谱技术，HORIBA Scientific 致力于为科研及工业用户提供先进的检测和分析工具及解决方案。如：光学光谱、分子光谱、元素分析、材料表征及表面分析等先进检测技术。今天HORIBA 的高品质科学仪器已经成为全球科研、各行业研发及质量控制的首选。

“碳-14辐照生产靶件开始出堆！”4月20日13时48分，随着一声令下，碳-14靶件从中核集团旗下中国核电投资控股的秦山核电重水堆机组中成功抽出，这是我国首次利用核电商用堆批量生产碳-14同位素，中国也从此彻底破解了国内碳-14同位素依赖进口的难题，实现碳-14供应全面国产化。碳-14同位素广泛应用于农业、化学、医学、生物学等领域，具有极高的医用价值和科研价值，主要应用包括幽门螺杆菌检测、药代动力学研究、β射线环境监测系统等。此前，我国碳-14供应几乎全部依赖进口，价格昂贵且供应得不到保障，供应紧缺已经严重制约下游产业发展。本次碳-14靶件完成出堆后，经后端处理后将于2024年底开始向市场供货，产量可充分满足国内需求，将有力带动我国同位素应用产业链发展，进一步建立健全产学研合作开展商用堆辐照生产同位素的研发体系，助推和牵引下游医疗企业高新型核药和核医疗产业研发，为国内同位素应用产业发展提供有力支撑。在本次碳-14靶件出堆期间，秦山核电还同步开展了堆顶辐照生产同位素装置的安装和调试工作。装置投入使用后，将具备大规模辐照生产镥-177、钇-90等同位素的能力。与目前生产碳-14主要依靠研究堆生产的方式相比，秦山核电重水堆机组中子通量高、堆内辐照空间大，长期保持高功率稳定运行，可以保证放射性核素的稳定供应和安全生产，既不会影响机组发电能力和安全运行，生产成本也更低。秦山核电充分发挥拥有国内唯一商用重水堆的资源优势、掌握重水堆及同位素技术的人才技术优势、地处长三角经济带核心的区位优势以及地方政府和企业协同发展同位素产业的企地融合优势，联合上海核工院、中核北方等单位开展碳-14同位素自主研发生产。据了解，2021年6月国家八部委联合发布了《医用同位素中长期发展规划（2021-2035年）》，对我国建立稳定自主的医用同位素供应保障体系，加快医用同位素及产业发展提出具体要求。利用商用重水堆辐照生产碳-14是秦山核电同位素生产基地建设的首个医用同位素项目。秦山核电积极履行央企责任担当，积极践行“自主创新、融合发展”的秦山经验，创造性提出“1+1+2+4”发展思路，明确提出建设“同位素生产基地”，联合打造全国最大的同位素生产基地，积极带动同位素应用产业链发展。