Absorption résonnante des micro-ondes du SRAS

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 12596 (2022) Citer cet article

1596 accès

2 Citations

5 Altmétrique

Détails des métriques

Les micro-ondes à faible puissance peuvent désactiver efficacement le virus de la grippe de type A grâce à l'effet de transfert d'énergie de résonance de structure non thermique, à une fréquence correspondant à la fréquence du mode dipolaire acoustique confiné du virus. Actuellement, les aérosols sont considérés comme la principale voie de transmission du SRAS-CoV-2. Pour la stérilisation potentielle par micro-ondes, la fréquence de résonance des micro-ondes du SRAS-CoV-2 doit être dévoilée. Nous rapportons ici une étude par spectroscopie d'absorption micro-ondes des virus SARS-CoV-2 et HCoV-229E en concevant un capteur basé sur un guide d'ondes coplanaire. Une absorption notable des micro-ondes peut être observée, tandis que nous avons identifié les fréquences de résonance des 1er et 2ème modes dipolaires du virus SARS-CoV-2 à 4 et 7,5 GHz respectivement. Nous avons en outre constaté que les fréquences de résonance sont invariantes au titre du virus, et nous avons également étudié l'absorption par micro-ondes de HCoV-229E dans un milieu à faible acidité pour simuler la valeur de pH commune dans la sécrétion de liquide. Nos résultats suggèrent la fréquence de rayonnement possible pour les dispositifs de stérilisation par micro-ondes récemment proposés pour inactiver le virus SARS-CoV-2 par un mécanisme non thermique afin de contrôler la transmission de la maladie dans l'ère post-pandémique.

Largement considérée comme la voie principale, la transmission aérienne du SRAS-CoV-2 est rendue possible parce que les particules d'aérosol sont suffisamment petites pour flotter dans l'air1. Dans les circonstances actuelles où la nouvelle variante préoccupante, telle que la variante Omicron (B.1.1.529)2, peut être résistante aux vaccins, le contrôle de la pandémie nécessite une fois de plus des actions de base telles que le maintien d'une distance physique, le port de masques appropriés, la main régulière lavage et stérilisation3. Généralement, les processus de stérilisation chimiques et physiques sont limités par la couverture spatiale et la pénétration, et ils causent également des dommages aux humains et aux animaux. Par conséquent, afin de réduire le risque d'infection dans divers scénarios sans masque facial à l'ère post-pandémique, une méthode de stérilisation ininterrompue et sûre avec une excellente capacité de pénétration pour stériliser les espaces libres est nécessaire de toute urgence.

Les interactions des ondes électromagnétiques avec les matériaux impliquent généralement un transfert d'énergie. Des études antérieures ont démontré que les micro-ondes peuvent faire résonner des virus à géométrie simple par l'effet de transfert d'énergie par résonance de structure (SRET), à une fréquence correspondant à sa fréquence de mode dipolaire acoustique confiné4,5,6,7,8,9. Une étude récente a en outre révélé que les micro-ondes de 8,4 GHz avec une densité de puissance de 810 W/m2 peuvent efficacement rompre la membrane du virus de la grippe A grâce à l'effet SRET, obtenant ainsi une réduction d'au moins 3 log du virus actif en moins de 15 minutes6. Il a été rapporté que les virions du SARS-CoV-2 restent stables et infectieux en aérosol jusqu'à 3 heures10 ; par conséquent, des micro-ondes avec des fréquences spécifiques pourraient potentiellement être utilisées pour inactiver le SRAS-CoV-2 sous des densités de puissance micro-ondes raisonnables et sans danger pour le corps humain. Divers dispositifs et méthodologies ont été conçus et proposés afin d'inspecter l'efficacité d'inactivation du SRAS-CoV-211,12,13,14, mais les fréquences de résonance correctes sont restées inconnues. Compte tenu de la stérilisation par micro-ondes dans les espaces publics, les fréquences micro-ondes qui résonneraient avec les systèmes biologiques doivent être évitées et l'exposition aux micro-ondes doit suivre les normes de sécurité IEEE. Il est donc hautement souhaitable que les fréquences de résonance du SRAS-CoV-2 puissent être déterminées en évaluant quantitativement les spectres d'absorption par résonance micro-onde (MRA).

Dans ce rapport, une absorption micro-ondes significative par le virus SARS-CoV-2 a été observée aux fréquences de résonance micro-ondes correspondantes. Nous avons identifié deux fréquences de résonance, 4 et 7,5 GHz, sur les spectres de perte d'insertion normalisée (IL) avec une amplitude allant jusqu'à 32 % de la fréquence de résonance fondamentale, ce qui est proportionnel à celui précédemment rapporté pour les densités plus élevées du virus de la grippe A H3N26. Nos résultats ont révélé un mécanisme hautement couplé, dans lequel l'énergie du champ électrique micro-ondes provoque une résonance structurelle virale du SRAS-CoV-2 ; tandis que la largeur de bande de la fréquence MRA coïncidait également avec l'inhomogénéité de taille du virus. Nous avons également étudié les effets du titre viral et de l'acidité moyenne à l'aide du virus corona humain 229E (HCoV-229E).

