基于非線性介電光譜（NLDS）的新型診斷方法

由新型冠狀病毒（SARS-CoV-2）引發(fā)的新冠肺炎已困擾全球人民兩年多。據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，阿米卡比爾理工大學(xué)（Amirkabir University of Technology）聯(lián)合德黑蘭大學(xué)（University of Tehran）提出一種基于非線性介電光譜（NLDS）的新型診斷方法，用于檢測(cè)拭子樣本的SARS-CoV-2。研究人員將已知電流注入病毒樣本懸浮液，在記錄信號(hào)功率譜中檢測(cè)到的三次諧波作為生物標(biāo)記物。根據(jù)諧波建立的計(jì)算模型支持離子通道（E蛋白）的假設(shè)，即病毒包膜上存在非線性電流-電壓特性的離子通道是諧波產(chǎn)生的可能來源。研究人員開發(fā)的新系統(tǒng)能夠區(qū)分陽(yáng)性和陰性樣本，陽(yáng)性樣本中的三次諧波比高5~10 dBc（相對(duì)于載波的分貝），與計(jì)算估計(jì)一致。實(shí)驗(yàn)的早期結(jié)果表明，這種方法可以檢測(cè)溶液中的病毒。這是首次使用諧波特征檢測(cè)拭子樣本中的SARS-CoV-2。

首先，研究人員利用膜表面離子流非線性流動(dòng)的數(shù)學(xué)模型，從理論上估算了從病毒溶液中獲得的功率譜。其次，實(shí)驗(yàn)測(cè)量了含病毒的病毒轉(zhuǎn)運(yùn)介質(zhì)（VTM）溶液的功率譜。最后，他們將理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，以檢測(cè)溶液中是否存有SARS-CoV-2。

病毒探測(cè)器NLDS生物傳感器的幾個(gè)工作階段

研究人員使用從磷脂酰膽堿脂納米盤中研究SARS-CoV-2 3A蛋白獲得的電流-電壓圖，基于從蛋白脂質(zhì)體水皰中提取的切除斑塊上記錄的電流，來建立非線性通道響應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。同時(shí)他們利用膜體的數(shù)學(xué)模型，通過容積導(dǎo)體理論計(jì)算病毒膜上的電壓。

3A離子通道的電流-電壓圖

利用容積導(dǎo)體理論模擬的病毒溶液示意圖

常規(guī)介電光譜技術(shù)使用兩個(gè)、三個(gè)或四個(gè)電極系統(tǒng)來刺激和記錄信號(hào)。研究人員在一個(gè)特別設(shè)計(jì)的總?cè)莘e約為2ml的室內(nèi)使用四電極系統(tǒng)來刺激并記錄非線性信號(hào)，如下圖所示。電極由無涂層的金（gold）制成（詳細(xì)圖如下c）。較大的電極和外部電極用于驅(qū)動(dòng)，即電流注入電極，較小的電極和內(nèi)部電極用于記錄電壓。

NLDS生物傳感器：（a）電子導(dǎo)出電路；（b）測(cè)量裝置；（c）生物傳感器配置圖，中灰色表示電極和不同大小的元件，記錄室以毫米為單位顯示

研究人員利用膜離子電流的數(shù)學(xué)模型，對(duì)兩個(gè)電極板之間存在病毒的模擬結(jié)果如下圖所示。除基頻外，奇次諧波也出現(xiàn)在模擬電壓的功率譜中。研究人員的目標(biāo)是找到這些諧波，并評(píng)估其振幅與主諧波的比率。下圖b顯示了不同頻率和不同激勵(lì)振幅下，三次諧波與主諧波（即基頻激勵(lì)頻率）的比率。此外，他們還對(duì)280毫摩爾NaCl的已知生理鹽水溶液進(jìn)行了測(cè)量，該溶液表示系統(tǒng)總的殘余諧波水平，該水平足夠低，可用于病毒樣本的后續(xù)測(cè)量（下圖c）。

有病毒和無病毒鹽水溶液樣品的模擬功率譜和諧波

三次諧波與主諧波振幅的比值取決于電場(chǎng)刺激的頻率和振幅。在較高的頻率和振幅下，存在更強(qiáng)烈的三次諧波。

在本項(xiàng)研究中，新冠肺炎患者樣品溶液經(jīng)電激發(fā)引起記錄功率譜的三次諧波模式的變化，可作為病毒檢測(cè)的新型潛在生物標(biāo)志物。研究結(jié)果表明，陽(yáng)性和陰性樣本的三次諧波幅值與一次諧波幅值之比存在顯著差異。這種差異極可能被用作診斷工具，很有發(fā)展前景。研究人員通過單獨(dú)使用該生物標(biāo)志物或與其它方法（如電化學(xué)方法或通過電極表面功能化進(jìn)行病毒特異性結(jié)合）結(jié)合，可以便捷有效地改進(jìn)SARS-CoV-2的檢測(cè)。

研究人員堅(jiān)信，通過仔細(xì)選擇最佳頻率和電壓范圍可檢測(cè)患者樣本中是否存有病毒（無論其基因含量如何），他們提出的NLDS技術(shù)可以為設(shè)計(jì)SARS-CoV-2診斷試劑盒開辟新的途徑。雖然該項(xiàng)研究介紹的裝置還需要進(jìn)一步開發(fā)，才能作為獨(dú)立的診斷試劑盒使用，他們希望此次實(shí)驗(yàn)結(jié)果將在不久的將來成為高精度檢測(cè)所有病原微生物（包括不同種類的病毒劑）的基礎(chǔ)。