Mikrowellenresonante Absorption von SARS

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 12596 (2022) Diesen Artikel zitieren

1596 Zugriffe

2 Zitate

5 Altmetrisch

Details zu den Metriken

Mikrowellen mit geringer Leistung können das Influenza-Typ-A-Virus durch den nichtthermischen strukturresonanten Energieübertragungseffekt wirksam deaktivieren, und zwar bei einer Frequenz, die der Frequenz des begrenzten akustischen Dipolarmodus des Virus entspricht. Derzeit gilt Aerosol als Hauptübertragungsweg von SARS-CoV-2. Für die mögliche mikrowellenbasierte Sterilisation muss die Mikrowellenresonanzfrequenz von SARS-CoV-2 entschlüsselt werden. Hier berichten wir über eine Mikrowellenabsorptionsspektroskopiestudie der Viren SARS-CoV-2 und HCoV-229E durch die Entwicklung eines koplanaren Wellenleiter-basierten Sensors. Es ist eine merkliche Mikrowellenabsorption zu beobachten, während wir die Resonanzfrequenzen des 1. und 2. Dipolmodus des SARS-CoV-2-Virus mit 4 bzw. 7,5 GHz identifiziert haben. Wir fanden außerdem heraus, dass die Resonanzfrequenzen unabhängig vom Virustiter sind, und wir untersuchten auch die Mikrowellenabsorption von HCoV-229E in schwach saurem Medium, um den üblichen pH-Wert bei der Flüssigkeitssekretion zu simulieren. Unsere Ergebnisse legen die mögliche Strahlungsfrequenz für die kürzlich vorgeschlagenen Mikrowellensterilisationsgeräte nahe, um das SARS-CoV-2-Virus durch einen nichtthermischen Mechanismus zu inaktivieren, um die Krankheitsübertragung in der Zeit nach der Pandemie zu kontrollieren.

Die Übertragung von SARS-CoV-2 in der Luft gilt allgemein als Hauptübertragungsweg und wird dadurch ermöglicht, dass Aerosolpartikel klein genug sind, um in der Luft zu schweben1. Unter den gegenwärtigen Umständen, dass die neue besorgniserregende Variante wie die Variante Omicron (B.1.1.529)2 möglicherweise resistent gegen Impfstoffe ist, erfordert die Bekämpfung der Pandemie erneut grundlegende Maßnahmen wie die Wahrung eines physischen Abstands, das Tragen geeigneter Masken und regelmäßige Hände Waschen und Sterilisieren3. Generell sind chemische und physikalische Sterilisationsverfahren durch die räumliche Abdeckung und Durchdringung begrenzt und verursachen zudem Schäden bei Mensch und Tier. Um das Infektionsrisiko in verschiedenen Szenarien ohne Gesichtsmaske in der Zeit nach der Pandemie zu verringern, ist daher dringend eine unterbrechungsfreie und sichere Sterilisationsmethode mit einer hervorragenden Penetrationsfähigkeit zur Sterilisation freier Räume erforderlich.

Wechselwirkungen elektromagnetischer Wellen mit Materialien beinhalten typischerweise eine Energieübertragung. Frühere Studien haben gezeigt, dass Mikrowellen Viren mit einfachen Geometrien durch den Strukturresonanzenergieübertragungseffekt (SRET) zur Resonanz bringen können, und zwar bei einer Frequenz, die der Frequenz des begrenzten akustischen Dipolarmodus entspricht4,5,6,7,8,9. Eine kürzlich durchgeführte Studie ergab außerdem, dass 8,4-GHz-Mikrowellen mit einer Leistungsdichte von 810 W/m2 die Membran des Influenza-A-Virus durch den SRET-Effekt effizient aufbrechen können, wodurch eine Reduzierung des aktiven Virus um mindestens 3 Logarithmen in weniger als 15 Minuten erreicht wird6. Es wurde berichtet, dass SARS-CoV-2-Virionen im Aerosol bis zu 3 Stunden lang stabil und infektiös bleiben10; Daher könnten Mikrowellen mit bestimmten Frequenzen möglicherweise zur Inaktivierung von SARS-CoV-2 bei angemessenen Mikrowellenleistungsdichten verwendet werden, die für den menschlichen Körper sicher sind. Es wurden verschiedene Geräte und Methoden entwickelt und vorgeschlagen, um die Inaktivierungswirksamkeit von SARS-CoV-211,12,13,14 zu überprüfen, die korrekten Resonanzfrequenzen blieben jedoch unbekannt. In Anbetracht der Mikrowellensterilisation im öffentlichen Bereich sollten Mikrowellenfrequenzen vermieden werden, die mit den biologischen Systemen in Resonanz treten würden, und die Mikrowellenexposition sollte den IEEE-Sicherheitsstandards entsprechen. Daher ist es äußerst wünschenswert, dass die Resonanzfrequenzen von SARS-CoV-2 durch quantitative Auswertung der Mikrowellenresonanzabsorptionsspektren (MRA) bestimmt werden könnten.

In diesem Bericht wurde eine signifikante Mikrowellenabsorption durch das SARS-CoV-2-Virus bei entsprechenden Mikrowellenresonanzfrequenzen beobachtet. Wir identifizierten zwei Resonanzfrequenzen, 4 und 7,5 GHz, in den normalisierten Einfügungsverlustspektren (IL) mit einer Größenordnung von bis zu 32 % der Grundresonanzfrequenz, was mit dem zuvor für das Influenza-A-H3N2-Virus mit höherer Dichte berichteten Wert übereinstimmt6. Unsere Ergebnisse zeigten einen stark gekoppelten Mechanismus, bei dem Energie aus dem elektrischen Mikrowellenfeld eine strukturelle Resonanz des SARS-CoV-2-Virus verursacht; während die Bandbreite der MRA-Frequenz auch mit der Größeninhomogenität des Virus übereinstimmte. Wir haben auch die Auswirkungen des Virustiters und des Säuregehalts des Mediums am menschlichen Coronavirus 229E (HCoV-229E) untersucht.