Théoriquement, pour le virus corona de forme sphérique, les deux premières fréquences d'absorption correspondent aux modes dipolaires de résonance structurelle des harmoniques sphériques sont déterminées par son élasticité et son rayon. Pour mesurer les fréquences, nous avons d'abord conçu un dispositif de détection de virions utilisant un guide d'ondes coplanaire (CPW) recouvert d'un masque monocouche auto-assemblé hydrophobe de nano-épaisseur (voir Fig. 1 et section "Méthodes"). Les fréquences de mode dipolaire et l'efficacité d'absorption du SRAS-CoV-2 ont ensuite été caractérisées avec succès en calculant la perte d'insertion normalisée suite à la mesure via un analyseur de réseau vectoriel micro-ondes. Les virions du SRAS-CoV-2 ont d'abord été isolés, stockés et dilués dans le milieu Eagle modifié de Dulbecco (pH 7 ~ 7,4) à une série de titres de virus de 107, 106 et 105 PFU/mL. L'illustration schématique des modes de résonance viraux et les résultats des spectres IL micro-ondes normalisés pour différents titres de virus sont présentés sur les figures 2A et B, respectivement.

(A) Schéma montrant la section transversale du guide d'ondes coplanaire. (B) Schéma montrant la conception du CPW avec masque monocouche auto-assemblé sur le dessus pour exposer l'écart et la ligne de signal. (C) CPW avec masque SAM hydrophobe avant de se connecter au VNA. (D) Système de mesure de l'absorption des micro-ondes mis en place dans une enceinte de sécurité biologique au laboratoire BSL-2. (E) Gouttelette de milieu DMEM de 40 µL avec coronavirus confiné à l'intérieur du masque SAM.

Le processus de résonance du SARS-CoV-2 et ses spectres d'absorption micro-ondes pour différentes concentrations par rapport au HCoV-229E dans différentes conditions expérimentales. (A) Schéma illustrant le déplacement de deux modes dipolaires de la particule sphérique, de moment cinétique l = 1 et de nombres quantiques n = 0 ou 1, entraînés par le champ électrique généré par la micro-onde. Les flèches bleues et vertes représentent respectivement les déplacements des coques et du noyau. Du point de vue du problème à deux corps, pour le mode de vibration de n = 0, le mouvement du virion est comme un cylindre intérieur et un anneau extérieur qui se déplacent dans des directions opposées. Pour l'autre mode de vibration de n = 1, le mouvement se comporte comme un noyau et une coque qui se déplacent dans des directions opposées. (B) Perte d'insertion normalisée pour différentes concentrations de SARS-CoV-2 (107 PFU/mL, ligne de couleur noire ; 106 PFU/mL, ligne de couleur violette ; et 105 PFU/mL, ligne de couleur bleue) purifiés dans du DMEM . Chaque spectre de la figure représente une mesure de l'IL normalisé. (C) La perte d'insertion normalisée de SARS-CoV-2 (ligne de couleur noire) et HCoV-229E (ligne de couleur verte) avec la même concentration virale (107 PFU/mL) et purifiée dans le même milieu DMEM (pH 7,4 ). L'ensemble de données de SARS-CoV-2 dans cette parcelle est le même que (B) pour la comparaison. (D) La perte d'insertion normalisée de HCoV-229E dans du DMEM avec différents niveaux d'acidité. (ligne verte : pH 7, 107 PFU/mL ; ligne rouge : pH 6, 0,9 × 107 PFU/mL) L'ensemble de données de HCoV-229E en milieu neutre dans cette parcelle est le même que (C) pour le comparaison.

Sur la figure 2B, le premier pic d'absorption peut être observé à 4 GHz avec une valeur IL normalisée supérieure à 32 % et une bande passante pleine largeur à mi-hauteur (FWHM) d'environ 1 GHz pour une concentration virale de 107 PFU/mL. L'incertitude de notre fréquence mesurée du pic d'absorption est négligeable (voir la section Quantification et analyse dans la méthode). Par conséquent, tous les résultats des spectres de la Fig. 2B – D ont été calculés à partir d'une seule mesure pour les groupes témoin et expérimental. Les diamètres des virions du SARS-CoV-2 vont de 90 à 110 nm15 et la fréquence de résonance est inversement proportionnelle au diamètre des virions, ce qui se traduit par une bande passante assez large. Pour un titre viral inférieur, bien que le pic de fréquence de résonance et la bande passante soient indépendants du titre, la valeur IL normalisée n'était pas linéaire par rapport à la concentration virale. Pour un titre viral de 105 PFU/mL comparé à 107 PFU/mL, la valeur du pic d'absorption n'a diminué qu'à 25 % (l'absorption diminue de 32 à 8 %). Ce phénomène peut être attribué à la distribution spatiale non homogène des virions dans le milieu au-dessus de la zone de détection du CPW. L'interaction des micro-ondes avec l'environnement adjacent dépend du champ électrique étendu ; par conséquent, la sensibilité est plus élevée pour les virions plus proches de l'écart à côté de la ligne de signal. Il en résulte un signal toujours fort des virions qui se concentrent au fond du milieu.

Nous avons également observé un deuxième pic MRA à 7,5 GHz, qui est presque deux fois plus élevé que la première fréquence de résonance avec une bande passante d'environ 1,5 à 2 GHz. Dans notre étude précédente, nous avons expliqué le mécanisme dans lequel le déplacement noyau-coque induit par le champ électrique entraîne une résonance structurelle des modes dipolaires des harmoniques sphériques (SPH)4,5,6. Par conséquent, le premier pic MRA à 4 GHz représente le mode dipolaire fondamental [SPH, l = 1, n = 0] (Fig. 2A, en haut) et le deuxième pic MRA à 7,5 GHz représente le mode dipolaire supérieur [SPH, l = 1, n = 1] (Fig. 2A, en bas). Ici, l et n désignent respectivement le numéro d'ordre angulaire et le numéro d'harmonique. Selon la théorie de Lamb, seuls les modes sphériques avec l = 1 peuvent induire un couplage dipolaire avec les ondes électromagnétiques. La règle de sélection nous indique que les modes de vibration sont actifs dans l'infrarouge uniquement lorsque le moment dipolaire change au cours du processus de vibration. Par conséquent, le mode respiratoire fondamental (l = 0) ne peut pas être induit par micro-ondes, et les pics d'absorption correspondants n'ont pas pu être mesurés16.

