圣路易斯华盛顿大学的研究人员开发出一种快速便携式生物传感器，可实时检测空气中的H5N1病毒，帮助农民和卫生官员更有效地应对疫情。 该设备改进了传统的缓慢检测方法，可在五分钟内提供结果，并可用于检测其他病毒和细菌。
随着高致病性 H5N1 禽流感继续在美国蔓延，对奶牛场和家禽养殖场构成严重威胁，养殖户和公共卫生专家都需要更有效的实时方法来监测感染、降低风险和应对疫情。 由于圣路易斯华盛顿大学的研究发表在ACS Sensors的"呼吸传感"特刊上，病毒追踪器现在有了检测H5N1气溶胶粒子的方法。
为了开发禽流感传感器，华盛顿大学麦凯威工程学院能源、环境和化学工程教授 Rajan Chakrabarty 实验室的研究人员利用电化学电容式生物传感器提高了病毒和细菌检测的速度和灵敏度。
他们的工作恰逢其时，因为在过去的一年里，禽流感病毒通过空气中的微粒向包括人类在内的哺乳动物进行了危险的传播。 事实证明，这种病毒对猫是致命的，而且至少有一例人类死于H5N1。
查克拉巴蒂在谈到用于检测空气传播的病毒和细菌颗粒的技术时说："这种生物传感器是同类产品中的首创。 科学家们以前不得不使用聚合酶链反应DNA工具等较慢的检测方法。"
查克拉巴蒂指出，传统的检测方法可能需要 10 多个小时，"时间太长，无法阻止疫情爆发"。而新型生物传感器可在 5 分钟内展开工作，保存微生物样本供进一步分析，并提供在农场检测到的病原体浓度水平范围。 查克拉巴蒂说，这样就可以立即采取行动。
预防病毒爆发，时间至关重要。 实验室开始这项研究时，H5N1 病毒只能通过与受感染的鸟类接触传播。
(顺时针方向）共同作者 Joseph Puthuserry、Yuezhi August Li、Joshin Kumar、Shu-Wen You 和 Rajan Chakrabarty 教授站在他们开发的集成 H5N1 采样传感装置旁。 图片来源：AIR 实验室提供
美国通过美国农业部动植物卫生检验局（APHIS）跟踪动物健康和农场病原体的爆发情况，该局上一次报告称，在过去的 30 天里，四个州至少新增了 35 例 H5N1 乳牛病例，其中大部分在加利福尼亚州。
如果农民怀疑动物患病，他们可以将动物送往国家农业部门实验室进行检测。 但这是一个缓慢的过程，随着 H5N1 病毒在家禽和奶牛场的蔓延，积压的病例可能会进一步延误检测。 缓解方案包括生物安全措施，如隔离动物、消毒设施和设备，以及限制动物接触的保护性控制措施，包括大规模扑杀。 美国农业部最近还颁发了禽流感疫苗的有条件许可，这可能会进一步缓解家禽养殖户急于降低鸡蛋价格的心情。
查克拉巴蒂已经准备好向全世界推出这种生物传感器，他指出，这种传感器便于携带，价格适中，适合大规模生产。
工作原理
综合病原体采样感应装置与台式打印机差不多大小，可放置在农场排放鸡舍或牛舍废气的地方。 该装置是一个跨学科工程奇迹，由一个"湿旋风生物气溶胶采样器"组成，该采样器最初是为SARS-CoV-2 气溶胶采样而开发的。 含有病原体的空气以极快的速度进入采样器，与采样器壁上的液体混合，形成表面涡流，从而捕获病毒气溶胶。 该装置有一个自动泵送系统，每五分钟将采样流体送至生物传感器，以进行无缝病毒检测。
Chakrabarty 的资深科学家 Meng Wu 和研究生 Joshin Kumar 承担了一项艰巨的任务，即优化电化学生物传感器的表面，提高其灵敏度和稳定性，以检测痕量病毒（每立方米空气中的病毒 RNA 份数少于 100 份）。
这种生物传感器使用的"捕获探针"被称为"适配体"（aptamers），这是一种能与病毒蛋白质结合的单链 DNA，能对病毒进行标记。 该团队面临的最大挑战是找到一种方法，让这些适配体与裸碳电极的 2 毫米表面配合使用，以检测病原体。
经过几个月的反复试验，研究小组终于找到了正确的配方，利用氧化石墨烯和普鲁士蓝纳米晶体的组合对碳表面进行改性，从而提高了生物传感器的灵敏度和稳定性。 最后一步是通过交联剂戊二醛将修饰过的电极表面与适配体连接起来，Xu 和 Kumar 说这是将裸碳电极表面功能化以检测 H5N1 的"秘诀"。
他们补充说，该团队的检测技术的一大优势是它是非破坏性的。 在检测出病毒存在后，样本可以储存起来，以便通过 PCR 等传统技术进行进一步分析。
集成病原体采样-传感装置可自动工作，使用它的人不需要具备生物化学方面的专业知识。 它采用价格低廉、易于大规模生产的材料制成。 该生物传感器可提供空气中 H5N1 的浓度范围，并在疾病高峰时实时向操作人员发出警报。 徐说，对浓度水平的了解可作为设施内"威胁"的一般指标，让操作人员知道病原体的平衡是否已达到危险水平。
提供一系列病毒浓度的能力是传感器技术的又一创举。最重要的是，它有可能扩大规模，在一个设备中发现许多其他危险病原体。
查克拉巴蒂说："这种生物传感器对H5N1病毒具有特异性，但也可用于检测其他流感病毒株（如H1N1）和SARS-CoV-2，以及气溶胶阶段的细菌（大肠杆菌和假单胞菌），我们已经展示了我们的生物传感器的这些能力，并在论文中报告了研究结果。"
编译自/scitechdaily