Theoretisch entsprechen beim kugelförmigen Corona-Virus die ersten beiden Absorptionsfrequenzen den strukturellen resonanten dipolaren Moden der sphärischen Harmonischen, die durch seine Elastizität und seinen Radius bestimmt werden. Um die Frequenzen zu messen, haben wir zunächst ein Sensorgerät für Virionen entwickelt, das einen koplanaren Wellenleiter (CPW) verwendet, der mit einer hydrophoben, selbstorganisierten Monoschichtmaske mit Nanodicke beschichtet ist (siehe Abbildung 1 und Abschnitt „Methoden“). Anschließend wurden die Dipolarmodusfrequenzen und die Absorptionseffizienz von SARS-CoV-2 erfolgreich charakterisiert, indem der normalisierte Einfügungsverlust nach der Messung mit einem Mikrowellen-Vektornetzwerkanalysator berechnet wurde. Die SARS-CoV-2-Virionen wurden zunächst isoliert, gelagert und in Dulbeccos modifiziertem Eagle-Medium (pH 7 ~ 7,4) mit einer Reihe von Virustitern von 107, 106 und 105 PFU/ml verdünnt. Die schematische Darstellung der viralen Resonanzmodi und der Ergebnisse normalisierter Mikrowellen-IL-Spektren für verschiedene Virustiter ist in Abb. 2A bzw. B dargestellt.

(A) Schematische Darstellung des Querschnitts des koplanaren Wellenleiters. (B) Schematische Darstellung des Designs des CPW mit selbstmontierter Monoschichtmaske oben, um die Lücke und die Signalleitung freizulegen. (C) CPW mit hydrophober SAM-Maske vor dem Anschluss an den VNA. (D) Mikrowellenabsorptionsmesssystem, eingerichtet in einer biologischen Sicherheitswerkbank im BSL-2-Labor. (E) 40 µL DMEM-Mediumtröpfchen mit Coronavirus in der SAM-Maske.

Der Resonanzprozess von SARS-CoV-2 und seine Mikrowellenabsorptionsspektren für verschiedene Konzentrationen im Vergleich zu HCoV-229E unter verschiedenen experimentellen Bedingungen. (A) Schematische Darstellung der Verschiebung zweier dipolarer Moden des kugelförmigen Teilchens mit Drehimpuls l = 1 und Quantenzahlen n = 0 oder 1, angetrieben durch das von der Mikrowelle erzeugte elektrische Feld. Die blauen und grünen Pfeile stellen die Verschiebungen der Schalen bzw. des Kerns dar. Unter dem Gesichtspunkt des Zweikörperproblems ist die Bewegung des Virions für den Schwingungsmodus n = 0 wie ein innerer Zylinder und ein äußerer Ring, die sich in entgegengesetzte Richtungen bewegen. Für den anderen Schwingungsmodus von n = 1 verhält sich die Bewegung wie ein Kern und eine Hülle, die sich in entgegengesetzte Richtungen bewegen. (B) Normalisierter Einfügungsverlust für verschiedene Konzentrationen von SARS-CoV-2 (107 PFU/ml, schwarze Linie; 106 PFU/ml, violette Linie; und 105 PFU/ml, blaue Linie), gereinigt in DMEM . Jedes Spektrum in der Abbildung stellt eine Messung der normalisierten IL dar. (C) Der normalisierte Insertionsverlust von SARS-CoV-2 (schwarze Linie) und HCoV-229E (grüne Linie) mit der gleichen Viruskonzentration (107 PFU/ml) und gereinigt im gleichen Medium DMEM (pH 7,4). ). Der Datensatz von SARS-CoV-2 in diesem Diagramm ist derselbe wie (B) für den Vergleich. (D) Der normalisierte Einfügungsverlust von HCoV-229E in DMEM mit unterschiedlichen Säuregraden. (grüne Linie: pH 7, 107 PFU/ml; rote Linie: pH 6, 0,9 × 107 PFU/ml) Der Datensatz von HCoV-229E in neutralem Medium in diesem Diagramm ist derselbe wie (C) für Vergleich.

In Abb. 2B kann der erste Absorptionspeak bei 4 GHz mit einem normalisierten IL-Wert von über 32 % und einer Halbwertsbreite (FWHM) von etwa 1 GHz für eine Viruskonzentration von 107 PFU/ml beobachtet werden. Die Unsicherheit unserer gemessenen Frequenz des Absorptionspeaks ist vernachlässigbar (siehe Quantifizierung und Analyse im Abschnitt „Methode“). Daher wurden alle Spektrenergebnisse in Abb. 2B – D aus einer einzigen Messung für die Kontroll- und Versuchsgruppe berechnet. Die Durchmesser der SARS-CoV-2-Virionen liegen zwischen 90 und 110 nm15 und die Resonanzfrequenz ist umgekehrt proportional zum Durchmesser der Virionen, was zu einer ziemlich großen Bandbreite führt. Bei niedrigeren Virustitern waren der Resonanzfrequenzpeak und die Bandbreite zwar unabhängig vom Titer, der normalisierte IL-Wert verhielt sich jedoch nichtlinear zur Viruskonzentration. Bei einem Virustiter von 105 PFU/ml im Vergleich zu 107 PFU/ml sank der Absorptionsspitzenwert nur auf 25 % (die Absorption verringert sich von 32 auf 8 %). Dieses Phänomen lässt sich auf die inhomogene räumliche Verteilung der Virionen im Medium über dem Detektionsbereich des CPW zurückführen. Die Wechselwirkung der Mikrowellen mit der angrenzenden Umgebung hängt vom ausgedehnten elektrischen Feld ab; Daher ist die Empfindlichkeit für Virionen höher, die sich näher an der Lücke neben der Signallinie befinden. Dies führt zu einem immer noch starken Signal der Virionen, die am Boden des Mediums konzentriert sind.