Nous avons évalué les spectres des virions HCoV-229E pour les mêmes conditions de milieu que le SARS-CoV-2, et les deux milieux sont neutres avec des valeurs de pH de 7 à 7,4 (Fig. 2C). Pour le titre de virus de 107 PFU/mL, le spectre de HCoV-229E (ligne verte sur la figure 2C) présentait également deux pics liés au mode dipolaire sur la figure. La première fréquence de résonance en mode dipolaire s'est déplacée vers une fréquence plus élevée de 4,2 GHz que celle du SARS-CoV-2 avec une valeur IL normalisée d'environ 19 % ; la deuxième fréquence de résonance est restée à 7,5 GHz. Ce résultat confirme que la masse, la taille et la composition des virions sont légèrement différentes pour les deux virus, même s'ils appartiennent à la même sous-famille sous l'ordre des Nidovirales.

Nous avons ensuite évalué les spectres des virions HCoV-229E en milieu acide faible avec un titre viral proche de l'échantillon neutre précédent (Fig. 2D). Il est à noter que la plage de pH normale pour la salive est de 6,2 à 7,6 avec une valeur moyenne de 6,717. Considérant largement la muqueuse respiratoire, telle que nasale, trachéale ou bronchique, la sécrétion serait acide faible avec des valeurs de pH de 6 à 718. Afin d'étudier plus avant les effets des niveaux d'acidité sur la fréquence de résonance induite par SRET, nous avons modifié le niveau de pH en ajoutant une solution de KH2PO4 à la solution virale sans provoquer de changement notable du titre de virus d'origine (107 PFU/mL). La solution virale nouvellement obtenue à comparer avec la solution neutre avait un niveau de pH et un titre viral de 6 et 0,9 × 107 PFU/mL, respectivement. Le spectre IL normalisé pour l'échantillon a été représenté sur la figure 2D. Le mode dipolaire du 1er ordre reste inchangé sauf que l'efficacité d'absorption a diminué de 19 à 5 % sous un titre de virus similaire. En comparant la fréquence du mode de résonance dipolaire du 2e ordre, un décalage a été observé de 7,6 à 7,8 GHz. Cette variation de l'efficacité d'absorption peut s'expliquer par le potentiel zêta provenant des charges de surface des virions et des ions dans le milieu. En règle générale, la diminution du niveau de pH en ajoutant de l'acide augmentera le potentiel zêta19, modifiant ainsi la tendance des virions à floculer. La fréquence inchangée du 1er mode dipolaire indique que les virions sont encore complètement dispersés avec une épaisse couche d'hydratation ou une double couche électrique à la surface. Les virions avaient un potentiel zêta plus élevé à un niveau de pH inférieur causé par l'adsorption d'ions plus positifs sur les surfaces du virion. Cela réduit encore les charges dipolaires effectives de la structure de séparation noyau-enveloppe en raison de l'effet de blindage des charges supplémentaires. Cette diminution de la charge dipolaire diminuerait à son tour les sections efficaces d'absorption des micro-ondes. Le processus SRET dépend principalement de la charge dipolaire et de la force du champ électrique appliqué; par conséquent, les valeurs IL normalisées ont diminué en milieu faiblement acide.

Nous avons défini le facteur de qualité du MRA (QMRA) comme le rapport de la fréquence du pic à la bande passante (ici défini comme le FWHM du pic d'absorption). Pour le premier mode dipolaire (l = 1, n = 0) du SRAS-CoV-2 avec la concentration la plus élevée (107 PFU/mL), le QMRA a été calculé à 4,2. Comme la concentration virale a été réduite à 106 et 105 PFU/mL, les valeurs QMRA ont augmenté à 4,7 et 5, respectivement. Pour le HCoV-229E, la valeur QMRA était de 4,9 pour le premier mode dipolaire pour la même concentration virale (107 PFU/mL) dans le même milieu que celui utilisé pour le SARS-CoV-2 ; cette valeur QMRA a diminué à 4,4 dans les milieux faiblement acides et PBS (voir Fig. 3 supplémentaire). Notre précédente étude sur les virus Influenza A et Perina nuda (PnV)5 a discuté de l'effet d'élargissement de l'EQRM causé par la distribution de taille et l'effet d'amortissement visqueux de l'eau. La recherche sur la distribution de taille du SARS-CoV et du SARS-CoV-2 à l'aide de la microscopie électronique à transmission15 a déterminé que le diamètre moyen du SARS-CoV-2 était de 100 nm avec une variation de taille de ± 10 %. Le facteur de qualité correspondant serait d'environ 5, ce qui corrobore nos résultats avec toutes les valeurs QMRA rapportées inférieures à 5. D'après la simulation théorique sur des nanoparticules de polyméthylméthacrylate (PMMA) pour imiter les propriétés mécaniques des virions, une eau visqueuse pourrait fortement amortir les vibrations et diminuer le facteur de qualité du premier mode dipolaire jusqu'à 3 ~ 5. Les deux facteurs susmentionnés contribuent presque également à l'élargissement du pic d'absorption, résultant en un QMRA compris entre 4 et 5.

