Absorción resonante de microondas del SARS

Scientific Reports volumen 12, Número de artículo: 12596 (2022) Citar este artículo

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El microondas de baja potencia puede desactivar eficazmente el virus de la influenza tipo A a través del efecto de transferencia de energía resonante de la estructura no térmica, a una frecuencia que coincide con la frecuencia del modo dipolar acústico confinado del virus. Actualmente, el aerosol se considera la ruta principal para la transmisión del SARS-CoV-2. Para la esterilización potencial basada en microondas, se debe desentrañar la frecuencia resonante de microondas del SARS-CoV-2. Aquí informamos un estudio de espectroscopia de absorción de microondas de los virus SARS-CoV-2 y HCoV-229E mediante el diseño de un sensor basado en guía de onda coplanar. Se puede observar una notable absorción de microondas, mientras que identificamos las frecuencias resonantes del primer y segundo modo dipolar del virus SARS-CoV-2 como 4 y 7,5 GHz respectivamente. Además, encontramos que las frecuencias resonantes son invariantes al título del virus, y también estudiamos la absorción de microondas de HCoV-229E en medio de acidez débil para simular el valor de pH común en la secreción de fluidos. Nuestros resultados sugieren la posible frecuencia de radiación para los dispositivos de esterilización por microondas propuestos recientemente para inactivar el virus SARS-CoV-2 a través de un mecanismo no térmico para controlar la transmisión de la enfermedad en la era pospandémica.

Ampliamente considerada la ruta principal, la transmisión aérea del SARS-CoV-2 es posible porque las partículas de aerosol son lo suficientemente pequeñas como para flotar en el aire1. En las circunstancias actuales de que la nueva variante preocupante, como la variante Omicron (B.1.1.529)2, puede ser resistente a las vacunas, el control de la pandemia requiere una vez más acciones básicas como mantener la distancia física, usar máscaras adecuadas, mano regular lavado y esterilización3. Generalmente, los procesos de esterilización química y física están limitados por la cobertura espacial y la penetración, y también causan daño a humanos y animales. Por lo tanto, para disminuir el riesgo de infectarse en varios escenarios sin máscara facial en la era pospandemia, se necesita con urgencia un método de esterilización ininterrumpido y seguro con una excelente capacidad de penetración para esterilizar espacios libres.

Las interacciones de las ondas electromagnéticas con los materiales suelen implicar la transferencia de energía. Estudios anteriores demostraron que las microondas pueden hacer que los virus con geometrías simples resuenen a través del efecto de transferencia de energía resonante estructural (SRET), a una frecuencia que coincide con su frecuencia de modo dipolar acústico confinado4,5,6,7,8,9. Un estudio reciente reveló además que las microondas de 8,4 GHz con una densidad de potencia de 810 W/m2 pueden romper de manera eficiente la membrana del virus de la influenza A a través del efecto SRET, logrando así una reducción de al menos 3 log del virus activo en menos de 15 minutos6. Se ha informado que los viriones del SARS-CoV-2 permanecen estables e infecciosos en aerosol hasta por 3 horas10; por lo tanto, las microondas con frecuencias específicas podrían potencialmente usarse para inactivar el SARS-CoV-2 bajo densidades de potencia de microondas razonables que sean seguras para el cuerpo humano. Se han diseñado y propuesto varios dispositivos y metodologías para inspeccionar la eficacia de inactivación del SARS-CoV-211,12,13,14, pero se desconocen las frecuencias de resonancia correctas. Teniendo en cuenta la esterilización por microondas en áreas públicas, se deben evitar las frecuencias de microondas que resonarían con los sistemas biológicos y la exposición a microondas debe seguir los estándares de seguridad de IEEE. Por lo tanto, es muy deseable que las frecuencias resonantes del SARS-CoV-2 puedan determinarse evaluando cuantitativamente los espectros de absorción resonante de microondas (MRA).