Wir beobachteten auch einen zweiten MRA-Peak bei 7,5 GHz, der fast doppelt so hoch ist wie die erste Resonanzfrequenz mit einer Bandbreite von etwa 1,5 bis 2 GHz. In unserer vorherigen Studie haben wir den Mechanismus erklärt, bei dem die durch das elektrische Feld induzierte Kern-Schale-Verschiebung zu einer strukturellen Resonanz von Dipolmoden sphärischer (SPH) Harmonischer führt 4,5,6. Daher repräsentiert der erste MRA-Peak bei 4 GHz den fundamentalen Dipolarmodus [SPH, l = 1, n = 0] (Abb. 2A, oben) und der zweite MRA-Peak bei 7,5 GHz repräsentiert den höheren Dipolarmodus [SPH, l = 1, n = 1] (Abb. 2A, unten). Hier bezeichnen l und n die Winkelordnungszahl bzw. die Obertonzahl. Nach Lambs Theorie können nur die sphärischen Moden mit l = 1 eine dipolare Kopplung mit den elektromagnetischen Wellen induzieren. Die Auswahlregel sagt uns, dass die Schwingungsmoden nur dann infrarotaktiv sind, wenn sich das Dipolmoment während des Schwingungsprozesses ändert. Daher kann der Grundatmungsmodus (l = 0) nicht durch Mikrowellen induziert werden und die entsprechenden Absorptionspeaks konnten nicht gemessen werden16.

Wir haben die Spektren von HCoV-229E-Virionen für die gleichen Mediumbedingungen wie SARS-CoV-2 bewertet, und beide Medien sind neutral mit pH-Werten von 7–7,4 (Abb. 2C). Für den Virustiter 107 PFU/ml zeigte das Spektrum für HCoV-229E (grüne Linie in Abb. 2C) in der Abbildung auch zwei Peaks im Zusammenhang mit dem Dipolarmodus. Die Resonanzfrequenz des ersten Dipolarmodus verschob sich zu einer höheren Frequenz von 4,2 GHz als die von SARS-CoV-2 mit einem normalisierten IL-Wert von etwa 19 %; die zweite Resonanzfrequenz blieb bei 7,5 GHz. Dieses Ergebnis bestätigt, dass Masse, Größe und Zusammensetzung der Virionen bei beiden Viren leicht unterschiedlich sind, obwohl sie zur gleichen Unterfamilie der Nidovirales-Ordnung gehören.

Anschließend bewerteten wir die Spektren der HCoV-229E-Virionen in schwach saurem Medium, wobei der Virustiter nahe an der vorherigen neutralen Probe lag (Abb. 2D). Es wird darauf hingewiesen, dass der normale pH-Bereich für Speichel zwischen 6,2 und 7,6 liegt, mit einem Durchschnittswert von 6,717. Betrachtet man allgemein die Schleimhäute der Atemwege, etwa in der Nase, der Luftröhre oder den Bronchien, so wird berichtet, dass das Sekret schwach sauer ist und einen pH-Wert von 6–718 aufweist. Um die Auswirkungen des Säuregehalts auf die SRET-induzierte Resonanzfrequenz weiter zu untersuchen, änderten wir den pH-Wert durch Zugabe von KH2PO4-Lösung zur Viruslösung, ohne dass sich der ursprüngliche Virustiter (107 PFU/ml) merklich änderte. Die neu erhaltene Viruslösung, die mit der neutralen Lösung verglichen werden sollte, hatte einen pH-Wert und einen Virustiter von 6 bzw. 0,9 × 107 PFU/ml. Das normalisierte IL-Spektrum für die Probe ist in Abb. 2D dargestellt. Der Dipolmodus 1. Ordnung bleibt unverändert, außer dass die Absorptionseffizienz bei ähnlichem Virustiter von 19 auf 5 % abnahm. Beim Vergleich der Frequenz des Dipolresonanzmodus 2. Ordnung wurde eine Verschiebung von 7,6 auf 7,8 GHz beobachtet. Diese Variation der Absorptionseffizienz kann durch das Zetapotential erklärt werden, das von den Oberflächenladungen der Virionen und der Ionen im Medium herrührt. Typischerweise erhöht eine Senkung des pH-Werts durch Zugabe von Säure das Zeta-Potenzial19 und verändert dadurch die Tendenz der Virionen zur Ausflockung. Die unveränderte Frequenz des 1. Dipolmodus deutete darauf hin, dass die Virionen immer noch vollständig dispergiert sind und eine dicke Hydratationsschicht oder eine elektrische Doppelschicht auf der Oberfläche aufweisen. Die Virionen hatten bei niedrigerem pH-Wert ein höheres Zetapotential, das durch die Adsorption positiverer Ionen auf den Virionoberflächen verursacht wurde. Dadurch werden die effektiven Dipolladungen der Kern-Schale-Trennstruktur aufgrund des Abschirmeffekts durch die zusätzlichen Ladungen weiter reduziert. Diese Verringerung der Dipolladung würde wiederum die Mikrowellenabsorptionsquerschnitte verringern. Der SRET-Prozess hängt hauptsächlich von der Dipolladung und der Stärke des angelegten elektrischen Feldes ab; Daher nahmen die normalisierten IL-Werte in schwach saurem Medium ab.

Wir haben den Qualitätsfaktor des MRA (QMRA) als das Verhältnis der Spitzenfrequenz zur Bandbreite (hier definiert als FWHM des Absorptionspeaks) definiert. Für den ersten Dipolarmodus (l = 1, n = 0) von SARS-CoV-2 mit der höchsten Konzentration (107 PFU/ml) wurde die QMRA mit 4,2 berechnet. Als die Viruskonzentration auf 106 und 105 PFU/ml sank, stiegen die QMRA-Werte auf 4,7 bzw. 5. Für HCoV-229E betrug der QMRA-Wert 4,9 für den ersten dipolaren Modus für die gleiche Viruskonzentration (107 PFU/ml) im gleichen Medium wie für SARS-CoV-2; Dieser QMRA-Wert sank sowohl in schwach sauren als auch in PBS-Medien auf 4,4 (siehe ergänzende Abbildung 3). In unserer vorherigen Studie zu den Viren Influenza A und Perina nuda (PnV)5 wurde der durch die Größenverteilung und den viskosen Dämpfungseffekt des Wassers verursachte QMRA-Verbreiterungseffekt erörtert. Die Größenverteilungsforschung zu SARS-CoV und SARS-CoV-2 mithilfe der Transmissionselektronenmikroskopie15 hat den durchschnittlichen Durchmesser von SARS-CoV-2 auf 100 nm mit einer Größenschwankung von ± 10 % ermittelt. Der entsprechende Qualitätsfaktor würde ungefähr 5 betragen, was unsere Ergebnisse mit allen gemeldeten QMRA-Werten von weniger als 5 bestätigt. Basierend auf der theoretischen Simulation von Polymethylmethacrylat (PMMA)-Nanopartikeln zur Nachahmung der mechanischen Eigenschaften von Virionen könnte viskoses Wasser die Vibrationen stark dämpfen und verringern Sie den Qualitätsfaktor des ersten Dipolmodus auf 3 bis 5. Beide oben genannten Faktoren tragen fast gleichermaßen zur Verbreiterung des Absorptionspeaks bei, was zu einem QMRA zwischen 4 und 5 führt.

