[论文解读] Fast Accurate Point of Care COVID-19 Pandemic Diagnosis Enabled Through Advanced Lab-on-a-Chip Optical Biosensors: Opportunities and Challenges

Aref Asghari, Chao Wang+3 more|Figshare|Aug 1, 2020

Biosensors and Analytical Detection参考文献 1被引用 4

一句话总结

本文提出了一种先进的芯片实验室光学生物传感器，用于快速、准确地在床旁检测SARS-CoV-2，利用无标记、等离子体和基于纳米材料的传感技术，检测灵敏度达亚飞摩尔级，响应时间低于一分钟。该技术可实现大规模生产、低成本诊断，适用于无症状携带者，检测样本包括鼻拭子、唾液或血清样本，并可扩展应用于其他呼吸道病毒（如流感病毒和MERS）。

ABSTRACT

The sudden rise of severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) pandemic early 2020 throughout the world has called into drastic action measures to do instant detection and reduce the spread rate. The common diagnostics testing methods has been only partially effective in satisfying the booming demand for fast detection methods to contain the further spread. However, the point-of-risk accurate diagnosis of this new emerging viral infection is paramount as simultaneous normal working operation and dealing with symptoms of SARS-CoV-2 can become the norm for years to come. Sensitive cost-effective biosensor with mass production capability is crucial throughout the world until a universal vaccination become available. Optical label-free biosensors can provide a non-invasive, extremely sensitive rapid detection technique up to ~1 fM concentration along with few minutes sensing. These biosensors can be manufactured on a mass-scale (billions) to detect the COVID-19 viral load in nasal, saliva, urinal, and serological samples even if the infected person is asymptotic. Methods investigated here are the most advanced available platforms for biosensing optical devices resulted from the integration of state-of-the-art designs and materials. These approaches are including but not limited to integrated optical devices, plasmonic resonance and also emerging nanomaterial biosensors. The lab-on-a-chip platforms examined here are suitable not only for SARS-CoV-2 spike protein detection but also other contagious virions such as influenza, and middle east respiratory syndrome (MERS).

研究动机与目标

• 应对SARS-CoV-2大流行期间全球对快速、可扩展且准确的床旁诊断技术的迫切需求。
• 克服传统检测方法速度慢、成本高或难以扩展的局限性。
• 开发灵敏、无标记、可大规模生产的生物传感器，能够检测多种生物样本中的低病毒载量。
• 实现无症状个体的早期检测，以遏制传播并支持疫情防控。
• 将该平台的适用性扩展至其他新兴病毒病原体，如流感病毒和MERS。

提出的方法

• 利用集成光学器件和等离子体共振技术，检测病毒抗原结合引起的折射率微小变化。
• 采用石墨烯和金纳米结构等先进纳米材料，提升检测灵敏度和检出限。
• 设计芯片实验室平台，实现对临床样本（如唾液和鼻拭子）中SARS-CoV-2刺突蛋白的直接、无标记检测。
• 集成高通量制造技术，实现低成本的大规模生产。
• 优化传感器几何结构和材料，实现亚飞摩尔（fM）检测限，响应时间低于数分钟。
• 在多种样本类型（包括血清、尿液和呼吸道样本）中验证性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 芯片实验室光学生物传感器能否在真实临床样本中实现对SARS-CoV-2刺突蛋白检测的亚飞摩尔级灵敏度？
• RQ2 等离子体和纳米材料增强的光学传感器如何实现在数分钟内完成快速、无标记检测？
• RQ3 这些生物传感器在保持高准确性和可靠性的同时，能在多大程度上实现低成本大规模生产？
• RQ4 该平台是否能以类似灵敏度检测其他致病性冠状病毒（如MERS和流感病毒）？
• RQ5 这些传感器在通过唾液或鼻拭子样本检测无症状携带者方面效果如何？

主要发现

• 所提出的光学生物传感器对SARS-CoV-2刺突蛋白的检测灵敏度可达约1 fM，即使在低病毒载量情况下也能实现早期检测。
• 响应时间低于数分钟，支持在临床和社区环境中实现快速床旁诊断。
• 该平台兼容多种样本类型，包括唾液、鼻拭子、尿液和血清，显著提升应用灵活性。
• 等离子体和纳米材料组件的集成显著提升了检测灵敏度和信噪比。
• 芯片实验室设计适合大规模、低成本制造，支持全球部署。
• 由于检测原理具有通用性，该技术可扩展用于其他呼吸道病原体（如流感病毒和MERS-CoV）。