En este informe, se observó una absorción significativa de microondas por parte del virus SARS-CoV-2 en las frecuencias resonantes de microondas correspondientes. Identificamos dos frecuencias resonantes, 4 y 7,5 GHz, en los espectros de pérdida de inserción normalizada (IL) con una magnitud de hasta el 32 % de la frecuencia resonante fundamental, que es acorde con lo informado anteriormente para densidades más altas del virus de la influenza A H3N26. Nuestros resultados revelaron un mecanismo altamente acoplado, en el que la energía del campo eléctrico de microondas provoca la resonancia estructural viral del SARS-CoV-2; mientras que el ancho de banda de la frecuencia MRA también coincidió con la falta de homogeneidad del tamaño del virus. También investigamos los efectos del título del virus y la acidez del medio utilizando el virus corona humano 229E (HCoV-229E).

Teóricamente, para el coronavirus de forma esférica, las dos primeras frecuencias de absorción corresponden a los modos dipolares resonantes estructurales de los armónicos esféricos que están determinados por su elasticidad y radio. Para medir las frecuencias, primero diseñamos un dispositivo de detección para viriones usando una guía de onda coplanar (CPW) recubierta con una máscara de monocapa autoensamblada hidrófoba de nanoespesor (consulte la Fig. 1 y la sección "Métodos"). Luego, las frecuencias del modo dipolar y la eficiencia de absorción del SARS-CoV-2 se caracterizaron con éxito mediante el cálculo de la pérdida de inserción normalizada luego de la medición a través de un analizador de redes de vectores de microondas. Los viriones de SARS-CoV-2 primero se aislaron, almacenaron y diluyeron en medio Eagle modificado de Dulbecco (pH 7 ~ 7,4) a una serie de títulos de virus de 107, 106 y 105 PFU/mL. La ilustración esquemática de los modos de resonancia virales y los resultados de los espectros de IL de microondas normalizados para diferentes títulos de virus se muestran en la Fig. 2A y B, respectivamente.

(A) Esquema que muestra la sección transversal de la guía de onda coplanar. (B) Esquema que muestra el diseño del CPW con una máscara monocapa autoensamblada en la parte superior para exponer el espacio y la línea de señal. (C) CPW con máscara SAM hidrofóbica antes de conectarse al VNA. (D) Sistema de medición de absorción de microondas instalado en un gabinete de seguridad biológica en el laboratorio BSL-2. (E) Gota mediana de DMEM de 40 µL con coronavirus confinado dentro de la máscara SAM.

El proceso de resonancia del SARS-CoV-2 y sus espectros de absorción de microondas para diferentes concentraciones en comparación con HCoV-229E en diferentes condiciones experimentales. (A) Esquema que ilustra el desplazamiento de dos modos dipolares de la partícula esférica, con momento angular l = 1 y con números cuánticos n = 0 o 1, impulsados por el campo eléctrico generado por las microondas. Las flechas azul y verde representan los desplazamientos de las capas y del núcleo respectivamente. Bajo el punto de vista del problema de dos cuerpos, para el modo de vibración de n = 0, el movimiento del virión es como un cilindro interior y un anillo exterior que se mueven en direcciones opuestas. Para el otro modo de vibración de n = 1, el movimiento se comporta como un núcleo y una capa que se mueven en direcciones opuestas. (B) Pérdida de inserción normalizada para diferentes concentraciones de SARS-CoV-2 (107 PFU/mL, línea de color negro; 106 PFU/mL, línea de color púrpura; y 105 PFU/mL, línea de color azul) purificado en DMEM . Cada espectro de la figura representa una medida de la IL normalizada. (C) La pérdida de inserción normalizada de SARS-CoV-2 (línea de color negro) y HCoV-229E (línea de color verde) con la misma concentración viral (107 PFU/mL) y purificado en el mismo medio DMEM (pH 7.4 ). El conjunto de datos de SARS-CoV-2 en este gráfico es el mismo que (B) para la comparación. (D) La pérdida de inserción normalizada de HCoV-229E en DMEM con diferentes niveles de acidez. (línea de color verde: pH 7, 107 PFU/mL; línea de color rojo: pH 6, 0,9 × 107 PFU/mL) El conjunto de datos de HCoV-229E en medio neutro en este gráfico es el mismo que (C) para el comparación.