Gesamtvergleiche der normalisierten Mikrowellen-IL-Spektren von Influenza A und SARS-CoV-2 ergaben, dass die Frequenz des ersten Dipolarmodus von 8,2 auf 4 GHz abnahm, während der normalisierte IL-Wert von 23 auf 32 % anstieg. Für eine sichere Sterilisation durch Aufreißen der Virionhülle führt eine niedrigere Betriebsfrequenz unter Berücksichtigung des dielektrischen Wasserverlusts zu einem geringeren Aerosolverlust. Darüber hinaus deutet die höhere Absorptionseffizienz darauf hin, dass die Hemmung von SARS-CoV-2 bei einer Mikrowellenleistungsdichte erreicht werden könnte, die für den menschlichen Körper sicher ist.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass durch Messung der normalisierten Einfügungsverlustspektren die Mikrowellenresonanzfrequenzen von SARS-CoV-2 und HCoV-229E erfolgreich identifiziert wurden. Erstens wurde für die niedrigste Viruskonzentration die Mindestanzahl an infektiösen SARS-CoV-2-Virionen auf 4000 festgelegt, und mit unserem System können signifikante MRA-Peaks identifiziert werden. Zweitens veränderten der Virustiter, das Medium und der Säuregehalt die Resonanzfrequenzen nicht. Schließlich erhöhen die Identifizierung dieser Resonanzfrequenzen von 4 GHz und 7,5 GHz und die relativ hohe Mikrowellenabsorptionseffizienz unser Vertrauen in die mögliche Realisierung einer SARS-CoV-2-Sterilisation und COVID-19-Übertragungskontrolle unter Verwendung von Mikrowellen mit hoher Durchdringung im freien Raum mit a Leistungspegel für die Öffentlichkeit sicher.

Die Zelllinie und das SARS-CoV-2-Virus wurden in einem Labor der Biosicherheitsstufe 3 (BSL-3) im National Taiwan University Hospital hergestellt. Für die Zelllinie wurden Vero E6-Zellen von der American Type Culture Collection (ATCC) (Manassas, VA, USA) erworben und in Dulbeccos modifiziertem Eagle-Medium (DMEM) mit 10 % fötalem Rinderserum (FBS) (Life Technologies) gezüchtet. 1 % Antibiotikum. Die Zellen wurden bei 37 °C und 5 % CO2 kultiviert. Die Viren SARS-CoV-2/NTU03/TWN/human/2020 (Zugangs-ID EPI_ISL_413592) wurden aus dem Rachenabstrich eines mit SARS-CoV-2 infizierten Patienten isoliert und in Vero-E6-Zellen in DMEM, ergänzt mit 2 μg/ml Tosylsulfonylphenylalantylchlormethylketon, vermehrt (TPCK)-Trypsin (Sigma-Aldrich) und bis zur weiteren Untersuchung bei –80 °C gelagert. Die Virustiter wurden zur anschließenden Analyse mittels Plaque-Assay bestimmt. Die Experimente wurden in Übereinstimmung mit den relevanten lokalen Richtlinien und Vorschriften durchgeführt. Die Versuchsprotokolle wurden von der Forschungsethikkommission der NTUH (202002002RIND von Dr. Jann-Tay Wang) genehmigt und die Einverständniserklärung aller Teilnehmer wurde eingeholt. Für HCoV-229E wurden die Zelllinie und das Virus in einem BSL-2-Labor an der Chang Gung University, Taiwan, hergestellt. Für die Zelllinie wurden HuH7-Zellen (American Type Culture Collection, Manassas, VA, USA) in Dulbeccos modifiziertem Eagle-Medium (DMEM) gezüchtet, das 10 % fötales Rinderserum (FBS), 1 % Antibiotika-/Antimykotika-Lösung und 1 % L enthielt -Glutamin (Gibco, Grand Island, NY, USA). Die Zellen wurden bei 37 °C und 5 % CO2 kultiviert. Die HCoV-229E-Viren wurden aus dem Chang Gung Memorial Hospital isoliert und in HuH7-Zellen vermehrt, in DMEM mit 2 % FBS gehalten und bis zur weiteren Untersuchung bei –80 °C gelagert.

Wir hielten den Virustiter in DMEM bei etwa 107 PFU/ml und änderten den pH-Wert durch Zugabe einer kleinen Menge 1 %iger KH2PO4-Lösung zur Viruslösung. Die 1 %ige KH2PO4-Lösung wurde zunächst durch Mischen von 1 g KH2PO4-Pulver in 100 ml entionisiertem Wasser mit einem End-pH-Wert von 4,52 hergestellt, der mit einem pH-Meter gemessen wurde. Nach einer 100-fachen Verdünnung der 1 %igen KH2PO4 erreichte der pH-Wert 5,17. Schließlich wurden 20 µL der KH2PO4-Lösung mit einem pH-Wert von 5,17 zu 180 µL der Viruslösung mit einem pH-Wert von 7 und einer Konzentration von 107 PFU/ml hinzugefügt. Die neu gewonnene Viruslösung hatte einen pH-Wert und eine Konzentration von 6 bzw. 0,9 × 107 PFU/ml. Alle Prozesse wurden in einem BSL-2-Labor an der Chang Gung University, Taiwan, durchgeführt.

