傳染性呼吸道病毒的季節(jié)性爆發(fā)，會給公共衛(wèi)生保健帶來沉重負擔。因此，開發(fā)快速、準確、低成本的工具來診斷是否感染傳染性呼吸道病毒，一直是疫情防控的優(yōu)先事項之一。而水凝膠作為一種制作簡單、成本低廉的材料，在該領域具有很大的應用前景。

為了實現對病毒氣溶膠快速、靈敏的免疫傳感，浙江大學劉清君教授團隊創(chuàng)造性地開發(fā)了一種免疫應答水凝膠調制諧振（ImmHR）傳感器。該傳感器所用的免疫應答水凝膠，主體為聚丙烯酰胺（AAm）網絡和抗體修飾的金納米顆粒（AuNPs-Ab）。研究人員以SARS-CoV-2、甲型H1N1流感和RSV三種病毒為例，驗證了該器件的高靈敏度和準確性，為傳染性呼吸系統疾病的生物傳感和診斷提供了一個簡單、準確和通用的平臺。相關研究成果近期以“Rapid and on-site wireless immunoassay of respiratory virus aerosols via hydrogel-modulated resonators”為題，發(fā)表在Nature Communications期刊上。

無線免疫分析技術的結構和機理

團隊研發(fā)的無線免疫分析平臺由ImmHR傳感器和射頻讀出線圈組成。為了檢測來自呼吸道的各種樣本（唾液、氣溶膠等），傳感器將免疫應答水凝膠和一對射頻諧振器耦合在一起，形成在免疫反應時可調諧的諧振結構，將目標抗原的刺激反應轉化為諧振頻率的變化。此外，競爭性抗原結合進一步導致AuNPs聚集，使得藍色水凝膠逐漸褪色，從而適配于比色測定。

圖1 用于病毒氣溶膠檢測的無線免疫分析

水凝膠形成及成分優(yōu)化

團隊以SARS-CoV-2核衣殼蛋白（NP）和相應抗體為模型抗原和抗體制備免疫應答水凝膠。由于免疫交聯的破壞，病毒抗原和AuNPs-Ab之間進一步的競爭性免疫結合引發(fā)了強烈的水凝膠膨脹。另外，水凝膠對病毒抗原的比色測定，在5~10分鐘內就可以測量到明顯的顏色信號。同時，團隊使用醫(yī)用級霧化器產生<5 μm氣溶膠顆粒，模擬類似于人類自然呼吸產生的氣溶膠顆粒，并根據測試結果擬合溶液和氣溶膠兩種環(huán)境的傳感曲線。

圖2 免疫應答水凝膠的形成和優(yōu)化后的免疫應答

ImmHR傳感器無線氣溶膠探測

由于水凝膠介電層的厚度可對諧振頻率偏移（ΔFres）進行調制，研究進一步通過中介線圈（IR）來實現傳感器與讀出線圈之間的耦合，從而降低讀出線圈相對位移對結果的影響。通過擬合傳感器對梯度濃度的病毒抗原蛋白氣溶膠的響應，計算得到的傳感器檢測限低fg/L乃至亞fg/L，從而實現了超靈敏的病毒氣溶膠檢測。此外，ImmHR傳感器還能兼容溫度響應水凝膠構建物理傳感器，從而對呼出氣溫度等參數進行檢測。

圖3 基于ImmHR傳感器的氣溶膠檢測

可穿戴集成和多路讀出

ImmHR傳感器具有檢測速度快、靈敏度高、完全無線和無電池配置等優(yōu)點。因此，微型化和輕量化的ImmHR傳感器陣列可以固定在并聯的中介線圈上，并粘附在口罩表面，用于可穿戴式氣溶膠檢測。這種可穿戴傳感器的配置與共享探測器（連接到矢量網絡分析儀的讀取線圈）無線耦合，可廣泛用于現場免疫診斷，例如在進入工作場所的大門等位置進行社區(qū)感染監(jiān)測。

圖4 中介線圈介導的多路復用傳感器讀數

通過無線免疫分析法進行臨床樣品檢測

為了評估基于ImmHR的無線免疫測定技術用于臨床樣本檢測的可行性，團隊收集了40名患者和20名健康志愿者的鼻咽拭子和唾液樣本。統計結果進一步證明傳感器對H1N1陽性樣本與陰性樣本產生的信號具有顯著差異，證明了該方法診斷病毒感染的潛力。與最近報道的快速和敏感免疫測定法的進展相比，基于ImmHR傳感器的無線免疫分析具有快速檢測，靈敏度高，設備配置方便，兼容可穿戴集成等優(yōu)點。

圖5 甲型H1N1流感臨床樣本檢測結果

綜上所述，該研究展示了一種無線免疫分析技術，通過替換抗原/抗體識別元件來檢測氣溶膠中的SARS-CoV-2、H1N1和RSV病毒抗原，這些識別元件的響應時間均控制在10分鐘左右。因此，無線免疫測定技術不僅可以作為一個多功能的免疫傳感平臺來捕獲和量化病毒蛋白生物標志物，而且還可以檢測各種生物體液中其他重要但低豐度的蛋白質生物標志物（汗液中的炎癥生物標志物、傷口滲出液或間質液中的細胞因子和血漿中的外泌體等）。此外，從豐富的聚合物和生物識別元件（適配體、DNA或CRISPR工具）中尋找材料對生物反應性水凝膠進行關鍵調整，也可以包括可檢測分析物中的代謝物和核酸。此外，將不同類型的生物識別元素組合在一組ImmHR傳感器內，或在一個傳感器內合理地空間分布，有望大大提高生物標志物檢測和疾病診斷（傳染病和癌癥等）的準確性。

浙江大學生物醫(yī)學工程與儀器科學學院劉清君教授為該論文通訊作者，博士后李鑫為第一作者。該論文得到了國家自然科學基金、浙江省自然科學基金重點項目以及國家博士后基金等項目的資助。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1038/s41467-024-48294-1

審核編輯：劉清