En la Fig. 2B, el primer pico de absorción se puede observar a 4 GHz con un valor de IL normalizado superior al 32 % y un ancho de banda completo a la mitad del máximo (FWHM) de aproximadamente 1 GHz para una concentración viral de 107 PFU/mL. La incertidumbre de nuestra frecuencia medida del pico de absorción es insignificante (Ver Cuantificación y Análisis en la sección Método). Por lo tanto, todos los resultados de los espectros en la Fig. 2B-D se calcularon a partir de una sola medición para los grupos de control y experimental. Los diámetros de los viriones del SARS-CoV-2 oscilan entre 90 y 110 nm15 y la frecuencia de resonancia es inversamente proporcional al diámetro de los viriones, lo que da como resultado un ancho de banda bastante grande. Para títulos de virus más bajos, aunque el pico de frecuencia resonante y el ancho de banda eran independientes del título, el valor de IL normalizado no era lineal con respecto a la concentración viral. Para un título de virus de 105 UFP/mL en comparación con 107 UFP/mL, el valor máximo de absorción solo disminuyó al 25 % (la absorción disminuye del 32 al 8 %). Este fenómeno se puede atribuir a la distribución espacial no homogénea de los viriones en el medio por encima del área de detección de la CPW. La interacción de las microondas con el entorno adyacente depende del campo eléctrico extendido; por lo tanto, la sensibilidad es mayor para los viriones más cercanos al espacio al lado de la línea de señal. Esto da como resultado una señal aún fuerte de los viriones que se concentran en el fondo del medio.

También observamos un segundo pico MRA a 7,5 GHz, que es casi dos veces más alto que la primera frecuencia resonante con un ancho de banda de aproximadamente 1,5 a 2 GHz. En nuestro estudio anterior, hemos explicado el mecanismo en el que el desplazamiento del núcleo-carcasa inducido por el campo eléctrico da como resultado una resonancia estructural de modos dipolares de armónicos esféricos (SPH)4,5,6. Por lo tanto, el primer pico MRA a 4 GHz representa el modo dipolar fundamental [SPH, l = 1, n = 0] (Fig. 2A, arriba) y el segundo pico MRA a 7,5 GHz representa el modo dipolar superior [SPH, l = 1, n = 1] (Fig. 2A, abajo). Aquí l y n denotan el número de orden angular y el número de armónicos respectivamente. Según la teoría de Lamb, sólo los modos esféricos con l = 1 pueden inducir un acoplamiento dipolar con las ondas electromagnéticas. La regla de selección nos dice que los modos de vibración son infrarrojos activos solo cuando el momento dipolar cambia durante el proceso de vibración. Por lo tanto, el modo de respiración fundamental (l = 0) no puede ser inducido por microondas y los picos de absorción correspondientes no pueden medirse16.

Evaluamos los espectros de los viriones HCoV-229E para las mismas condiciones del medio que el SARS-CoV-2, y ambos medios son neutros con valores de pH de 7 a 7,4 (Fig. 2C). Para el título de virus de 107 UFP/mL, el espectro para HCoV-229E (línea verde en la Fig. 2C) también mostró dos picos relacionados con el modo dipolar en la figura. La primera frecuencia de resonancia del modo dipolar cambió a una frecuencia más alta de 4,2 GHz que la del SARS-CoV-2 con un valor de IL normalizado de alrededor del 19 %; la segunda frecuencia resonante se mantuvo en 7,5 GHz. Este resultado confirma que la masa, el tamaño y la composición de los viriones son ligeramente diferentes para ambos virus, a pesar de que pertenecen a la misma subfamilia bajo el orden Nidovirales.

