由新型冠狀病毒（SARS-CoV-2）引發的新冠肺炎已困擾全球人民兩年多。據麥姆斯咨詢報道，近日，阿米卡比爾理工大學（Amirkabir University of Technology）聯合德黑蘭大學（University of Tehran）提出一種基于非線性介電光譜（NLDS）的新型診斷方法，用于檢測拭子樣本的SARS-CoV-2。研究人員將已知電流注入病毒樣本懸浮液，在記錄信號功率譜中檢測到的三次諧波作為生物標記物。根據諧波建立的計算模型支持離子通道（E蛋白）的假設，即病毒包膜上存在非線性電流-電壓特性的離子通道是諧波產生的可能來源。研究人員開發的新系統能夠區分陽性和陰性樣本，陽性樣本中的三次諧波比高5~10 dBc（相對于載波的分貝），與計算估計一致。實驗的早期結果表明，這種方法可以檢測溶液中的病毒。這是首次使用諧波特征檢測拭子樣本中的SARS-CoV-2。

首先，研究人員利用膜表面離子流非線性流動的數學模型，從理論上估算了從病毒溶液中獲得的功率譜。其次，實驗測量了含病毒的病毒轉運介質（VTM）溶液的功率譜。最后，他們將理論和實驗結果進行比較，以檢測溶液中是否存有SARS-CoV-2。

病毒探測器NLDS生物傳感器的幾個工作階段

研究人員使用從磷脂酰膽堿脂納米盤中研究SARS-CoV-2 3A蛋白獲得的電流-電壓圖，基于從蛋白脂質體水皰中提取的切除斑塊上記錄的電流，來建立非線性通道響應的數學模型。同時他們利用膜體的數學模型，通過容積導體理論計算病毒膜上的電壓。

3A離子通道的電流-電壓圖

利用容積導體理論模擬的病毒溶液示意圖

常規介電光譜技術使用兩個、三個或四個電極系統來刺激和記錄信號。研究人員在一個特別設計的總容積約為2ml的室內使用四電極系統來刺激并記錄非線性信號，如下圖所示。電極由無涂層的金（gold）制成（詳細圖如下c）。較大的電極和外部電極用于驅動，即電流注入電極，較小的電極和內部電極用于記錄電壓。

NLDS生物傳感器：（a）電子導出電路；（b）測量裝置；（c）生物傳感器配置圖，中灰色表示電極和不同大小的元件，記錄室以毫米為單位顯示

研究人員利用膜離子電流的數學模型，對兩個電極板之間存在病毒的模擬結果如下圖所示。除基頻外，奇次諧波也出現在模擬電壓的功率譜中。研究人員的目標是找到這些諧波，并評估其振幅與主諧波的比率。下圖b顯示了不同頻率和不同激勵振幅下，三次諧波與主諧波（即基頻激勵頻率）的比率。此外，他們還對280毫摩爾NaCl的已知生理鹽水溶液進行了測量，該溶液表示系統總的殘余諧波水平，該水平足夠低，可用于病毒樣本的后續測量（下圖c）。

有病毒和無病毒鹽水溶液樣品的模擬功率譜和諧波

三次諧波與主諧波振幅的比值取決于電場刺激的頻率和振幅。在較高的頻率和振幅下，存在更強烈的三次諧波。

在本項研究中，新冠肺炎患者樣品溶液經電激發引起記錄功率譜的三次諧波模式的變化，可作為病毒檢測的新型潛在生物標志物。研究結果表明，陽性和陰性樣本的三次諧波幅值與一次諧波幅值之比存在顯著差異。這種差異極可能被用作診斷工具，很有發展前景。研究人員通過單獨使用該生物標志物或與其它方法（如電化學方法或通過電極表面功能化進行病毒特異性結合）結合，可以便捷有效地改進SARS-CoV-2的檢測。

研究人員堅信，通過仔細選擇最佳頻率和電壓范圍可檢測患者樣本中是否存有病毒（無論其基因含量如何），他們提出的NLDS技術可以為設計SARS-CoV-2診斷試劑盒開辟新的途徑。雖然該項研究介紹的裝置還需要進一步開發，才能作為獨立的診斷試劑盒使用，他們希望此次實驗結果將在不久的將來成為高精度檢測所有病原微生物（包括不同種類的病毒劑）的基礎。