基于金纳米棒等离子体PCR的空气采样和空气中流感病毒的同时检测

引言

可靠和敏感的病毒检测对于预防空气传播病毒的传播至关重要。PCR是检测空气中病原体最有说服力和有效的诊断技术之一。然而,大多数PCR诊断依赖于需要耗时的Peltier加热块方法的热循环,这是其主要缺点。基于表面等离激元的PCR可以利用等离激元纳米结构的光热效应来解决传统PCR的这一问题。

本研究提出了一种基于静电空气采样和表面等离激元PCR检测系统的快速检测空气传播流感病毒的方法。该方法利用金纳米棒(Au NRs)在PCR溶液中局域表面等离激元共振(LSPR)驱动的光热加热进行快速热循环,并通过原位荧光检测,在12分钟内检测到H₁N₁流感病毒。与商用PCR设备相比,该方法对H₁N₁流感病毒的检出限同样出色。该方法可用于现场对病原体进行快速准确的识别,大大缩短了监测空气中病毒的时间。

动力学循环放大过程:

表面等离激元PCR的关键在于金纳米棒的光热效应。该过程首先通过静电空气采样器收集含有流感病毒颗粒的空气样本,并将其转移至含有金纳米棒的PCR反应液中。然后,采用近红外光照射金纳米棒,利用其LSPR产生的光热效应在不同温度(退火、延伸和去双链)之间快速切换,从而实现高效的DNA扩增。同时,荧光探针与扩增产物结合,发出荧光信号,可实时检测病毒浓度变化。

与以往研究关注在制备的液体样品中检测细菌或病毒不同,本研究首次通过空气采样和表面等离激元PCR检测空气中的病毒。本研究巧妙地利用了金纳米棒,避免了之前研究中需要分离纳米粒子的额外时间。

静电空气采样:

实验采用静电沉积法收集空气中的病毒颗粒,该方法具有高收集效率、低压降和高病毒回收率的优势。将含有高浓度流感病毒(H₁N₁)的溶液雾化,产生气溶胶。然后使用静电采样器将带电的病毒颗粒连续收集到液体中。在10分钟采样期间,扫描迁移粒子谱仪(SMPS)监测了病毒颗粒浓度。采集的液样随后用于表面等离激元PCR检测。

表面等离激元PCR检测:

PCR反应液由提取的病毒RNA、金纳米棒、荧光探针以及其他PCR试剂组成。使用近红外光照射金纳米棒,通过其LSPR产生的光热效应实现快速热循环,同时荧光探针与扩增产物结合发出荧光信号,可实时检测病毒浓度。与商用PCR设备相比,该方法对H₁N₁流感病毒的检出限同样为3 RNA copies/μL液体。

结论

本研究提出了一种基于静电空气采样和表面等离激元PCR检测系统的快速检测空气传播流感病毒的方法。该方法利用金纳米棒的光热效应进行快速热循环,并通过原位荧光检测在12分钟内检测到H₁N₁病毒。与商用PCR设备相比,该方法对H₁N₁流感病毒的检出限同样出色。该方法可用于现场对病原体进行快速准确的识别,大大缩短了监测空气中病毒的时间。未来该技术有望应用于其他呼吸道传染病的快速诊断,为疫情防控提供有力支撑。

参考文献

Nam, K. S.; Piri, A.; Choi, S.; Jung, J.; Hwang, J., Air sampling and simultaneous detection of airborne influenza virus via gold nanorod-based plasmonic PCR. J. Hazard. Mater. 2024, 477, 135180.