Les comparaisons globales des spectres IL micro-ondes normalisés de la grippe A et du SRAS-CoV-2 ont révélé que la fréquence du premier mode dipolaire a diminué de 8,2 à 4 GHz, tandis que la valeur IL normalisée est passée de 23 à 32 %. Pour une stérilisation sûre grâce à la rupture de l'enveloppe du virion, une fréquence de fonctionnement plus faible entraîne une perte plus faible en aérosol compte tenu de la perte diélectrique d'eau. De plus, une efficacité d'absorption plus élevée suggère que l'inhibition du SRAS-CoV-2 pourrait être obtenue à une densité de puissance micro-ondes sans danger pour le corps humain.

En résumé, en mesurant les spectres de perte d'insertion normalisés, les fréquences de résonance micro-ondes du SRAS-CoV-2 et du HCoV-229E ont été identifiées avec succès. Premièrement, pour la concentration virale la plus faible, le nombre minimum de virions infectieux du SRAS-CoV-2 a été déterminé à 4000, et des pics d'ARM significatifs peuvent être identifiés avec notre système. Deuxièmement, le titre viral, le milieu et le niveau d'acidité n'ont pas modifié les fréquences de résonance. Enfin, l'identification de ces fréquences de résonance de 4 GHz et 7,5 GHz et l'efficacité d'absorption des micro-ondes relativement élevée augmentent notre confiance dans la réalisation potentielle d'une stérilisation du SRAS-CoV-2 et d'un contrôle de la transmission du COVID-19 à l'aide de micro-ondes à haute pénétration dans l'espace libre avec un niveau de puissance sans danger pour le grand public.

La lignée cellulaire et le virus SARS-CoV-2 ont été préparés dans un laboratoire de niveau de sécurité biologique 3 (BSL-3) de l'hôpital universitaire national de Taiwan. Pour la lignée cellulaire, les cellules Vero E6 ont été achetées auprès de l'American Type Culture Collection (ATCC) (Manassas, VA, USA) et ont été cultivées dans le milieu d'Eagle modifié de Dulbecco (DMEM) contenant 10 % de sérum bovin fœtal (FBS) (Life Technologies), 1% antibiotique. Les cellules ont été cultivées à 37°C avec 5% de CO2. Les virus SARS-CoV-2/NTU03/TWN/human/2020 (Accession ID EPI_ISL_413592) ont été isolés à partir d'un prélèvement de gorge de patient infecté par le SARS-CoV-2 et propagés dans des cellules Vero E6 dans du DMEM additionné de 2 μg/ml de tosylsulfonyl phénylalantyl chlorométhylcétone (TPCK)-trypsine (Sigma-Aldrich), et stocké à - 80 ° C jusqu'à une étude plus approfondie. Les titres de virus ont été déterminés par dosage sur plaque pour une analyse ultérieure. Les expériences ont été réalisées conformément aux directives et réglementations locales pertinentes. Les protocoles expérimentaux ont été approuvés par le comité d'éthique de la recherche NTUH (202002002RIND par le Dr Jann-Tay Wang), et le consentement éclairé a été obtenu de tous les participants. Pour HCoV-229E, la lignée cellulaire et le virus ont été préparés dans un laboratoire BSL-2 de l'Université Chang Gung, à Taiwan. Pour la lignée cellulaire, des cellules HuH7 (American Type Culture Collection, Manassas, VA, USA) ont été cultivées dans du milieu d'Eagle modifié de Dulbecco (DMEM) contenant 10 % de sérum bovin fœtal (FBS), 1 % de solution antibiotique/antimycotique et 1 % de l -glutamine (Gibco, Grand Island, NY, USA). Les cellules ont été cultivées à 37°C avec 5% de CO2. Les virus HCoV-229E ont été isolés de l'hôpital Chang Gung Memorial et propagés dans des cellules HuH7, maintenus dans du DMEM avec 2% de FBS et stockés à - 80 ° C jusqu'à une étude plus approfondie.

Nous avons maintenu le titre viral dans le DMEM à près de 107 PFU/mL et modifié le niveau de pH en ajoutant une petite quantité de solution de KH2PO4 à 1 % à la solution virale. La solution de KH2PO4 à 1 % a d'abord été préparée en mélangeant 1 g de poudre de KH2PO4 dans 100 ml d'eau déionisée avec un pH final de 4,52, mesuré à l'aide d'un pH-mètre. Après une dilution 100 × du KH2PO4 à 1 %, le niveau de pH a atteint 5,17. Enfin, 20 µL de la solution de KH2PO4 avec un pH de 5,17 ont été ajoutés à 180 µL de la solution virale avec un pH de 7 et une concentration de 107 PFU/mL. La solution virale nouvellement obtenue avait un niveau de pH et une concentration de 6 et 0,9 × 107 PFU/mL, respectivement. Tous les processus ont été menés dans un laboratoire BSL-2 de l'Université Chang Gung, à Taiwan.