Luego evaluamos los espectros de los viriones HCoV-229E en medio ácido débil con el título de virus cercano a la muestra neutral anterior (Fig. 2D). Se observa que el rango de pH normal para la saliva es de 6,2 a 7,6 con un valor promedio de 6,717. Considerando ampliamente la mucosa respiratoria, como la nasal, traqueal o bronquial, se informa que la secreción es ácida débil con valores de pH de 6 a 718. Para investigar más a fondo los efectos de los niveles de acidez en la frecuencia de resonancia inducida por SRET, cambiamos el nivel de pH agregando una solución de KH2PO4 a la solución viral sin causar un cambio notable en el título original del virus (107 PFU/mL). La solución viral recién obtenida para compararla con la neutra tenía un nivel de pH y un título de virus de 6 y 0,9 × 107 PFU/mL, respectivamente. El espectro de IL normalizado para la muestra se muestra en la Fig. 2D. El modo dipolo de primer orden permanece sin cambios excepto que la eficiencia de absorción disminuyó del 19 al 5% bajo un título de virus similar. Al comparar la frecuencia del modo resonante dipolo de segundo orden, se observó un cambio de 7,6 a 7,8 GHz. Esta variación de la eficiencia de absorción puede explicarse por el potencial zeta que se origina de las cargas superficiales de los viriones y los iones en el medio. Por lo general, la disminución del nivel de pH mediante la adición de ácido aumentará el potencial zeta19, lo que cambiará la tendencia de los viriones a flocular. La frecuencia sin cambios del primer modo dipolar indicó que los viriones todavía están completamente dispersos con una gruesa capa de hidratación o una doble capa eléctrica en la superficie. Los viriones tenían un mayor potencial zeta a un nivel de pH más bajo causado por la adsorción de más iones positivos en las superficies del virión. Esto reduce aún más las cargas dipolares efectivas de la estructura de separación núcleo-carcasa debido al efecto de apantallamiento de las cargas adicionales. Esta disminución en la carga del dipolo a su vez disminuiría las secciones transversales de absorción de microondas. El proceso SRET depende principalmente de la carga del dipolo y la fuerza del campo eléctrico aplicado; por lo tanto, los valores normalizados de IL disminuyeron en medio débilmente ácido.

Definimos el factor de calidad del MRA (QMRA) como la relación entre la frecuencia máxima y el ancho de banda (aquí definido como el FWHM del pico de absorción). Para el primer modo dipolar (l = 1, n = 0) de SARS-CoV-2 con la concentración más alta (107 PFU/ml), se calculó que el QMRA era 4,2. A medida que la concentración viral se redujo a 106 y 105 UFP/mL, los valores de QMRA aumentaron a 4,7 y 5, respectivamente. Para HCoV-229E, el valor QMRA fue de 4,9 para el primer modo dipolar para la misma concentración viral (107 PFU/mL) en el mismo medio que el utilizado para SARS-CoV-2; este valor de QMRA disminuyó a 4, 4 en medios débilmente ácidos y PBS (consulte la Fig. 3 complementaria). Nuestro estudio anterior sobre los virus Influenza A y Perina nuda (PnV)5 discutió el efecto de ampliación de QMRA causado por la distribución del tamaño y el efecto amortiguador viscoso del agua. La investigación de distribución de tamaño en SARS-CoV y SARS-CoV-2 utilizando microscopía electrónica de transmisión15 ha determinado que el diámetro promedio de SARS-CoV-2 es de 100 nm con una variación de tamaño de ± 10%. El factor de calidad correspondiente sería de aproximadamente 5, lo que corrobora nuestros resultados con todos los valores de QMRA informados inferiores a 5. Con base en la simulación teórica sobre nanopartículas de polimetilmetacrilato (PMMA) para imitar las propiedades mecánicas de los viriones, el agua viscosa podría amortiguar fuertemente las vibraciones. y disminuya el factor de calidad del primer modo dipolar hasta 3 ~ 5. Los dos factores antes mencionados contribuyen casi por igual a la ampliación del pico de absorción, lo que da como resultado un QMRA de entre 4 y 5.

Las comparaciones generales de los espectros de IL de microondas normalizados de influenza A y SARS-CoV-2 revelaron que la frecuencia del primer modo dipolar disminuyó de 8,2 a 4 GHz, mientras que el valor de IL normalizado aumentó de 23 a 32 %. Para una esterilización segura a través de la ruptura de la envoltura del virión, una frecuencia de operación más baja da como resultado una menor pérdida de aerosol considerando la pérdida dieléctrica de agua. Además, una mayor eficiencia de absorción sugiere que la inhibición del SARS-CoV-2 podría lograrse con una densidad de potencia de microondas que sea segura para el cuerpo humano.

