新型光学生物传感器可以检测空气中的新冠病毒
2020-04-25 09:38:32   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

据麦姆斯咨询报道，来自瑞士联邦材料科学与技术实验室（Empa）与苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）的Jing Wang及其团队一直致力于研究如何测量、分析和减少空气中的污染物，例如气溶胶和人工产生的纳米颗粒。不过，全世界当前面临的挑战改变了他们的目标和策略。该团队将最新的研究重点放在开发一款能够快速、可靠地检测出新型冠状病毒（SARS-CoV-2）的传感器。

该设想与研究团队此前的研究工作也有一定的相似之处。在新冠肺炎（COVID-19）开始在中国传播然后扩散到世界各地之前，Wang和他的同事们就已经在研究可以检测空气中的细菌和病毒的传感器了。早在1月份，研究团队就萌生了借此基础进一步开发传感器的想法，它可以可靠地识别出特定病毒。该传感器不一定会取代已有的实验室测试，但可以用作临床诊断的替代方法，更重要的是可以实时测量空气中的病毒浓度，例如火车站、医院等人流密集场所。

全球急需能够对新型冠状病毒进行快速且可靠测试的装置，以尽快控制新冠肺炎大流行。大多数实验室使用被称为逆转录-聚合酶链反应（reverse transcription polymerase chain reaction, RT-PCR）的分子诊断方法来检测呼吸道感染中的病毒。这是一种发展成熟的方法，甚至可以检测到极少量的病毒，但是同时也很耗时且容易出错。

用于RNA样品的光学传感器

Wang和他的团队开发了一款光学生物传感器以替代现有测试方法。该传感器结合了两种不同的效应以安全可靠地检测病毒：光学效应和热效应。

该传感器基于在玻璃基质上制备的被称为“金纳米岛”的金纳米结构。人工合成的与新冠病毒RNA序列相匹配的DNA受体“嫁接”到上述金纳米结构上。冠状病毒是一种所谓的RNA病毒，它的基因组不像生物体那样由双链DNA组成，而是由单链RNA组成。因此，传感器上的受体是病毒独特RNA序列的互补序列，可以可靠地识别病毒。

研究人员用于检测的技术称为局部表面等离子体共振（localized surface plasmon resonance, LSPR）。这是一种在金纳米结构中发生的光学现象。当被激发时，它们在特定波长范围内调制入射光，并在纳米结构周围产生等离子体近场。当分子与表面结合时，激发等离子体近场的局部折射率发生变化。位于传感器背面的光学传感器可用于测量上述变化，从而确定样品是否包含带有病毒的RNA链。

热量增加了可靠性

然而，重要的是只有那些RNA链与被捕获传感器上的DNA受体完全匹配。这时，第二种等离子体光热（plasmonic photothermal, PPT）效应就开始起作用。如果传感器上的同一纳米结构被某一波长的激光激发，就会产生局部热量。

热量如何帮助提高可靠性？病毒基因组仅由单链RNA组成。如果这条RNA链找到了互补的对应链，则两者会结合形成双链，该过程称为杂交。当双链分裂成单链时，对应称为溶解（解链）或变性。这在溶解温度下发生。但是，如果环境温度远低于溶解温度，则彼此不互补的链也可以连接。这将导致错误的测试结果。如果环境温度仅略低于溶解温度，则只能连接互补链。这正是PPT效应导致的环境温度升高所产生的结果。

为了证明新传感器检测当前新冠肺炎病毒的可靠性，研究人员用一种非常相似的病毒SARS-CoV对其进行了测试。这是爆发于2003年并引起SARS大流行的病毒。这两种病毒：SARS-CoV和SARS-CoV2的RNA差别很小。

验证已经取得成功，Wang补充道，“测试表明，传感器可以清楚区分两种病毒非常相似的RNA序列。”并且在几分钟内即可获得结果。

然而，目前该传感器尚无法用于测量空气中（如苏黎世的主要火车站）冠状病毒的浓度。许多开发步骤仍在进行中，例如一个能够吸入空气，在其中浓缩气溶胶并从病毒中释放出RNA的系统。

Wang表示，“该研究成果还有待进一步开发。”但是，一旦传感器准备就绪，该原理就可以应用于其它病毒，并有助于在早期阶段发现和阻止流行病。

论文链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.0c02439

延伸阅读：

《新冠肺炎（COVID-19）诊断技术、厂商及趋势-2020版》

《分子诊断技术与市场趋势-2020版》