Afin de réaliser la fréquence de résonance à laquelle un transfert d'énergie élevé a eu lieu, nous devons balayer la plage de fréquences micro-ondes raisonnable pour trouver la baisse de perte d'énergie sur le spectre. D'après nos travaux précédents, en considérant le processus de résonance que le noyau-coquille oscille dans les directions opposées, nous pouvons estimer que la fréquence de résonance devrait être inférieure à 8 GHz puisque la masse réduite20 du problème à deux corps est plus grande que le virus de la grippe A. Nous pouvons prédire que s'il existe un mode de résonance d'ordre supérieur, nous devrions pouvoir le trouver dans les 16 GHz. Par conséquent, nous concevons d'abord une ligne de transmission utilisant CPW comme un réseau à deux ports dont le signal EM micro-ondes est capable d'interagir avec l'environnement (c'est-à-dire le milieu contenant le SARS-CoV-2), et les propriétés du réseau comme la transmission, la réflectance, et la perte d'insertion (IL) peut être mesurée par un analyseur de réseau vectoriel à deux ports.

CPW est un guide d'ondes de base bien connu pour les applications micro-ondes qui comporte la ligne de signal coplanaire et deux plans de masse, qui sont synthétisés symétriquement au-dessus du substrat. Le but du masque SAM est d'améliorer la répétabilité de la transmission micro-onde couplée au milieu contenant des particules de SARS-CoV-2 en fixant la zone d'interaction. Pour fabriquer un CPW, nous choisissons une carte PCB avec un film de cuivre de 100 um recouvert sur le dessus comme substrat. La permittivité \({\varepsilon }_{PCB}\) du PCB est de 4,2. Nous avons gravé le film de cuivre pour former les deux espaces entre la ligne de signal et les deux masses à l'aide de résine photosensible. Voir la figure 1A, la largeur de la ligne de signal et l'espace sont respectivement de 2,1 mm et 0,55 mm, de sorte que l'impédance d'entrée des deux extrémités est de 50 ohms. La longueur entre les deux extrémités du CPW est de 2,5 cm et deux connecteurs SMA ont été soudés aux deux extrémités.

Étant donné que les échantillons testés dans cette étude sont cultivés et purifiés dans le milieu d'Eagle modifié de Dulbecco (DMEM) et le milieu salin tamponné au phosphate (PBS), qui sont tous deux liquides aqueux, la zone de contact sur le CPW est difficile à garder identique pour l'expérimentation et le contrôle. groupe. De plus, la modification de la zone de contact entraînera également la modification des paramètres S. Par conséquent, nous appliquons une méthode simple mais utile pour confiner l'échantillon liquide afin de maintenir le volume de détection identique pour chaque mesure. Nous utilisons la méthode de revêtement par pulvérisation pour appliquer une monocouche nanométrique hydrophobe auto-assemblée à l'aide de MSG-022 avec un angle de contact supérieur à 110 ° (acheté auprès de Giant Nano Technology Co., Ltd.). La monocouche auto-assemblée (SAM) est conçue pour être creuse au centre afin que la ligne de bande et les lacunes soient toutes deux exposées à l'environnement (Fig. 1B). Nous utilisons d'abord un cube en caoutchouc de forme plate et carrée pour couvrir la zone de détection avec CPW en dessous. SAM est synthétisé sur la zone à l'extérieur du cube en caoutchouc afin de créer une zone carrée (5 mm × 5 mm) avec moins d'hydrophobicité. Tout autre type de matériaux SAM avec une chaîne fluorocarbonée ou une chaîne hydrocarbonée comme l'octadécyltrichlorosilane fonctionnera également. Le liquide aqueux plongé à l'intérieur de la zone carrée sera confiné et la frontière du liquide aqueux est donc bien définie par le SAM (Fig. 1E). L'épaisseur du film SAM est inférieure à 10 nm avec une constante diélectrique inférieure à 1,4 et le film est également non conducteur. Le SAM avec une constante diélectrique semblable à l'air apporte un changement négligeable à l'impédance du CPW de sorte que les propriétés du réseau à 2 ports restent presque les mêmes après le traitement SAM. La synthèse en une seule étape du SAM de nano-épaisseur par pulvérisation ou spin-coating facilite sa production. Étant donné que le processus de détection nécessite un groupe de contrôle, la zone bien définie du liquide aqueux apporte la répétabilité fiable du spectre mesuré.

