新型冠状病毒光学生物传感器 传感器测量空气中的病毒浓度

新型光学传感器未来可以实时测量人流量大的地点(如火车站)的病毒浓度。

瑞士研究人员开发出了一种用于检测新型冠状病毒的新型传感器。将来可借助它测量周边环境中的病毒浓度,例如在人多的地方或医院的通风系统中。

Jing Wang 和他的团队通常在联邦材料科学与技术研究所 EMPA 及苏黎世联邦理工学院 (ETH Zürich) 开展研究工作,以测量、分析和减少诸如气溶胶和人工产生的纳米颗粒等空气污染物。但是,当前全球面临的挑战也正在改变研究实验室的目标和策略。新的焦点:可以快速且可靠地识别特定病毒(例如 SARS-CoV-2 — 新型冠状病毒)的传感器。 

相关背景:迄今为止,大多数实验室在进行新型冠状病毒测试时使用的是一种称为“逆转录聚合酶链反应”(简称 RT-PCR)的分子方法,借此检测呼吸道感染中的病毒。这种方法行之有效并且已经可以检测到极少量的病毒 — 但同时测试通常很耗时。

用于 RNA 样品的光学传感器

Jing Wang 和他的团队开发了一种光学生物传感器形式的替代测试方法。该传感器结合了两种不同的效应来安全可靠地检测病毒:光学和热效应。

该传感器以玻璃基板上的金制微小结构为基础,即所谓的金纳米岛。将与新型冠状病毒的特定 RNA 序列匹配的人工产生的 DNA 序列置于纳米岛上。新型冠状病毒是所谓的 RNA 病毒:它的基因组不像人类、动物和植物那样由 DNA 双链组成,而是由一条 RNA 单链组成。因此,传感器上的人工 DNA 受体是病毒独特 RNA 基因组序列的互补序列,可以清楚地识别出它。

研究人员用于病毒检测的技术被称为 LSPR("localized surface plasmon resonance",局部表面等离振子共振)。这是金属纳米结构出现的一种光学现象:在激发态下,它们在一定波长范围内调制入射光,并在纳米结构周围产生所谓的等离子体近场。当分子停靠在表面上时,此等离激元近场中的光学折射率恰好在此点发生变化。这可以通过位于传感器后部的一个光学传感器进行测量,从而可以确定在样品中是否存在所检测的 RNA 链。

温暖增加可靠性

当然,核心要素是:只有那些相应的 RNA 链才会被传感器上与它们完全匹配的 DNA 受体捕获。第二个效应在此发挥作用:等离子光热效应 (PPT)。如果用一定波长的激光在传感器上激发相同的纳米结构,则会产生热量。

其如何帮助提高可靠性? 

如上所述,病毒的遗传因子仅由单链 RNA 组成。如果这条链找到了互补的对应物,则两者组合成成一条双链 — 这一过程称为杂交。与此相反 — 当双链分裂成单链时 — 称为溶解或变性。这会在一定温度下发生,即溶解温度。但是,如果现在的环境温度远低于溶解温度,则也可能会出现彼此并非 100% 互补的链。这可能会导致错误的检测结果。但是,如果环境温度仅略低于溶解温度,则只能合并成互补链。这正是 PPT 效应导致环境温度升高的结果。

为了表明新型传感器检测当前新型冠状病毒的可靠性,研究人员使用一种非常相近的病毒对其进行了测试:SARS 冠状病毒。正是该病毒引发了 2003 年的 SARS 大流行病。SARS 冠状病毒和新型冠状病毒这两种病毒在其 RNA 上仅稍有不同,因此很难进行明确区分。但是实验获得了成功:Jing Wang 解释道:“我们的测试表明,传感器可以清楚地区分这两种病毒的非常相似的 RNA 序列。”

目前,该传感器尚未准备就绪,例如尚未准备好用于在苏黎世火车总站测量空气中的冠状病毒浓度。对此还需要一些步骤 — 例如吸入空气、在其中浓缩气溶胶并从病毒中分离 RNA 的系统。Wang 说:“这仍然需要开发工作。”但是,一旦最终完成了传感器制造,该原理也可以应用于其他病毒 — 并有助于确保及早发现甚至停止未来的流行病。