Um die Resonanzfrequenz zu ermitteln, bei der eine hohe Energieübertragung stattgefunden hat, müssen wir den sinnvollen Mikrowellenfrequenzbereich absuchen, um den Energieverlustabfall im Spektrum zu finden. Aus unserer vorherigen Arbeit können wir durch die Berücksichtigung des Resonanzprozesses, bei dem Kern-Schale in entgegengesetzte Richtungen schwingt, abschätzen, dass die Resonanzfrequenz niedriger als 8 GHz sein sollte, da die reduzierte Masse20 durch das Zweikörperproblem größer ist als die des Influenza-A-Virus. Wir können vorhersagen, dass wir, wenn es einen Resonanzmodus höherer Ordnung gibt, ihn innerhalb von 16 GHz finden sollten. Daher entwerfen wir zunächst eine Übertragungsleitung unter Verwendung von CPW als Zwei-Port-Netzwerk, dessen Mikrowellen-EM-Signal mit der Umgebung (d. h. dem Medium, das SARS-CoV-2 enthält) interagieren kann und die Netzwerkeigenschaften wie Durchlässigkeit, Reflexionsgrad, und Einfügedämpfung (IL) kann mit einem Zweitor-Vektornetzwerkanalysator gemessen werden.

CPW ist ein bekannter Basiswellenleiter für Mikrowellenanwendungen, der über die koplanare Signalleitung und zwei Masseebenen verfügt, die symmetrisch auf der Oberseite des Substrats synthetisiert sind. Der Zweck der SAM-Maske besteht darin, die Wiederholbarkeit der gekoppelten Mikrowellenübertragung auf das SARS-CoV-2-Partikel enthaltende Medium durch Fixierung des Interaktionsbereichs zu verbessern. Zur Herstellung eines CPW wählen wir als Substrat eine Leiterplatte mit einer 100 µm dicken Kupferfolie. Die Permittivität \({\varepsilon }_{PCB}\) der Leiterplatte beträgt 4,2. Wir haben den Kupferfilm mit Hilfe von Fotolack geätzt, um die beiden Lücken zwischen der Signalleitung und zwei Erdungen zu bilden. Siehe Abb. 1A. Die Breite der Signalleitung und des Spalts beträgt 2,1 mm bzw. 0,55 mm, sodass die Eingangsimpedanz an beiden Enden 50 Ohm beträgt. Die Länge zwischen beiden Enden des CPW beträgt 2,5 cm und an beiden Enden wurden zwei SMA-Stecker angelötet.

Da die in dieser Studie untersuchten Proben in Dulbeccos modifiziertem Eagle-Medium (DMEM) und phosphatgepufferter Kochsalzlösung (PBS) kultiviert und gereinigt werden, die beide wässrige Flüssigkeiten sind, ist es schwierig, die Kontaktfläche auf dem CPW für Experimente und Kontrollen identisch zu halten Gruppe. Darüber hinaus führt die Änderung der Kontaktfläche auch zu einer Änderung der S-Parameter. Daher wenden wir eine einfache, aber nützliche Methode an, um die Flüssigkeitsprobe einzuschließen, um das Detektionsvolumen bei jeder Messung identisch zu halten. Wir verwenden die Sprühbeschichtungsmethode, um eine selbstorganisierte hydrophobe nanoskalige Monoschicht unter Verwendung von MSG-022 mit einem Kontaktwinkel über 110° (erworben von Giant Nano Technology Co., Ltd.) aufzutragen. Die selbstorganisierte Monoschicht (SAM) ist in der Mitte hohl, sodass sowohl die Streifenleitung als auch die Lücken der Umgebung ausgesetzt sind (Abb. 1B). Wir verwenden zunächst einen Gummiwürfel mit flacher und quadratischer Form, um den Erkennungsbereich mit CPW darunter abzudecken. SAM wird auf der Fläche außerhalb des Gummiwürfels synthetisiert, um eine quadratische Fläche (5 mm × 5 mm) mit geringerer Hydrophobie zu erzeugen. Alle anderen Arten von SAM-Materialien mit Fluorkohlenstoff- oder Kohlenwasserstoffketten wie Octadecyltrichlorsilan funktionieren ebenfalls. Die in den quadratischen Bereich eingetauchte wässrige Flüssigkeit wird begrenzt und die Grenze der wässrigen Flüssigkeit wird somit durch das SAM gut definiert (Abb. 1E). Die Dicke des SAM-Films beträgt weniger als 10 nm mit einer Dielektrizitätskonstante von weniger als 1,4 und der Film ist außerdem nicht leitend. Das SAM mit luftähnlicher Dielektrizitätskonstante führt zu einer vernachlässigbaren Änderung der CPW-Impedanz, sodass die Eigenschaften des 2-Port-Netzwerks nach der SAM-Behandlung nahezu gleich bleiben. Die einstufige Synthese von SAM mit Nanodicke durch Sprühen oder Schleuderbeschichten erleichtert die Herstellung. Da der Nachweisprozess eine Kontrollgruppe erfordert, sorgt der genau definierte Bereich der wässrigen Flüssigkeit für eine zuverlässige Wiederholbarkeit des gemessenen Spektrums.