Après la fabrication du dispositif de détection CPW, nous avons utilisé MS2028C, VNA portable Anritsu avec une bande passante de fréquence de 5 kHz à 20 GHz et une plage dynamique supérieure à 85 dB pour mesurer les paramètres S à 2 ports de CPW avec masque SAM afin de nous assurer que le paramètre S21 est proche de 0 dB pour une bonne alimentation. Plus tard, l'appareil CPW et le VNA ont été déplacés dans les laboratoires BSL-2 et BSL-3 et calibrés à l'aide des kits d'étalonnage VNA 50 Ohm pour les expériences suivantes de HCoV-229E et SARS-CoV-2 respectivement. Pour un périphérique réseau à 2 ports, la matrice des paramètres S peut être utilisée pour décrire la transmission (S12 et S21) et la réflexion (S11 et S22). En dehors de cela, l'énergie du signal a soit un gain, soit une perte à l'intérieur de l'appareil. Pour une ligne de transmission, l'énergie de l'onde EM est progressivement perdue lors de la propagation, et elle est généralement appelée perte d'insertion (IL). La relation entre les paramètres S et IL peut être écrite comme \({\left|{S}_{11}\right|}^{2}+{\left|{S}_{21}\right|}^ {2}+IL=1\). Lorsqu'un milieu est en contact avec le CPW, le milieu a provoqué un changement de permittivité dans la ligne de transmission et non seulement les paramètres S sont affectés, mais l'IL est également augmenté s'il existe un mécanisme de transfert d'énergie dans le milieu. Avec un volume fixe du milieu sur CPW et une zone d'interaction bien définie, la petite quantité de particules en suspension n'entraînerait pas de changement évident de l'IL. Cependant, si les particules fournissent une voie de transfert d'énergie, alors l'IL serait affecté. Pour déterminer la bande passante de nos résultats, comme nous pouvons le voir dans la Fig. 1 supplémentaire, une différence évidente peut être observée dans les spectres d'atténuation des micro-ondes dans les 10 GHz en comparant les deux cas, qui sont avec virus (ligne fine verte) et sans virus. (trait fin rouge). Étant donné que le support lui-même contribuerait à une perte d'insertion plutôt élevée (> 90%) à la ligne de transmission CPW à haute fréquence (10 GHz à 20 GHz), le bruit serait amplifié lors du calcul de l'IL normalisé. Par conséquent, nous ne considérons que la bande passante de 0,2 GHz à 10 GHz qui a un meilleur SNR. Dans la mesure du SRAS-CoV-2, en raison de la difficulté d'obtenir un étalonnage parfait du VNA dans le laboratoire BSL-3, la somme de \({\left|{S}_{11}\right|}^{2} \) et \({\left|{S}_{21}\right|}^{2}\) est légèrement supérieur à 1, ce qui entraîne un gain dans ce système à 2 ports. Par conséquent, nous avons dû omettre les composants dont la fréquence est inférieure à 1,1 GHz.

Tout d'abord, l'analyseur de réseau vectoriel a été connecté à deux lignes de signal à bande passante haute fréquence (DC ~ 18 GHz) avec des connecteurs SMA et calibré par un kit de calibrage. Après étalonnage, le dispositif de détection CPW a été monté à l'aide d'un montage PCB dans l'enceinte de biosécurité et connecté aux lignes de signal (Fig. 1D). Après mise en place du système, nous avons préparé deux échantillons qui sont le milieu et le même milieu avec des virions. Pour chaque mesure formelle, le volume total d'échantillon versé sur la zone de détection carrée a été fixé à 40 µL, garantissant qu'au moins 4000 virions infectieux étaient présents dans l'échantillon de titre viral le plus bas (105 PFU/mL). Dans le processus d'acquisition des spectres IL normalisés du coronavirus, nous devons passer par deux mesures distinctes sur le même appareil de détection CPW. Le premier, qui sert de groupe témoin, est la quantité fixe de milieu sans aucun coronavirus. Le second, qui sert de groupe expérimental, est la même quantité de milieu identique que le groupe témoin mais avec un coronavirus purifié et en suspension à l'intérieur. Tout d'abord, utilisez une pipette pour déposer le milieu de 40 µL sur la zone carrée de détection et mesurer les paramètres S complets à 2 ports. Une fois les données acquises, retirez le support à l'aide de la pipette et assurez-vous que la zone de détection est propre et sèche. Enfin, faites la même mesure en utilisant le milieu avec des virions. Ces deux données distinctes peuvent ensuite être utilisées pour calculer le spectre de perte d'insertion normalisé. Tous les processus ont été menés dans un laboratoire BSL-3 et un laboratoire BSL-2 pour les mesures des paramètres S du SARS-CoV-2 et du HCoV-229E respectivement.

Si les paramètres S complets à 2 ports de deux groupes peuvent être mesurés, avec la configuration du système et la géométrie des échantillons maintenues identiques pour deux mesures, les spectres d'atténuation des micro-ondes \(A\left(f\right)\) peuvent être calculés comme \( {\left|{S}_{11}\right|}^{2}+{\left|{S}_{21}\right|}^{2}=1-IL\). Enfin, l'IL normalisé du coronavirus peut être calculé par la relation suivante, où « v + b » et « b » représentent le « virus + fond moyen » et le « fond moyen » :

Pour les groupes contrôle et expérimental, deux spectres de paramètres S ont été mesurés individuellement, et nous pouvons ainsi acquérir 4 spectres IL normalisés par comparaison croisée. Nous calculons statistiquement l'erreur type de la moyenne des fréquences centrales de résonance et l'incertitude de nos résultats est de plusieurs dizaines de MHz. Étant donné que la légère variation de nos mesures peut être négligeable par rapport à la fréquence et à la bande passante du mode dipolaire gigahertz, nous avons montré l'IL normalisé par un seul résultat de mesure. Nos paramètres S mesurés et nos spectres IL normalisés ont une résolution de fréquence de 0, 05 GHz et un filtre Savitzky – Golay avec une taille de fenêtre de 20 points de données a été appliqué pour lisser les lignes du graphique.

Tout le code original et les données brutes pour le calcul des chiffres de l'article ont été déposés sur Google Cloud Space et sont accessibles au public à compter de la date de publication. (https://drive.google.com/drive/folders/1BWKOz_TvoZngHrRvkA49JSUsZ1FGoUIZ?usp=sharing).

Rosti, ME, Olivieri, S., Cavaiola, M., Seminara, A. & Mazzino, A. La dynamique des fluides de l'infection par voie aérienne COVID-19 suggère des données urgentes pour une conception scientifique de la distanciation sociale. Sci. Rep. 10, 22426. https://doi.org/10.1038/s41598-020-80078-7 (2020).

