非线性介电光谱生物传感器，用于新冠病毒检测
2022-10-22 14:21:01   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

由新型冠状病毒（SARS-CoV-2）引发的新冠肺炎已困扰全球人民两年多。据麦姆斯咨询报道，近日，阿米卡比尔理工大学（Amirkabir University of Technology）联合德黑兰大学（University of Tehran）提出一种基于非线性介电光谱（NLDS）的新型诊断方法，用于检测拭子样本的SARS-CoV-2。研究人员将已知电流注入病毒样本悬浮液，在记录信号功率谱中检测到的三次谐波作为生物标记物。根据谐波建立的计算模型支持离子通道（E蛋白）的假设，即病毒包膜上存在非线性电流-电压特性的离子通道是谐波产生的可能来源。研究人员开发的新系统能够区分阳性和阴性样本，阳性样本中的三次谐波比高5~10 dBc（相对于载波的分贝），与计算估计一致。实验的早期结果表明，这种方法可以检测溶液中的病毒。这是首次使用谐波特征检测拭子样本中的SARS-CoV-2。

首先，研究人员利用膜表面离子流非线性流动的数学模型，从理论上估算了从病毒溶液中获得的功率谱。其次，实验测量了含病毒的病毒转运介质（VTM）溶液的功率谱。最后，他们将理论和实验结果进行比较，以检测溶液中是否存有SARS-CoV-2。

病毒探测器NLDS生物传感器的几个工作阶段

研究人员使用从磷脂酰胆碱脂纳米盘中研究SARS-CoV-2 3A蛋白获得的电流-电压图，基于从蛋白脂质体水疱中提取的切除斑块上记录的电流，来建立非线性通道响应的数学模型。同时他们利用膜体的数学模型，通过容积导体理论计算病毒膜上的电压。

3A离子通道的电流-电压图

利用容积导体理论模拟的病毒溶液示意图

常规介电光谱技术使用两个、三个或四个电极系统来刺激和记录信号。研究人员在一个特别设计的总容积约为2ml的室内使用四电极系统来刺激并记录非线性信号，如下图所示。电极由无涂层的金（gold）制成（详细图如下c）。较大的电极和外部电极用于驱动，即电流注入电极，较小的电极和内部电极用于记录电压。

NLDS生物传感器：（a）电子导出电路；（b）测量装置；（c）生物传感器配置图，中灰色表示电极和不同大小的元件，记录室以毫米为单位显示

研究人员利用膜离子电流的数学模型，对两个电极板之间存在病毒的模拟结果如下图所示。除基频外，奇次谐波也出现在模拟电压的功率谱中。研究人员的目标是找到这些谐波，并评估其振幅与主谐波的比率。下图b显示了不同频率和不同激励振幅下，三次谐波与主谐波（即基频激励频率）的比率。此外，他们还对280毫摩尔NaCl的已知生理盐水溶液进行了测量，该溶液表示系统总的残余谐波水平，该水平足够低，可用于病毒样本的后续测量（下图c）。

有病毒和无病毒盐水溶液样品的模拟功率谱和谐波

三次谐波与主谐波振幅的比值取决于电场刺激的频率和振幅。在较高的频率和振幅下，存在更强烈的三次谐波。

在本项研究中，新冠肺炎患者样品溶液经电激发引起记录功率谱的三次谐波模式的变化，可作为病毒检测的新型潜在生物标志物。研究结果表明，阳性和阴性样本的三次谐波幅值与一次谐波幅值之比存在显著差异。这种差异极可能被用作诊断工具，很有发展前景。研究人员通过单独使用该生物标志物或与其它方法（如电化学方法或通过电极表面功能化进行病毒特异性结合）结合，可以便捷有效地改进SARS-CoV-2的检测。

研究人员坚信，通过仔细选择最佳频率和电压范围可检测患者样本中是否存有病毒（无论其基因含量如何），他们提出的NLDS技术可以为设计SARS-CoV-2诊断试剂盒开辟新的途径。虽然该项研究介绍的装置还需要进一步开发，才能作为独立的诊断试剂盒使用，他们希望此次实验结果将在不久的将来成为高精度检测所有病原微生物（包括不同种类的病毒剂）的基础。

该项研究得到了伊朗国家科学基金会（INSF）计算电磁学和生物电磁学主席的资助，资助号为940014。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41598-022-20961-7

延伸阅读：

《即时诊断应用的生物传感器技术及市场-2022版》

《新冠肺炎（COVID-19）诊断技术、厂商及趋势-2020版》