圣路易斯华盛顿大学的研究人员研发出全球首款可检测H5N1禽流感病毒的电容式生物传感器。
据麦姆斯咨询报道，近期，圣路易斯华盛顿大学（Washington University in St. Louis，WUSTL）的研究人员开发出了一种能够检测空气中H5N1禽流感病毒的电容式生物传感器。该生物传感器可用于大规模的农业生产场景中，以监测病原体的爆发情况。
随着高致病性H5N1禽流感病毒在美国的持续蔓延，奶牛场和家禽养殖场受到了严重威胁，农民和公共卫生专家迫切需要更有效的方法来实时监测感染状况，以便及时采取应对措施，减轻疫情影响。如今，圣路易斯华盛顿大学的研究成果为解决这一难题带来了曙光，相关论文以“Capacitive Biosensor for Rapid Detection of Avian (H5N1) Influenza and E. coli in Aerosols”为题发表在ACS Sensors关于“呼吸传感”的特刊上，依据这项研究工作，病毒追踪者们有了监测H5N1气溶胶颗粒的新途径。
用于病原体气溶胶监测的电容式生物传感器平台示意图
为了制造出“禽流感”电容式生物传感器，路易斯华盛顿大学麦凯维工程学院（WashU’s McKelvey School of Engineering）能源、环境与化学工程教授Rajan Chakrabarty实验室的研究人员，利用电化学电容式生物传感器技术，提高了对病毒和细菌的检测速度与灵敏度。
电容式生物传感器在检测H5N1和大肠杆菌方面的性能
他们开展这项工作的时机十分关键，因为在过去一年里，禽流感病毒发生了危险变异——开始通过空气传播的颗粒传染给包括人类在内的哺乳动物。已有证据证明，该病毒对猫具有致命性，并且已经出现了至少一例人类因感染H5N1病毒而死亡的病例。
Rajan Chakrabarty在谈及用于检测空气中病毒和细菌颗粒的技术时表示：“该电容式生物传感器在同类产品中属全球首创。”此前，科学家们只能使用聚合酶链式反应（PCR）这类速度较慢的DNA检测工具。
电容式生物传感器的特性
Rajan Chakrabarty指出，传统的检测方法可能需要十多个小时，“对于阻止疫情爆发而言，这个时间太长了”。而新型电容式生物传感器仅需5分钟即可完成检测工作，还能留存生物样本以便后续深入分析，同时还能给出在农场环境中检测到的病原体的浓度范围。Rajan Chakrabarty表示，这使得人们能够立即采取行动应对疫情。
在预防病毒爆发的过程中，时间至关重要。当实验室启动这项研究时，H5N1病毒仅能通过接触受感染的禽类传播。Rajan Chakrabarty补充道：“随着这篇论文的推进，病毒也在不断演变，发生了变异。”
美国通过美国农业部动植物卫生检验局（APHIS）对动物健康状况以及农场中的病原体爆发情况进行追踪监测。美国农业部动植物卫生检验局最近报告显示，在过去30天内，四个州至少新增了35例奶牛感染H5N1病毒的病例，其中大部分集中在加利福尼亚州。Rajan Chakrabarty说：“这次的病毒毒株与以往有很大不同。”
论文作者们站在他们开发的集成式病原体采样-传感装置旁边
如果农民怀疑动物染病，可以将其送往州农业部的实验室进行检测。然而，这一检测过程较为缓慢，而且由于H5N1病毒在禽类和奶牛养殖场中广泛传播，这样会导致病例积压，进一步延误了检测时间。目前的疫情缓解措施包括生物安全措施，例如隔离动物、对养殖设施和设备进行消毒，以及采取防护性管控措施（例如大规模扑杀）来限制动物的接触。美国农业部最近还发放了一种禽流感疫苗的有条件许可证，这有望为急切希望降低鸡蛋价格的家禽养殖户提供更多帮助。
Rajan Chakrabarty已经准备好将该电容式生物传感器推向全球，并表示该传感器设计具有便于携带、成本低廉的特点，适合大规模生产。
工作原理
该集成式病原体采样-传感装置大小与台式打印机相近，可以安装在农场鸡舍或牛舍的排气口位置。该装置堪称跨学科工程的杰作，其核心部件“湿式气旋生物气溶胶采样器”最初是为采集新冠病毒（SARS-CoV-2）气溶胶而研发的。
携带病原体的空气以非常高的速度进入采样器，与采样器内壁的液体混合，形成表面涡流，从而捕获病毒气溶胶。该装置配备有自动泵送系统，将采集到的液体每5分钟输送至电容式生物传感器一次，实现对病毒的无缝检测。
Rajan Chakrabarty实验室的资深科研人员Meng Xu和研究生Joshin Kumar承担了优化电化学电容式生物传感器表面的艰巨任务，以提高其对痕量病毒（每立方米空气中病毒RNA拷贝数少于100个）的检测灵敏度和稳定性。
该电容式生物传感器采用名为适配体的“捕获探针”，这些适配体是单链DNA，能够与病毒蛋白结合，从而标记出病毒。该研究团队面临的一个重大挑战是找到一种方法，让这些适配体与2毫米厚的裸碳电极表面配合以检测病原体。
经过数月的反复实验，研究团队找到了有效的方法，即利用氧化石墨烯和普鲁士蓝纳米晶体的组合来修饰碳表面，以提高电容式生物传感器的灵敏度和稳定性。最后一步是通过交联剂戊二醛将修饰过的电极表面与适配体连接起来，Meng Xu和Kumar称这是对裸露碳电极表面进行功能化处理以检测H5N1病毒的“秘诀”。
他们还指出，该团队检测技术的一大优势在于其非破坏性。在检测出病毒后，样本可留存下来，以便通过聚合酶链式反应等传统技术进行后续分析。
这种集成式病原体采样-传感装置可以自动运行，操作人员无需具备生物化学方面的专业知识即可使用。它由价格低廉且易于大规模生产的材料制成。该电容式生物传感器能够给出空气中H5N1病毒的浓度范围，并实时向操作人员预警疾病爆发情况。Meng Xu表示，了解病毒浓度水平可以作为衡量设施内“风险程度”的总体指标，让操作人员知晓病原体的平衡是否已经达到危险状态。
能够给出病毒浓度范围的功能是电容式生物传感器技术的又一项“首创”。最重要的是，该技术有望进一步拓展——在一台装置中检测多种其它危险病原体。
Rajan Chakrabarty表示：“该电容式生物传感器专为检测H5N1病毒而设计，但经过调整，也可用于检测其它流感病毒毒株（如H1N1）、新冠病毒以及气溶胶中的细菌（大肠杆菌和假单胞菌）。我们已展示了这种电容式生物传感器的这些功能，并在论文中报告了相关研究结果。”
目前，该研究团队正致力于将这种电容式生物传感器商业化。圣路易斯一家生物技术公司——Varro Life Sciences在电容式生物传感器设计阶段就与该研究团队进行了咨询合作，为其未来商业化提供便利。
论文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acssensors.4c03087
延伸阅读：
《传感器技术及市场-2024版》
《即时诊断应用的生物传感器技术及市场-2022版》