Article ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Classification d'Omicron (B.1.1.529) : variante préoccupante du SRAS-CoV-2. 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. Analyse quantitative des performances des masques respiratoires utilisant des aérosols atmosphériques et générés en laboratoire suivis d'une stérilisation gamma. Aérosol Air Qual. Rés. 21, 200349. https://doi.org/10.4209/aaqr.2020.06.0349 (2021).

Article Google Scholar

Liu, T.-M. et coll. Absorption résonnante micro-ondes des virus par couplage dipolaire avec des vibrations acoustiques confinées. Appl. Phys. Lett. 94, 043902. https://doi.org/10.1063/1.3074371 (2009).

Article ADS CAS Google Scholar

Liu, T.-M. et coll. Effets des niveaux d'hydratation sur la bande passante de l'absorption résonnante micro-ondes induite par des vibrations acoustiques confinées. Appl. Phys. Lett. 95, 173702. https://doi.org/10.1063/1.3254251 (2009).

Article ADS CAS Google Scholar

Yang, S.-C. et coll. Transfert efficace d'énergie de résonance de structure des micro-ondes aux vibrations acoustiques confinées dans les virus. Sci. Rep. 5, 18030. https://doi.org/10.1038/srep18030 (2015).

Article ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Soleil, C.-K. et coll. Couplage dipolaire résonnant de micro-ondes avec des vibrations acoustiques confinées dans un virus en forme de bâtonnet. Sci. Rep. 7, 4611. https://doi.org/10.1038/s41598-017-04089-7 (2017).

Article ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Mukhopadhyay, T. et al. Sondage de la dynamique stochastique des coronavirus : l'apprentissage automatique a permis d'obtenir des informations informatiques approfondies avec des dimensions exploitables. Adv. Théor. Simul. 4, 2000291. https://doi.org/10.1002/adts.202000291 (2021).

Article CAS Google Scholar

Srivastava, Y. et al. Signatures non chimiques des matériaux biologiques : Signaux radio du Covid19 ?. Électromagn. Biol. Méd. 39, 340–346. https://doi.org/10.1080/15368378.2020.1803081 (2020).

Article PubMed Google Scholar

van Doremalen, N. et al. Stabilité des aérosols et de la surface du SARS-CoV-2 par rapport au SARS-CoV-1. N. Engl. J. Med. 382, 1564-1567. https://doi.org/10.1056/NEJMc2004973 (2020).

Article PubMed Google Scholar

Thaper, R. & Fagen, B. Désactivation du coronavirus-2 du syndrome respiratoire aigu sévère avec fréquence de résonance. Courant. Méd. Rés. Pratique. 11, 156-158. https://doi.org/10.4103/cmrp.cmrp_6_20 (2021).

Article Google Scholar

Calabrò, E. & Magazù, S. Inactivation des virus induite par un rayonnement électromagnétique à des fréquences de résonance : application possible sur le SRAS-CoV-2. Monde J. Environ. Biosci. 10, 1–4. https://doi.org/10.51847/8ZX9C21OTS (2021).

Article Google Scholar

Kossenas, K. et al. Une méthodologie de stérilisation par micro-ondes à distance applicable au coronavirus et à d'autres agents pathogènes à l'aide de réseaux d'antennes rétrodirectives. IEEE J. Electromagn. Micro-ondes RF. Méd. Biol. 6, 41–51. https://doi.org/10.1109/jerm.2021.3077110 (2021).

Article Google Scholar

Hoff, BW et al. Appareil pour l'exposition contrôlée aux micro-ondes d'agents pathogènes en aérosol. Rev. Sci. Instrument. 92, 014707. https://doi.org/10.1063/5.0032823 (2021).

Article ADS CAS PubMed Google Scholar

Laue, M. et al. Morphométrie des particules de SRAS-CoV et de SRAS-CoV-2 dans des coupes en plastique ultrafines de cultures de cellules Vero infectées. Sci. Rep. 11, 3515. https://doi.org/10.1038/s41598-021-82852-7 (2021).

Article ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Murray, D. et al. Absorption dans l'infrarouge lointain par des phonons acoustiques dans des nanopoudres de dioxyde de titane. J. Nanoélectron. Optoélectron. 1, 92–98. https://doi.org/10.1166/jno.2006.010 (2006).

Article Google Scholar

Baliga, S., Muglikar, S. & Kale, R. pH salivaire : un biomarqueur de diagnostic. J. Indian Soc. Parodontol. 17, 461–465. https://doi.org/10.4103/0972-124X.118317 (2013).

Article PubMed PubMed Central Google Scholar

Fischer, H. & Widdicombe, JH Mécanismes de sécrétion d'acide et de base par l'épithélium des voies respiratoires. J. Membrane Biol. 211, 139-150. https://doi.org/10.1007/s00232-006-0861-0 (2006).

Article CAS Google Scholar

Leong, YK, Ong, BC, Tan, JH, Chandramalar, AVM & Lim, YY Forces de surface résultant de copolymères ioniques adsorbés avec des segments hydrophobes et hydrophiles dans des dispersions colloïdales. J. Rheol. 47, 59–69. https://doi.org/10.1122/1.1530618 (2003).

Article ADS CAS Google Scholar

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

Article PubMed PubMed Central Google Scholar

Télécharger les références

Ce projet est parrainé par le ministère de la Science et de la Technologie, ROC sous MOST 109-2224-E-002-003. Nous sommes reconnaissants du soutien de l'hôpital universitaire national de Taiwan et de l'université Chang Gung. Nous remercions Tzu-Ming Liu pour son aide dans l'élaboration de la théorie des harmoniques sphériques. Nous remercions Yen-Ting Lu pour la conception et la fabrication du guide d'ondes coplanaire. La figure 2A est créée avec BioRender.com.

