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Machine learning powered detection of biological toxins in association with confined lateral flow immunoassay (c-LFA)
Analyst ( IF 3.6 ) Pub Date : 2024-08-05 , DOI: 10.1039/d4an00593g Seoyeon Choi 1, 2 , Seongmin Ha 1 , Chanmi Kim 2 , Cheng Nie 1 , Ju-Hong Jang 3 , Jieun Jang 3, 4 , Do Hyung Kwon 3, 4 , Nam-Kyung Lee 3, 4 , Jangwook Lee 3, 4 , Ju Hwan Jeong 5 , Wonjun Yang 3 , Hyo-Il Jung 1, 2
Analyst ( IF 3.6 ) Pub Date : 2024-08-05 , DOI: 10.1039/d4an00593g Seoyeon Choi 1, 2 , Seongmin Ha 1 , Chanmi Kim 2 , Cheng Nie 1 , Ju-Hong Jang 3 , Jieun Jang 3, 4 , Do Hyung Kwon 3, 4 , Nam-Kyung Lee 3, 4 , Jangwook Lee 3, 4 , Ju Hwan Jeong 5 , Wonjun Yang 3 , Hyo-Il Jung 1, 2
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Biological weapons, primarily dispersed as aerosols, can spread not only to the targeted area but also to adjacent regions following the movement of air driven by wind. Thus, there is a growing demand for toxin analysis because biological weapons are among the most influential and destructive. Specifically, such a technique should be hand-held, rapid, and easy to use because current methods require more time and well-trained personnel. Our study demonstrates the use of a novel lateral flow immunoassay, which has a confined structure like a double barbell in the detection area (so called c-LFA) for toxin detection such as staphylococcal enterotoxin B (SEB), ricinus communis (Ricin), and botulinum neurotoxin type A (BoNT-A). Additionally, we have explored the integration of machine learning (ML), specifically, a toxin chip boosting (TOCBoost) hybrid algorithm for improved sensitivity and specificity. Consequently, the ML powered c-LFA concurrently categorized three biological toxin types with an average accuracy as high as 95.5%. To our knowledge, the sensor proposed in this study is the first attempt to utilize ML for the assessment of toxins. The advent of the c-LFA orchestrated a paradigm shift by furnishing a versatile and robust platform for the rapid, on-site detection of various toxins, including SEB, Ricin, and BoNT-A. Our platform enables accessible and on-site toxin monitoring for non-experts and can potentially be applied to biosecurity.
中文翻译:
机器学习驱动的生物毒素检测与受限侧流免疫分析 (c-LFA) 相关
生物武器主要以气溶胶的形式传播,不仅可以传播到目标区域,还可以随着风驱动的空气运动传播到邻近地区。因此,对毒素分析的需求不断增长,因为生物武器是最具影响力和破坏性的武器之一。具体来说,这种技术应该是手持式的、快速且易于使用的,因为当前的方法需要更多的时间和训练有素的人员。我们的研究展示了使用新型侧流免疫测定法,该测定法在检测区域(所谓的 c-LFA)中具有像双杠铃一样的受限结构,用于毒素检测,例如葡萄球菌肠毒素 B (SEB)、蓖麻毒素 (Ricin)、和 A 型肉毒杆菌神经毒素 (BoNT-A)。此外,我们还探索了机器学习 (ML) 的集成,特别是毒素芯片增强 (TOCBoost) 混合算法,以提高灵敏度和特异性。因此,ML 支持的 c-LFA 同时对三种生物毒素类型进行分类,平均准确度高达 95.5%。据我们所知,本研究中提出的传感器是利用机器学习评估毒素的首次尝试。 c-LFA 的出现带来了范式转变,为快速现场检测各种毒素(包括 SEB、蓖麻毒素和 BoNT-A)提供了多功能且强大的平台。我们的平台可为非专家提供可访问的现场毒素监测,并有可能应用于生物安全。
更新日期:2024-08-05
中文翻译:
机器学习驱动的生物毒素检测与受限侧流免疫分析 (c-LFA) 相关
生物武器主要以气溶胶的形式传播,不仅可以传播到目标区域,还可以随着风驱动的空气运动传播到邻近地区。因此,对毒素分析的需求不断增长,因为生物武器是最具影响力和破坏性的武器之一。具体来说,这种技术应该是手持式的、快速且易于使用的,因为当前的方法需要更多的时间和训练有素的人员。我们的研究展示了使用新型侧流免疫测定法,该测定法在检测区域(所谓的 c-LFA)中具有像双杠铃一样的受限结构,用于毒素检测,例如葡萄球菌肠毒素 B (SEB)、蓖麻毒素 (Ricin)、和 A 型肉毒杆菌神经毒素 (BoNT-A)。此外,我们还探索了机器学习 (ML) 的集成,特别是毒素芯片增强 (TOCBoost) 混合算法,以提高灵敏度和特异性。因此,ML 支持的 c-LFA 同时对三种生物毒素类型进行分类,平均准确度高达 95.5%。据我们所知,本研究中提出的传感器是利用机器学习评估毒素的首次尝试。 c-LFA 的出现带来了范式转变,为快速现场检测各种毒素(包括 SEB、蓖麻毒素和 BoNT-A)提供了多功能且强大的平台。我们的平台可为非专家提供可访问的现场毒素监测,并有可能应用于生物安全。