无燃料的Rolosense：利用扩散粒子追踪技术实现病毒检测

《ACS Sensors》：Fuel-Free Rolosense: Viral Sensing Using Diffusional Particle Tracking

无荧光标记的机械力传感病毒检测方法FF-Rolosense通过微颗粒布朗运动变化实现实时、灵敏的病毒监测，适用于SARS-CoV-2、RSV及流感病毒等病原体的检测，并与3D打印便携显微镜Roloscope结合实现家庭和现场应用。

　　病毒检测技术在公共卫生领域具有重要的意义，尤其是在应对新兴和反复出现的病毒时，其灵敏度、特异性以及便携性成为了关键指标。传统的病毒检测方法，如聚合酶链式反应（PCR）和侧向流动试纸（LFAs），虽然在临床和家庭检测中占据主导地位，但它们也存在一些固有的局限性。例如，PCR虽然具有极高的灵敏度，但需要专门的设备和复杂的操作流程，且涉及热循环过程，这在资源有限的环境中并不总是可行。相比之下，LFAs虽然操作简便，但通常检测灵敏度较低，难以区分密切相关的病毒目标。此外，这些方法通常依赖于终点测量，即静态地捕捉分子结合事件，这限制了对持续分子相互作用和低亲和力相互作用的监测，特别是在感染早期，此时病毒浓度较低，检测难度较大。

为了解决这些限制，研究人员开发了一种新的病毒检测方法，称为Fuel-Free Rolosense（FF-Rolosense）。这种方法基于机械力传感，利用了DNA适配体修饰的微粒在DNA修饰表面的布朗运动来检测病毒。微粒既作为传感元件，也作为信号转换元件，当病毒存在时，其多价桥接作用会限制微粒的运动，从而形成明显的信号变化。这种方法摒弃了传统方法中所需的燃料链、酶和冷链存储，仅依赖于扩散行为来报告分子相互作用，从而实现了快速、敏感且特异的检测。同时，FF-Rolosense还能够与非侵入性样本如呼出气体冷凝物（EBC）兼容，这使得它特别适合于频繁和家庭使用。

FF-Rolosense的核心优势在于其动态传感机制。连续的微粒运动使得环境中的分子相互作用可以被实时监测，极大地提高了检测的可能性，即使在低病毒浓度下也能有效识别。这种方法不仅提高了灵敏度，还消除了洗脱步骤和信号放大过程，从而简化了检测流程。此外，由于FF-Rolosense利用的是微粒的自然运动，它不需要任何化学或酶促的标记，这使得整个检测过程更加直观和易于操作。

为了进一步验证FF-Rolosense的检测性能，研究人员对多种临床相关的呼吸道病毒进行了测试，包括SARS-CoV-2的不同变种（如BA.1、BA.5、XBB.1.5）以及呼吸道合胞病毒A（RSV A）。结果显示，该平台在10^3 copies/mL的检测极限下能够有效识别这些病毒，并且显示出高度的特异性，能够区分这些目标病毒与非特异性病毒，如流感A病毒和普通的人类冠状病毒OC43和229E。这种高特异性归功于DNA适配体的高选择性，使得FF-Rolosense能够避免非特异性病毒的干扰，从而提高检测的准确性。

FF-Rolosense的另一个重要特点是其模块化和可编程性。由于适配体可以轻松更换和修改，因此该平台能够实现多重检测。例如，研究人员将适配体更换为针对流感A病毒的版本，并在EBC中成功检测到了该病毒，证明了FF-Rolosense在不同病毒检测中的灵活性。此外，该平台与低成本、便携的3D打印亮场显微镜（Roloscope）兼容，使得其可以在资源有限的环境中进行部署和使用。Roloscope的开发进一步简化了检测流程，无需复杂的光学设备或高成本的仪器，从而实现了快速、便捷的现场检测。

为了更好地理解FF-Rolosense的动态检测机制，研究人员使用了DeepSPT，一种基于深度学习的单粒子追踪框架。DeepSPT能够对微粒的运动状态进行分类，并提取40个特征来分析其扩散行为。通过这种方式，DeepSPT能够区分病毒暴露和非暴露的轨迹，并准确识别出病毒引起的运动抑制现象。例如，在SARS-CoV-2 BA.1浓度增加的情况下，微粒的运动抑制程度也随之增加，这表明FF-Rolosense能够通过分析微粒的运动模式来量化病毒的存在。同时，该框架还能够捕捉到微粒在不同时间点的运动状态变化，从而提供更详细的动态信息。

除了检测性能的提升，FF-Rolosense还展现了良好的可重复性和稳定性。在不同的实验条件下，研究人员通过多次重复实验验证了其检测结果的一致性。此外，该方法能够在室温下运行，避免了传统方法中对低温储存和运输的依赖，提高了其在实际应用中的可行性。对于EBC这样的样本，其低离子强度特性有助于维持微粒与芯片之间的静电排斥，从而减少非特异性结合，提高检测的准确性。

尽管FF-Rolosense在检测性能和实用性方面表现出色，但它也面临一些挑战。首先，由于微粒的制造和功能化存在固有的异质性，检测结果需要对数百到数千个微粒进行统计分析。其次，病毒的进化可能会对适配体的特异性产生影响，特别是对于表面暴露的抗原，其突变可能导致适配体的识别能力下降。此外，虽然适配体可以通过SELEX技术生成，但并非所有病毒都有现成的高亲和力适配体，这可能会限制该平台在某些病毒检测中的应用。环境因素，如样本缓冲液的离子强度，也可能影响检测性能。例如，高盐浓度可能促进非特异性结合，从而影响结果的准确性。此外，较大的微粒（>6 μm）可能更容易受到重力沉降的影响，而较小的微粒（<1 μm）则可能难以通过现有的光学设备进行可视化。

综上所述，FF-Rolosense代表了一种全新的病毒检测方法，它通过机械力传感机制，结合布朗运动和病毒引起的运动抑制，实现了快速、敏感且便携的检测。这种方法不仅克服了传统检测方法的局限性，还为未来的非侵入性、高频率的病毒监测提供了新的思路。通过使用Roloscope这样的便携设备，FF-Rolosense有望在临床和家庭环境中得到广泛应用，为公共卫生和疾病防控提供强有力的支持。未来的研究可以进一步优化适配体的特异性，提高检测的准确性，并探索该平台在更多病毒检测中的应用潜力。