Institut universitaire de photonique et d'optoélectronique et Département de génie électrique, Université nationale de Taiwan, Taipei, 10617, Taiwan

Peng-Jui Wang & Chi-Kuang Sun

Département des sciences de laboratoire clinique et de la biotechnologie médicale, National Taiwan University College of Medicine, Taipei, 100, Taiwan

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

Centre de recherche sur les infections virales émergentes, Faculté de médecine, Université Chang Gung, Taoyuan, 33302, Taïwan

Sheng-Yu Huang & Shin-Ru Shih

Département de biotechnologie médicale et de sciences de laboratoire, Faculté de médecine, Université Chang Gung, Taoyuan, 33302, Taïwan

Sheng-Yu Huang & Shin-Ru Shih

Département de médecine de laboratoire, Hôpital Linkou Chang Gung Memorial, Taoyuan, 333, Taïwan

Shin Ru Shih

Centre de recherche en phytothérapie chinoise, Université des sciences et technologies de Chang Gung, Taoyuan, 33303, Taïwan

Shin Ru Shih

Centre de recherche sur la sécurité alimentaire et cosmétique, Université des sciences et technologies de Chang Gung, Taoyuan, 33303, Taïwan

Shin Ru Shih

Institut universitaire de technologie de l'industrie de la santé, Collège d'écologie humaine, Université des sciences et technologies de Chang Gung, Taoyuan, 33303, Taïwan

Shin Ru Shih

Département de médecine de laboratoire, Hôpital universitaire national de Taiwan, Taipei, 100, Taiwan

Sui Yuan Chang

Institut supérieur d'ingénierie des communications et Département de génie électrique, Université nationale de Taiwan, Taipei, 10617, Taiwan

Tian-Wei Huang et Yi-Jan Chen

Molecular Imaging Center and Graduate Institute of Biomedical Electronics and Bioinformatics, National Taiwan University, Taipei, 10617, Taiwan

Soleil Chi-Kuang

Vous pouvez également rechercher cet auteur dans PubMed Google Scholar

Conceptualisation : CKS ; Méthodologie : CKS, PJW ; Expérience : YHP, PJW, JTF, SYH ; Analyse : PJW ; Fabrication d'appareils : PJW, TWH ; Acquisition de financement : CKS ; Supervision : CKS, TWH, YJC ; Rédaction—rédaction : PJW, CKS, SYC, SRS ; Rédaction—révision : tous les auteurs.

Correspondance à Chi-Kuang Sun.

Les auteurs C.-K. Sun et P.-J. Wang déclare les intérêts concurrents suivants. Un brevet "Dispositif et méthode de mesure du spectre d'absorption des micro-ondes de particules en suspension dans des solutions liquides" a été déposé pour la demande de brevet aux États-Unis et à Taïwan. Le déposant du brevet est l'Université nationale de Taiwan et les inventeurs sont C.-K. Sun et P.-J. Wang. "CPW avec masque SAM", "Flux expérimental de mesure des paramètres S dans une enceinte de biosécurité" et "Quantification et analyse" dans la section "Méthodes" de cet article sont couverts par la demande de brevet. Les autres auteurs de cet article (dont Y.-H. Pang, S.-Y. Huang, J.-T. Fang, S.-Y. Chang, S.-R. Shih, T.-W. Huang, et Y.-J. Chen) ne sont pas les inventeurs de ce brevet et ne déclarent aucun intérêt concurrent.

Springer Nature reste neutre en ce qui concerne les revendications juridictionnelles dans les cartes publiées et les affiliations institutionnelles.

Libre accès Cet article est sous licence Creative Commons Attribution 4.0 International, qui permet l'utilisation, le partage, l'adaptation, la distribution et la reproduction sur n'importe quel support ou format, à condition que vous accordiez le crédit approprié à l'auteur ou aux auteurs originaux et à la source, fournir un lien vers la licence Creative Commons et indiquer si des modifications ont été apportées. Les images ou tout autre matériel de tiers dans cet article sont inclus dans la licence Creative Commons de l'article, sauf indication contraire dans une ligne de crédit au matériel. Si le matériel n'est pas inclus dans la licence Creative Commons de l'article et que votre utilisation prévue n'est pas autorisée par la réglementation légale ou dépasse l'utilisation autorisée, vous devrez obtenir l'autorisation directement du détenteur des droits d'auteur. Pour voir une copie de cette licence, visitez http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Réimpressions et autorisations

Wang, PJ., Pang, YH., Huang, SY. et coll. Absorption par résonance micro-ondes des virus SARS-CoV-2. Sci Rep 12, 12596 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-16845-5

Télécharger la citation

Reçu : 20 décembre 2021

Accepté : 18 juillet 2022

Publié: 22 juillet 2022

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

Toute personne avec qui vous partagez le lien suivant pourra lire ce contenu :

Désolé, aucun lien partageable n'est actuellement disponible pour cet article.

Fourni par l'initiative de partage de contenu Springer Nature SharedIt

Rapports scientifiques (2023)

Journal de virologie (2022)

En soumettant un commentaire, vous acceptez de respecter nos conditions d'utilisation et nos directives communautaires. Si vous trouvez quelque chose d'abusif ou qui ne respecte pas nos conditions ou directives, veuillez le signaler comme inapproprié.

Nouvelles