仿生三相分层界面技术实现呼出气体中呼吸病毒的超高效率富集与检测

《ACS Sensors》：Biomimetic Tri-Phase Hierarchical Interface Enables Ultra-Efficient Enrichment and Sensing of Respiratory Viruses in Exhaled Breath

　　

摘要

通过分析呼出气体中的冷凝物（EBC）来检测呼吸道病原体，这一方法的主要限制在于目标分析物被极度稀释，导致在即时检测平台上的灵敏度不足。在这里，我们提出了一种颠覆性的解决方案，该方案灵感来源于人类呼吸系统的有效多阶段捕获机制。我们设计了一种三层分级的界面，能够协同实现病毒的富集和检测：(1) 微米级柱状阵列模仿支气管分支，引导气流并通过惯性碰撞增加粒子与表面的接触；(2) TiO₂纳米线网络模拟黏液层，为分析物提供高表面积的捕获支架；(3) 功能化聚合物涂层用于特定的抗体-抗原识别。这种受生物启发的架构通过计算流体动力学进行了优化，并采用晶圆级MEMS工艺制造，使得冷凝物的收集量增加了3.6倍，捕获点的密度提高了500%。当将其集成到便携式荧光检测系统中时，该平台表现出高特异性（>95%），并且在测试的模拟呼吸流程下能够检测到低至3 TU/mL的SARS-CoV-2假病毒。关键的是，利用Hill模型分析的结合动力学进一步证明了这种分级界面具有类似饱和的异质性捕获行为。这项工作不仅提供了一种强大的无创诊断工具，还为针对超稀释生物标志物的下一代生物传感器建立了一个可推广的仿生设计范例。