基于微尺度表面离子传导的无标记、非光学传感技术检测人唾液中的完整SARS-CoV-2病毒颗粒

《Biosensors and Bioelectronics》：Label-free, non-optical detection of intact SARS-CoV-2 virions in native human saliva via microscale surface ion conduction

本文报道了一种基于微尺度表面离子传导（SIC）的传感器，首次实现了无需样本前处理、直接在天然人唾液中无标记、非光学地检测完整SARS-CoV-2病毒颗粒。该传感器利用病毒颗粒与修饰有探针的微珠结合，通过调控表面离子传导产生浓度依赖性的电流偏移。其在临床相关浓度范围内实现了8.5×106copies/mL的检测限，并在1小时内获得结果，展现出对高离子强度生物流体的良好兼容性、对SARS-CoV-2的高选择性以及对患者临床样本的验证能力。此项工作为面向新兴传染病的即时检验（POC）抗原诊断提供了一个简单、可适配且兼容性强的新平台。

　　

亮点

无标记、非光学检测病毒颗粒。图1展示了SIC传感器的设计和工作机制，并仔细描绘了在填充珠床表面发生的结合事件和离子传导过程。该装置由一个直通道构成，通道中间被两个填充的珠床分隔：第一个（深灰色珠子）是装置的捕获区，与链霉亲和素微球偶联的生物识别元件在此特异性地与目标病毒颗粒相互作用；第二个（浅灰色珠子）则作为内部参考区，用于比较和校准。在捕获床表面，病毒结合事件会改变表面电荷分布，从而调节沿珠床表面流动的离子的传导，产生可测量的电流偏移。这种变化是特异性的，即使在复杂的生物基质（如唾液）中也能检测到。该传感机制无需光学标记或复杂的信号放大步骤，简化了检测流程，使其非常适合现场应用。

结果与讨论

病毒的无标记、非光学检测。SIC传感器利用填充了生物功能化微珠的床层来捕捉目标分析物。当目标病毒颗粒与固定在微珠表面的特异性探针（如抗体）结合时，会改变局部的表面电荷密度。这种变化会影响离子在微珠表面（即界面双电层区域）的传导效率，而非主体溶液（体相）的传导。其核心原理是，在微米级珠床中，表面离子传导是电荷传输的主导路径。因此，即使在高离子强度的生物流体（如唾液）中，病毒的结合也能有效地调节表面离子流，从而产生可检测的电流信号变化。该传感器实现了对化学灭活SARS-CoV-2病毒颗粒8.5 × 10⁶copies/mL的检测限，并能在1小时内完成检测。值得注意的是，来自患者唾液中的活性病毒产生的信号显著大于灭活病毒，这与病毒灭活导致的抗原结合变化一致。传感器在非靶标人类冠状病毒（229E和OC43）存在下，对SARS-CoV-2表现出高选择性，干扰低于10%。这项研究首次在未处理的临床唾液样本中成功验证了SIC传感器的直接检测能力。

结论

在本研究中，我们评估了SIC传感器检测天然人唾液中完整SARS-CoV-2病毒颗粒（包括活性和灭活形式）的能力，并开发了一种快速检测方案。具体而言，我们发现，纳米级病毒颗粒的特异性结合足以改变微米尺度下的表面离子传导，即使在高离子强度的生物流体中，也能观察到电流的增加或偏移。通过对一系列干扰物进行选择性测试，我们证实了该传感器对SARS-CoV-2的特异性，并在临床患者样本中验证了其检测能力。该平台的简易性、适应性与即时检验实施的兼容性，为应对新发传染病的抗原诊断提供了一个有前途的通用框架。