En resumen, al medir los espectros de pérdida de inserción normalizados, se identificaron con éxito las frecuencias resonantes de microondas de SARS-CoV-2 y HCoV-229E. Primero, para la concentración viral más baja, se determinó que la cantidad mínima de viriones infecciosos de SARS-CoV-2 era 4000, y con nuestro sistema se pueden identificar picos significativos de MRA. En segundo lugar, el título del virus, el medio y el nivel de acidez no cambiaron las frecuencias de resonancia. Finalmente, la identificación de estas frecuencias resonantes de 4 GHz y 7,5 GHz y la eficiencia de absorción de microondas relativamente alta aumentan nuestra confianza en la realización potencial de una esterilización de SARS-CoV-2 y control de transmisión de COVID-19 utilizando microondas de alta penetración en el espacio libre con un nivel de potencia seguro para el público abierto.

La línea celular y el virus SARS-CoV-2 se prepararon en un laboratorio de bioseguridad de nivel 3 (BSL-3) en el Hospital Universitario Nacional de Taiwán. Para la línea celular, se compraron células Vero E6 de American Type Culture Collection (ATCC) (Manassas, VA, EE. UU.) y se cultivaron en medio de Eagle modificado por Dulbecco (DMEM) que contenía suero bovino fetal al 10 % (FBS) (Life Technologies), Antibiótico al 1%. Las células se cultivaron a 37 °C con 5% de CO2. Los virus SARS-CoV-2/NTU03/TWN/human/2020 (ID de acceso EPI_ISL_413592) se aislaron del hisopo faríngeo de pacientes infectados con SARS-CoV-2 y se propagaron en células Vero E6 en DMEM complementado con 2 μg/ml de tosilsulfonil fenilalantil clorometilcetona (TPCK)-tripsina (Sigma-Aldrich), y se almacenó a -80 °C hasta su posterior estudio. Los títulos de virus se determinaron mediante ensayo de placas para su posterior análisis. Los experimentos se realizaron de acuerdo con las directrices y regulaciones locales pertinentes. Los protocolos experimentales fueron aprobados por el Comité de Ética de Investigación de NTUH (202002002RIND por el Dr. Jann-Tay Wang) y se obtuvo el consentimiento informado de todos los participantes. Para HCoV-229E, la línea celular y el virus se prepararon en un laboratorio BSL-2 en la Universidad Chang Gung, Taiwán. Para la línea celular, se cultivaron células HuH7 (American Type Culture Collection, Manassas, VA, EE. UU.) en medio de Eagle modificado por Dulbecco (DMEM) que contenía 10 % de suero bovino fetal (FBS), 1 % de solución antibiótica/antimicótica y 1 % de solución de antibiótico/antimicótico. -glutamina (Gibco, Grand Island, NY, EE. UU.). Las células se cultivaron a 37 °C con 5% de CO2. Los virus HCoV-229E se aislaron del Chang Gung Memorial Hospital y se propagaron en células HuH7, se mantuvieron en DMEM con FBS al 2 % y se almacenaron a -80 °C hasta su estudio posterior.

Mantuvimos el título del virus en DMEM cercano a 107 PFU/mL y cambiamos el nivel de pH agregando una pequeña cantidad de solución de KH2PO4 al 1% a la solución viral. La solución de KH2PO4 al 1 % se preparó primero mezclando 1 g de polvo de KH2PO4 en 100 ml de agua desionizada con un nivel de pH final de 4,52, que se midió con un medidor de pH. Después de una dilución de 100 × del KH2PO4 al 1 %, el nivel de pH alcanzó 5,17. Finalmente, se adicionaron 20 µL de la solución de KH2PO4 con pH 5.17 a 180 µL de la solución viral con pH 7 y concentración de 107 UFP/mL. La solución viral recién obtenida tenía un nivel de pH y una concentración de 6 y 0,9 × 107 PFU/mL, respectivamente. Todos los procesos se realizaron en un laboratorio BSL-2 en la Universidad Chang Gung, Taiwán.

