ViPER：一种用于检测SARS-CoV-2的可视化双极电化学生物传感器

引言

近年来，全球疫情如COVID-19和登革热的爆发，凸显了快速适应新病原体检测方法的重要性。传统的核酸检测方法虽然精确，但往往需要复杂的设备和较长的时间。因此，开发一种高效、便携且灵敏度高的新型生物传感器成为迫切需求。本文将介绍一种基于恒温添加通用标签的可视化双极电化学生物传感器（ViPER），该传感器在检测SARS-CoV-2方面展现了巨大的潜力。

正文

1. ViPER的工作原理

ViPER利用了恒温引物交换反应（PER）和双极电化学发光（ECL）技术，通过在目标RNA上添加通用标签，实现了对SARS-CoV-2基因组RNA的高灵敏度检测。具体来说，PER是一种恒温扩增技术，能够在不改变温度的情况下延长启动子DNA，并在其末端添加用户定义的单链DNA尾部。这种技术结合双极电化学（BPE），可以显著提高检测效率和灵敏度。

2. 传感器设计与实验过程

首先，通过鼻咽拭子采集样本并提取病毒RNA。接下来，使用逆转录酶将病毒RNA转化为互补DNA（cDNA）。为了确保cDNA能够进入后续反应，研究人员设计了一种特殊的引物，在其末端添加了一个通用标签。这个标签不仅使得cDNA适合进入下一步反应，还提高了检测的特异性。

随后，带有通用标签的cDNA被应用于集成ECL的双极电化学传感器（BPE-ECL）。当适当的电压施加到驱动电极上时，双极电极的两个极分别发生氧化和还原反应。这些反应的变化取决于cDNA是否与电极表面的探针结合，从而产生不同的发光信号。通过数字相机捕捉这些发光信号，并用ImageJ软件进行分析，最终实现对SARS-CoV-2的定量检测。

3. 性能评估与结果分析

研究表明，ViPER传感器在10⁻⁷到10⁻¹⁷ M的动态范围内表现出线性响应，检测限低至2.31 × 10⁻¹⁷ M。此外，ViPER还能成功区分感染个体和未感染者之间的生物RNA样本。这一性能表明，ViPER在低资源环境中具备极大的应用潜力，尤其是在需要快速诊断的情况下。

为了验证ViPER的有效性，研究人员还进行了多次重复实验，并对比了不同CT值样本的结果。结果显示，对于CT值在20到30之间的样本，ViPER能够显著区分阳性与阴性样本，p值小于0.005。而对于非常低的病毒载量（CT值30以上），ViPER也表现出了较好的区分能力，p值小于0.05。

4. 技术优势与应用场景

相比于传统的实时荧光定量PCR（RT-qPCR），ViPER具有以下优势：

无需复杂仪器：ViPER采用恒温反应，避免了传统PCR所需的热循环仪，降低了设备成本。

操作简便：整个检测过程可以在一个反应体系中完成，减少了操作步骤和时间。

高灵敏度：ViPER的检测限远低于其他类似方法，适用于低拷贝数病毒的检测。

可视化输出：通过数字相机捕捉发光信号，直观展示了检测结果，便于非专业人员理解和操作。

这些特点使得ViPER不仅适用于实验室环境，还可以广泛应用于现场快速筛查、医院急诊等场景。

结论

综上所述，ViPER作为一种创新的可视化双极电化学生物传感器，为SARS-CoV-2的快速、准确检测提供了一种新的解决方案。它不仅克服了传统方法的局限性，还展示了在其他病毒检测领域的广泛应用前景。未来，随着技术的进一步优化，ViPER有望成为应对新兴传染病的重要工具之一。此外，研究人员还计划继续改进ViPER的灵敏度和稳定性，拓展其在更多生物标志物检测中的应用。

参考文献：

Shadman, S. M., Tavakoli-Koopaei, R., Mehrgardi, M. A., & Javadi-Zarnaghi, F. (2025). ViPER: A visual bipolar electrochemical biosensor based on isothermal addition of a universal tag for detection of SARS-CoV-2. Biosensors and Bioelectronics, 275, 117199.

Scheme 1. 用于检测 SARS-CoV-2 基因组的生物传感器工作流程

Fig. 1. 所展示的生物传感器对五个具有相似病毒载量（所有样本的 CT 值均为 19）的不同个体样本的重现性。还展示了相同样本稀释至几个数量级的信号产生情况。

Fig. 2. （A）不同 CT 值样本的 ViPER 反应及其图片。在 A 中，**表示 p 值<0.005，*表示 p 值<0.05。误差棒表示三次重复读数的标准偏差。（B）使用 TaqMan 探针商业试剂盒通过 RT-qPCR 定量的单个样本的病毒载量。每个样本的 CT 值写在旁边。