Nachdem das CPW-Erkennungsgerät hergestellt wurde, verwendeten wir MS2028C, einen tragbaren VNA von Anritsu mit einer Frequenzbandbreite von 5 kHz–20 GHz und einem Dynamikbereich über 85 dB, um die 2-Port-S-Parameter von CPW mit SAM-Maske zu messen und sicherzustellen, dass der S21-Parameter stimmt nahe 0 dB für eine gute Leistungseinspeisung. Später wurden das CPW-Gerät und der VNA in die BSL-2- und BSL-3-Labore gebracht und mit den 50-Ohm-VNA-Kalibrierungskits für die folgenden Experimente mit HCoV-229E bzw. SARS-CoV-2 kalibriert. Für ein 2-Port-Netzwerkgerät kann die S-Parameter-Matrix verwendet werden, um den Transmissionsgrad (S12 und S21) und den Reflexionsgrad (S11 und S22) zu beschreiben. Abgesehen davon hat die Energie des Signals innerhalb des Geräts entweder einen Gewinn oder einen Verlust. Bei einer Übertragungsleitung geht die Energie der EM-Welle bei der Ausbreitung allmählich verloren, was üblicherweise als Einfügungsdämpfung (IL) bezeichnet wird. Die Beziehung von S-Parametern und IL kann als \({\left|{S}_{11}\right|}^{2}+{\left|{S}_{21}\right|}^ geschrieben werden {2}+IL=1\). Wenn ein Medium mit dem CPW in Kontakt kommt, verursacht das Medium eine Permittivitätsänderung an der Übertragungsleitung und nicht nur die S-Parameter werden beeinflusst, sondern auch die IL wird erhöht, wenn im Medium ein Energieübertragungsmechanismus vorhanden ist. Bei einem festen Volumen des Mediums auf CPW und einer genau definierten Wechselwirkungsfläche würde die geringe Menge der suspendierten Partikel nicht zu einer offensichtlichen Änderung der IL führen. Wenn die Partikel jedoch einen Energieübertragungsweg bereitstellen, wäre die IL betroffen. Um die Bandbreite unserer Ergebnisse zu bestimmen, kann, wie wir in der ergänzenden Abbildung 1 sehen können, ein offensichtlicher Unterschied in den Mikrowellendämpfungsspektren innerhalb von 10 GHz beobachtet werden, indem beide Fälle mit Virus (grüne dünne Linie) und ohne Virus verglichen werden (rote dünne Linie). Da das Medium selbst bei hoher Frequenz (10 GHz bis 20 GHz) einen relativ hohen Einfügungsverlust (> 90 %) zur CPW-Übertragungsleitung beitragen würde, würde das Rauschen bei der Berechnung der normalisierten IL verstärkt. Daher betrachten wir nur die Bandbreite von 0,2 GHz bis 10 GHz, die ein besseres SNR aufweist. Bei der Messung von SARS-CoV-2 ist aufgrund der Schwierigkeit, eine perfekte Kalibrierung von VNA im BSL-3-Labor zu erreichen, die Summe von \({\left|{S}_{11}\right|}^{2} \) und \({\left|{S}_{21}\right|}^{2}\) liegt etwas über 1, was zu einem Gewinn in diesem 2-Tor-System führt. Daher mussten wir die Komponenten weglassen, deren Frequenz niedriger als 1,1 GHz ist.

Zunächst wurde der Vektornetzwerkanalysator mit zwei Signalleitungen mit hoher Frequenzbandbreite (DC ~ 18 GHz) und SMA-Anschlüssen verbunden und mit einem Kalibrierungskit kalibriert. Nach der Kalibrierung wurde das CPW-Sensorgerät mithilfe einer Leiterplattenhalterung im Biosicherheitsschrank montiert und mit den Signalleitungen verbunden (Abb. 1D). Nachdem wir das System eingerichtet hatten, bereiteten wir zwei Proben vor, nämlich das Medium und dasselbe Medium mit Virionen. Für jede formale Messung wurde das Gesamtprobenvolumen, das auf den quadratischen Nachweisbereich getropft wurde, auf 40 µL festgelegt, um sicherzustellen, dass mindestens 4000 infektiöse Virionen in der Probe mit dem niedrigsten Virustiter (105 PFU/ml) vorhanden waren. Beim Erfassungsprozess der normalisierten IL-Spektren des Coronavirus müssen wir zwei separate Messungen auf demselben CPW-Erkennungsgerät durchführen. Die erste, die als Kontrollgruppe dient, ist die feste Menge Medium ohne Coronavirus. Die zweite Gruppe, die als Versuchsgruppe dient, enthält die gleiche Menge identischen Mediums wie die Kontrollgruppe, enthält jedoch gereinigtes und suspendiertes Coronavirus. Tropfen Sie zunächst mit einer Pipette das 40-µL-Medium auf den quadratischen Erfassungsbereich und messen Sie die vollständigen 2-Port-S-Parameter. Nachdem die Daten erfasst wurden, entfernen Sie das Medium mit der Pipette und stellen Sie sicher, dass der Erfassungsbereich sauber und trocken ist. Führen Sie abschließend die gleiche Messung mit dem Medium mit Virionen durch. Diese beiden separaten Daten können anschließend zur Berechnung des normalisierten Einfügungsdämpfungsspektrums verwendet werden. Alle Prozesse wurden in einem BSL-3-Labor und einem BSL-2-Labor für die S-Parameter-Messungen von SARS-CoV-2 bzw. HCoV-229E durchgeführt.

Wenn die vollständigen 2-Tor-S-Parameter zweier Gruppen gemessen werden können, wobei der Systemaufbau und die Probengeometrie für zwei Messungen identisch bleiben, können die Mikrowellendämpfungsspektren \(A\left(f\right)\) berechnet werden als \( {\left|{S}_{11}\right|}^{2}+{\left|{S}_{21}\right|}^{2}=1-IL\). Schließlich kann die normalisierte IL des Coronavirus durch die folgende Beziehung berechnet werden, wobei „v + b“ und „b“ für „Virus + mittlerer Hintergrund“ und „mittlerer Hintergrund“ stehen:

Für die Kontroll- und Versuchsgruppe wurden zwei S-Parameter-Spektren einzeln gemessen, sodass wir durch Kreuzvergleich vier normalisierte IL-Spektren erhalten können. Wir berechnen den Standardfehler des Mittelwerts der resonanten Zentralfrequenzen statistisch und die Unsicherheit unserer Ergebnisse beträgt mehrere zehn MHz. Da die leichte Abweichung unserer Messungen im Vergleich zur Frequenz und Bandbreite des Gigahertz-Dipolarmodus vernachlässigbar sein kann, haben wir die normalisierte IL anhand eines einzigen Messergebnisses gezeigt. Unsere gemessenen S-Parameter und normalisierten IL-Spektren haben eine Frequenzauflösung von 0,05 GHz und ein Savitzky-Golay-Filter mit der Fenstergröße von 20 Datenpunkten wurde angewendet, um die Linien im Diagramm zu glätten.

Der gesamte Originalcode und die Rohdaten zur Berechnung der Zahlen im Artikel wurden im Google Cloud Space hinterlegt und sind zum Zeitpunkt der Veröffentlichung öffentlich verfügbar. (https://drive.google.com/drive/folders/1BWKOz_TvoZngHrRvkA49JSUsZ1FGoUIZ?usp=sharing).