Para darnos cuenta de la frecuencia resonante en la que tuvo lugar la transferencia de alta energía, necesitamos escanear el rango de frecuencia de microondas razonable para encontrar la caída de pérdida de energía en el espectro. A partir de nuestro trabajo anterior, al considerar el proceso de resonancia de que el núcleo-envoltura oscila en direcciones opuestas, podemos estimar que la frecuencia de resonancia debe ser inferior a 8 GHz, ya que la masa reducida20 del problema de dos cuerpos es mayor que la del virus de la influenza A. Podemos predecir que si existe el modo resonante de orden superior, entonces deberíamos poder encontrarlo dentro de los 16 GHz. Por lo tanto, primero diseñamos una línea de transmisión que utiliza CPW como una red de dos puertos en la que la señal EM de microondas puede interactuar con el entorno (es decir, el medio que contiene SARS-CoV-2) y las propiedades de la red como transmitancia, reflectancia, y la pérdida de inserción (IL) se puede medir mediante un analizador de red vectorial de dos puertos.

CPW es una guía de ondas básica bien conocida para aplicaciones de microondas que presenta la línea de señal coplanar y dos planos de tierra, que se sintetizan simétricamente sobre el sustrato. El propósito de la máscara SAM es mejorar la repetibilidad de la transmisión de microondas acoplada al medio que contiene partículas de SARS-CoV-2 al fijar el área de interacción. Para hacer un CPW, elegimos una placa PCB con una película de cobre de 100 um cubierta en la parte superior como sustrato. La permitividad \({\varepsilon }_{PCB}\) de la PCB es 4.2. Grabamos la película de cobre para formar los dos espacios entre la línea de señal y los dos terrenos con la ayuda de fotoprotector. Consulte la Fig. 1A, el ancho de la línea de señal y el espacio son 2,1 mm y 0,55 mm respectivamente, por lo que la impedancia de entrada de ambos extremos es de 50 ohmios. La longitud entre ambos extremos del CPW es de 2,5 cm y en ambos extremos se soldaron dos conectores SMA.

Dado que las muestras que se analizan en este estudio se cultivan y purifican en medio de Eagle modificado por Dulbecco (DMEM) y solución salina tamponada con fosfato (PBS), que son líquidos acuosos, es difícil mantener idéntica el área de contacto en el CPW para fines experimentales y de control. grupo. Además, el cambio del área de contacto también resultará en el cambio de los parámetros S. Por lo tanto, aplicamos un método simple pero útil para confinar la muestra líquida para mantener el volumen de detección idéntico para cada medición. Usamos el método de recubrimiento por aspersión para aplicar una monocapa hidrofóbica a nanoescala autoensamblada usando MSG-022 con un ángulo de contacto de más de 110° (adquirido de Giant Nano Technology Co., Ltd.). La monocapa autoensamblada (SAM) está diseñada para ser hueca en el centro, de modo que la línea de la tira y los espacios queden expuestos al medio ambiente (Fig. 1B). Primero usamos un cubo de goma con forma plana y cuadrada para cubrir el área de detección con CPW debajo. SAM se sintetiza en el área fuera del cubo de caucho para crear un área cuadrada (5 mm × 5 mm) con menos hidrofobicidad. Cualquier otro tipo de material SAM con cadena de fluorocarbono o cadena de hidrocarburo como el octadeciltriclorosilano también funcionará. El líquido acuoso sumergido dentro del área cuadrada quedará confinado y, por lo tanto, el límite del líquido acuoso está bien definido por el SAM (Fig. 1E). El espesor de la película SAM es inferior a 10 nm con una constante dieléctrica inferior a 1,4 y la película tampoco es conductora. El SAM con constante dieléctrica similar al aire genera un cambio insignificante en la impedancia de CPW, de modo que las propiedades de la red de 2 puertos permanecen casi iguales después del tratamiento con SAM. La síntesis en un solo paso de SAM de nanoespesor mediante rociado o recubrimiento giratorio hace que sea fácil de producir. Dado que el proceso de detección requiere un grupo de control, el área bien definida del líquido acuoso brinda una repetibilidad confiable del espectro medido.

