利用光纤传感器实现微量无标记新冠病毒检测

目前，全球范围内出现的新型冠状病毒（SARS-CoV-2）不同变体和其他与病毒相关的威胁令人担忧，特别是病毒获得的突变增强了其传播力，影响了诊断和疫苗效力。因此，迫切需要开发快速、准确和易于使用的病毒诊断/检测方法。另一方面，当一种新的未知病原体或新的突变出现时，找到合适的受体进行检测是至关重要的，特别是对于无标记传感系统。而理想的无标记传感系统除了需要对与传感器表面结合的材料特性变化具有高敏感性之外，还必须能够通过适当的表面功能化和受体来确保检测的特异性。

然而，获得针对新目标的生物识别元素涉及到一个获得高质量特定材料的多步骤过程。而该过程通常只能获得极少量的产物（低浓度和小体积）。因此，新的检测平台除了需要具备高灵敏度之外，还应高度小型化，以允许利用微量样品进行多次检测。

据麦姆斯咨询报道，近期，来自波兰华沙理工大学（Warsaw University of Technology）等机构的研究人员介绍了一种基于光纤诱导的微腔串联马赫-曾德尔干涉仪（μIMZI）的实时、高度小型化传感方案，可用于SARS-CoV-2之类病毒颗粒检测。该检测方法旨在检测体积小至数百皮升的样品中SARS-CoV-2病毒颗粒的保守区域，其检测限可以达到ng/mL水平。相关研究成果以“Low-volume label-free SARS-CoV-2 detection with the microcavity-based optical fiber sensor”为题发表于Scientific Reports期刊。

如图1所示，这项工作首次利用基于微腔的光纤传感器直接检测SARS-CoV-2病毒颗粒。考虑到病毒的不断进化，该研究应用的生物传感方法是基于抗核衣壳SARS-CoV-2蛋白抗体。N蛋白是病毒核衣壳的主要组成部分，通过与病毒RNA结合决定复制周期。

利用蛋白N作为靶点最重要的依据是，根据临床研究报告，该蛋白在感染早期会大量表达；此外，与翻译后修饰较多的S蛋白相比，N蛋白在Ser176位点只有一个特征较好的o-磷酸化位点，且没有糖基化位点。因此，与受体的结合亲和力不会受到干扰，使N蛋白成为SARS-CoV-2感染早期诊断靶点的理想候选者。

图1 基于微腔的光纤传感器检测SARS-CoV-2之类病毒颗粒示意图

与其他的无标记生物传感装置相比，该研究基于定制化的且可获得量（体积和浓度）小的非商用生物材料【即SARS-CoV-2病毒颗粒、抗N蛋白（特别是SARS-CoV-2的重组N蛋白RNA结合域）抗体】，因此需要微量传感系统。所提出的传感器有助于测量皮升体积的样品，并实现生物分子相互作用的无标记和实时监测。因此，它可以在不超过30分钟的时间内完成一步式检测。此外，通过对传感器表面进行化学官能化优化，可以实现ng/mL范围内的出色灵敏度水平。

研究人员制造的传感器形状和直径如图2A所示。为了在表面化学修饰和生物测定之前对μIMZI传感器进行表征，在微加工过程之后对其RI灵敏度进行了测量。如图2B所示，随着RI的增加，发射功率和最小波长都发生了变化。在图2C中，绘制了最小波长与RI的对应关系。

每个样本对应的点用最小二乘法线性逼近，以确定特定RI区域的灵敏度。结果显示，该工作所提出的μIMZI在较短波长（绿色线表示）和较长波长（蓝色线表示）的RI灵敏度分别达到10000 nm/RIU以上和14000 nm/RIU以上（图2C）。

图2 微腔串联马赫-曾德尔干涉仪（μIMZI）传感器SEM图像及灵敏度表征

随后，为了验证该传感方法的有效性，研究人员将利用µIMZI检测的结果与利用标准化技术（如ELISA）所获得的结果进行了比较。结果显示，µIMZI检测灵敏度水平优于ELISA。此外，灵敏度水平与现有的无试剂侧向流动检测相当，其检测限在ng/mL范围。

然而，需要指出的是，鉴于每个病毒颗粒的蛋白质拷贝数很大（~ 1000），μIMZI传感器已被设计用于检测/靶向核衣壳蛋白。而COVID-19阳性患者的常见病毒载量在每毫升10⁵-10⁷个病毒之间，因此感染期间的N-蛋白水平明显高于传感器的检测限。唾液中的N-蛋白水平在COVID-19感染初期为数十pg/mL，在接下来的几天内甚至可以达到数百ng/mL。

在血液中，N-蛋白浓度比唾液中的小，但差异不大，能够维持在数十至数百pg/mL的水平。因此，可以得出结论，μIMZI甚至可以用于诊断低病毒载量的无症状病例。

图3 微腔串联马赫-曾德尔干涉仪（μIMZI）在实验的每个阶段对用作受体的抗N抗体和不同浓度的SARS-CoV-2之类病毒颗粒的响应

综上所述，该研究报道了第一个用于病毒检测的基于微腔的光纤传感器。该传感技术可以快速、直接、无标记、特异性和高灵敏度地检测所选靶标。该传感器实时检测SARS-CoV-2之类病毒颗粒的最低检测限为ng/mL。需要强调的是，该传感器只需pL级体积样品即可正常工作。

因此，除了检测外，该微腔串联马赫-曾德尔干涉仪（μIMZI）还可以用于研究、分析和验证低浓度/低体积受体与所选靶标之间的相互作用。这些反过来又对基础研究、药物发现和开发新的传感平台至关重要，尤其是在疫情爆发，并出现了如SARS-CoV-2等新病原体的时候。

审核编辑：刘清

传感器光纤系统微量

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