Rosti, ME, Olivieri, S., Cavaiola, M., Seminara, A. & Mazzino, A. Die Fluiddynamik der luftübertragenen COVID-19-Infektion legt dringende Daten für ein wissenschaftliches Design der sozialen Distanzierung nahe. Wissenschaft. Rep. 10, 22426. https://doi.org/10.1038/s41598-020-80078-7 (2020).

Artikel ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Klassifizierung von Omicron (B.1.1.529): Besorgniserregende SARS-CoV-2-Variante. https://www.who.int/news/item/26-11-2021-classification-of-omicron-(b.1.1.529)-sars-cov-2-variant-of-concern (2021)

Kumar, A. et al. Quantitative Leistungsanalyse von Atemschutzmasken unter Verwendung atmosphärischer und im Labor erzeugter Aerosole mit anschließender Gamma-Sterilisation. Aerosol-Luftqual. Res. 21, 200349. https://doi.org/10.4209/aaqr.2020.06.0349 (2021).

Artikel Google Scholar

Liu, T.-M. et al. Mikrowellenresonante Absorption von Viren durch dipolare Kopplung mit begrenzten akustischen Schwingungen. Appl. Physik. Lette. 94, 043902. https://doi.org/10.1063/1.3074371 (2009).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Liu, T.-M. et al. Auswirkungen des Hydratationsgrads auf die Bandbreite der Mikrowellenresonanzabsorption, die durch begrenzte akustische Schwingungen induziert wird. Appl. Physik. Lette. 95, 173702. https://doi.org/10.1063/1.3254251 (2009).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Yang, S.-C. et al. Effiziente Strukturresonanzenergieübertragung von Mikrowellen auf begrenzte akustische Schwingungen in Viren. Wissenschaft. Rep. 5, 18030. https://doi.org/10.1038/srep18030 (2015).

Artikel ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Sun, C.-K. et al. Resonante dipolare Kopplung von Mikrowellen mit begrenzten akustischen Schwingungen in einem stabförmigen Virus. Wissenschaft. Rep. 7, 4611. https://doi.org/10.1038/s41598-017-04089-7 (2017).

Artikel ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Mukhopadhyay, T. et al. Untersuchung der stochastischen Dynamik von Coronaviren: Maschinelles Lernen ermöglichte tiefgreifende rechnerische Erkenntnisse mit ausnutzbaren Dimensionen. Adv. Theor. Simul. 4, 2000291. https://doi.org/10.1002/adts.202000291 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Srivastava, Y. et al. Nichtchemische Signaturen biologischer Materialien: Funksignale von Covid19?. Elektromagn. Biol. Med. 39, 340–346. https://doi.org/10.1080/15368378.2020.1803081 (2020).

Artikel PubMed Google Scholar

van Doremalen, N. et al. Aerosol- und Oberflächenstabilität von SARS-CoV-2 im Vergleich zu SARS-CoV-1. N. engl. J. Med. 382, 1564–1567. https://doi.org/10.1056/NEJMc2004973 (2020).

Artikel PubMed Google Scholar

Thaper, R. & Fagen, B. Deaktivierung des schweren akuten respiratorischen Syndroms Coronavirus-2 mit Resonanzfrequenz. Curr. Med. Res. Üben. 11, 156–158. https://doi.org/10.4103/cmrp.cmrp_6_20 (2021).

Artikel Google Scholar

Calabrò, E. & Magazù, S. Virusinaktivierung durch elektromagnetische Strahlung bei Resonanzfrequenzen: Mögliche Anwendung auf SARS-CoV-2. Welt J. Umgebung. Biowissenschaften. 10, 1–4. https://doi.org/10.51847/8ZX9C21OTS (2021).

Artikel Google Scholar

Kossenas, K. et al. Eine Methode zur Mikrowellen-Fernsterilisation, die auf das Coronavirus und andere Krankheitserreger unter Verwendung retrodirektiver Antennenarrays anwendbar ist. IEEE J. Electromagn. RF-Mikrowelle. Med. Biol. 6, 41–51. https://doi.org/10.1109/jerm.2021.3077110 (2021).

Artikel Google Scholar

Hoff, BW et al. Gerät zur kontrollierten Mikrowellen-Exposition von aerosolisierten Krankheitserregern. Rev. Sci. Instrument. 92, 014707. https://doi.org/10.1063/5.0032823 (2021).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Laue, M. et al. Morphometrie von SARS-CoV- und SARS-CoV-2-Partikeln in ultradünnen Kunststoffschnitten infizierter Vero-Zellkulturen. Wissenschaft. Rep. 11, 3515. https://doi.org/10.1038/s41598-021-82852-7 (2021).

Artikel ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Murray, D. et al. Ferninfrarotabsorption durch akustische Phononen in Titandioxid-Nanopulvern. J. Nanoelektron. Optoelektron. 1, 92–98. https://doi.org/10.1166/jno.2006.010 (2006).

Artikel Google Scholar

Baliga, S., Muglikar, S. & Kale, R. Speichel-pH: Ein diagnostischer Biomarker. J. Indian Soc. Parodontologie. 17, 461–465. https://doi.org/10.4103/0972-124X.118317 (2013).

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Fischer, H. & Widdicombe, JH Mechanismen der Säure- und Basensekretion durch das Atemwegsepithel. J. Membrane Biol. 211, 139–150. https://doi.org/10.1007/s00232-006-0861-0 (2006).

Artikel CAS Google Scholar

Leong, YK, Ong, BC, Tan, JH, Chandramalar, AVM & Lim, YY Oberflächenkräfte, die durch adsorbierte ionische Copolymere mit hydrophoben und hydrophilen Segmenten in kolloidalen Dispersionen entstehen. J. Rheol. 47, 59–69. https://doi.org/10.1122/1.1530618 (2003).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Bar-On, YM, Flamholz, A., Phillips, R. & Milo, R. SARS-CoV-2 (COVID-19) in Zahlen. Elife 9, e57309. https://doi.org/10.7554/eLife.57309 (2020).

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Referenzen herunterladen

Dieses Projekt wird vom Ministerium für Wissenschaft und Technologie der Republik China unter der Nummer MOST 109-2224-E-002-003 gefördert. Wir sind dankbar für die Unterstützung des National Taiwan University Hospital und der Chang Gung University. Wir danken Tzu-Ming Liu für die Hilfe bei der Ausarbeitung der Theorie der sphärischen Harmonischen. Wir danken Yen-Ting Lu für das Design und die Herstellung des koplanaren Wellenleiters. Abbildung 2A wurde mit BioRender.com erstellt.

Graduierteninstitut für Photonik und Optoelektronik und Abteilung für Elektrotechnik, National Taiwan University, Taipei, 10617, Taiwan

Peng-Jui Wang & Chi-Kuang Sun

Abteilung für klinische Laborwissenschaften und medizinische Biotechnologie, National Taiwan University College of Medicine, Taipei, 100, Taiwan

Yu-Hao Pang, Jun-Tung Fang und Sui-Yuan Chang

Forschungszentrum für neu auftretende Virusinfektionen, College of Medicine, Chang Gung University, Taoyuan, 33302, Taiwan

Sheng-Yu Huang & Shin-Ru Shih

Abteilung für medizinische Biotechnologie und Laborwissenschaft, College of Medicine, Chang Gung University, Taoyuan, 33302, Taiwan

Sheng-Yu Huang & Shin-Ru Shih

Abteilung für Labormedizin, Linkou Chang Gung Memorial Hospital, Taoyuan, 333, Taiwan

Shin-Ru Shih

Forschungszentrum für chinesische Kräutermedizin, Chang Gung University of Science and Technology, Taoyuan, 33303, Taiwan

Shin-Ru Shih

Forschungszentrum für Lebensmittel- und Kosmetiksicherheit, Chang Gung University of Science and Technology, Taoyuan, 33303, Taiwan

Shin-Ru Shih

Graduate Institute of Health Industry Technology, College of Human Ecology, Chang Gung University of Science and Technology, Taoyuan, 33303, Taiwan

Shin-Ru Shih

Abteilung für Labormedizin, National Taiwan University Hospital, Taipei, 100, Taiwan

Sui-Yuan Chang

Graduierteninstitut für Kommunikationstechnik und Fakultät für Elektrotechnik, National Taiwan University, Taipei, 10617, Taiwan

Tian-Wei Huang & Yi-Jan Chen

Molecular Imaging Center und Graduierteninstitut für biomedizinische Elektronik und Bioinformatik, National Taiwan University, Taipei, 10617, Taiwan

Chi-Kuang Sun

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Konzeptualisierung: CKS; Methodik: CKS, PJW; Experiment: YHP, PJW, JTF, SYH; Analyse: PJW; Geräteherstellung: PJW, TWH; Fördermitteleinwerbung: CKS; Aufsicht: CKS, TWH, YJC; Schreiben – Entwurf: PJW, CKS, SYC, SRS; Schreiben – Rezension: Alle Autoren.

Korrespondenz mit Chi-Kuang Sun.

Die Autoren C.-K. Sun und P.-J. Wang erklärt die folgenden konkurrierenden Interessen. Für die Patentanmeldung in den USA und Taiwan wurde ein Patent „Gerät und Methode zur Messung des Mikrowellenabsorptionsspektrums suspendierter Partikel in flüssigen Lösungen“ eingereicht. Der Patentanmelder ist die National Taiwan University und die Erfinder sind C.-K. Sun und P.-J. Wang. „CPW mit SAM-Maske“, „Experimenteller Ablauf der Messung der S-Parameter in einer Biosicherheitswerkbank“ und „Quantifizierung und Analyse“ im Abschnitt „Methoden“ dieses Dokuments werden in der Patentanmeldung behandelt. Die anderen Autoren dieses Artikels (einschließlich Y.-H. Pang, S.-Y. Huang, J.-T. Fang, S.-Y. Chang, S.-R. Shih, T.-W. Huang, und Y.-J. Chen) sind nicht die Erfinder dieses Patents und erklären keine konkurrierenden Interessen.

Springer Nature bleibt neutral hinsichtlich der Zuständigkeitsansprüche in veröffentlichten Karten und institutionellen Zugehörigkeiten.

Open Access Dieser Artikel ist unter einer Creative Commons Attribution 4.0 International License lizenziert, die die Nutzung, Weitergabe, Anpassung, Verbreitung und Reproduktion in jedem Medium oder Format erlaubt, sofern Sie den/die ursprünglichen Autor(en) und die Quelle angemessen angeben. Geben Sie einen Link zur Creative Commons-Lizenz an und geben Sie an, ob Änderungen vorgenommen wurden. Die Bilder oder anderes Material Dritter in diesem Artikel sind in der Creative Commons-Lizenz des Artikels enthalten, sofern in der Quellenangabe für das Material nichts anderes angegeben ist. Wenn Material nicht in der Creative-Commons-Lizenz des Artikels enthalten ist und Ihre beabsichtigte Nutzung nicht gesetzlich zulässig ist oder über die zulässige Nutzung hinausgeht, müssen Sie die Genehmigung direkt vom Urheberrechtsinhaber einholen. Um eine Kopie dieser Lizenz anzuzeigen, besuchen Sie http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Nachdrucke und Genehmigungen

Wang, PJ., Pang, YH., Huang, SY. et al. Mikrowellenresonante Absorption von SARS-CoV-2-Viren. Sci Rep 12, 12596 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-16845-5

Zitat herunterladen

Eingegangen: 20. Dezember 2021

Angenommen: 18. Juli 2022

Veröffentlicht: 22. Juli 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-16845-5

Jeder, mit dem Sie den folgenden Link teilen, kann diesen Inhalt lesen:

Leider ist für diesen Artikel derzeit kein Link zum Teilen verfügbar.

Bereitgestellt von der Content-Sharing-Initiative Springer Nature SharedIt

Wissenschaftliche Berichte (2023)

Virologie-Journal (2022)

Durch das Absenden eines Kommentars erklären Sie sich damit einverstanden, unsere Nutzungsbedingungen und Community-Richtlinien einzuhalten. Wenn Sie etwas als missbräuchlich empfinden oder etwas nicht unseren Bedingungen oder Richtlinien entspricht, kennzeichnen Sie es bitte als unangemessen.

Nachricht