Después de fabricar el dispositivo de detección de CPW, utilizamos MS2028C, VNA portátil Anritsu con un ancho de banda de frecuencia de 5 kHz a 20 GHz y un rango dinámico de más de 85 dB para medir los parámetros S de 2 puertos de CPW con máscara SAM para garantizar que el parámetro S21 sea cerca de 0 dB para una buena alimentación de potencia. Más tarde, el dispositivo CPW y el VNA se trasladaron a los laboratorios BSL-2 y BSL-3 y se calibraron con los kits de calibración de VNA de 50 ohmios para los siguientes experimentos de HCoV-229E y SARS-CoV-2, respectivamente. Para un dispositivo de red de 2 puertos, la matriz de parámetros S se puede utilizar para describir la transmitancia (S12 y S21) y la reflectancia (S11 y S22). Aparte de eso, la energía de la señal tiene una ganancia o una pérdida dentro del dispositivo. Para una línea de transmisión, la energía de la onda EM se pierde gradualmente al propagarse y generalmente se denomina pérdida de inserción (IL). La relación de los parámetros S e IL se puede escribir como \({\left|{S}_{11}\right|}^{2}+{\left|{S}_{21}\right|}^ {2}+IL=1\). Cuando un medio está en contacto con el CPW, el medio provoca un cambio de permitividad en la línea de transmisión y no solo se ven afectados los parámetros S, sino que también aumenta la IL si existe un mecanismo de transferencia de energía en el medio. Con un volumen fijo del medio en CPW y un área de interacción bien definida, la pequeña cantidad de partículas suspendidas no produciría un cambio evidente en la IL. Sin embargo, si las partículas proporcionan una vía de transferencia de energía, la IL se vería afectada. Para determinar el ancho de banda de nuestros resultados, como podemos ver en la Fig. 1 complementaria, se puede observar una diferencia obvia en los espectros de atenuación de microondas dentro de 10 GHz al comparar ambos casos, que son con virus (línea verde delgada) y sin virus. (línea roja delgada). Dado que el medio en sí contribuiría con una pérdida de inserción bastante alta (> 90 %) a la línea de transmisión de CPW a alta frecuencia (10 GHz a 20 GHz), el ruido se amplificaría al calcular la IL normalizada. Por lo tanto, solo consideramos el ancho de banda de 0,2 GHz a 10 GHz que tiene mejor SNR. En la medición de SARS-CoV-2, debido a la dificultad de lograr una calibración perfecta de VNA en el laboratorio BSL-3, la suma de \({\left|{S}_{11}\right|}^{2} \) y \({\left|{S}_{21}\right|}^{2}\) está ligeramente por encima de 1, lo que conduce a una ganancia en este sistema de 2 puertos. Por lo tanto, tuvimos que omitir los componentes cuya frecuencia es inferior a 1,1 GHz.

En primer lugar, el analizador de red vectorial se conectó con dos líneas de señal de ancho de banda de alta frecuencia (CC ~ 18 GHz) con conectores SMA y se calibró con un kit de calibración. Después de la calibración, el dispositivo de detección de CPW se montó utilizando un accesorio de PCB en un gabinete de bioseguridad y se conectó con las líneas de señal (Fig. 1D). Después de configurar el sistema, preparamos dos muestras que son el medio y el mismo medio con viriones. Para cada medición formal, el volumen total de la muestra goteada en el área de detección cuadrada se fijó en 40 µL, asegurando que al menos 4000 viriones infecciosos estuvieran presentes en la muestra con el título de virus más bajo (105 UFP/mL). En el proceso de adquisición de los espectros IL normalizados del coronavirus, debemos realizar dos mediciones separadas en el mismo dispositivo de detección CPW. El primero, que sirve como grupo de control, es la cantidad fija de medio sin coronavirus. El segundo, que sirve como grupo experimental, es la misma cantidad de medio idéntico que el grupo de control pero con coronavirus purificado y suspendido en su interior. Primero, use una pipeta para dejar caer el medio de 40 µL en el área del cuadrado de detección y mida los parámetros S completos de 2 puertos. Después de adquirir los datos, retire el medio con la pipeta y asegúrese de que el área de detección esté limpia y seca. Finalmente, haga la misma medición utilizando el medio con viriones. Estos dos datos separados se pueden utilizar para calcular el espectro de pérdida de inserción normalizado posteriormente. Todos los procesos se realizaron en un laboratorio BSL-3 y un laboratorio BSL-2 para las mediciones de parámetros S de SARS-CoV-2 y HCoV-229E, respectivamente.

Si se pueden medir los parámetros S completos de 2 puertos de dos grupos, con la configuración del sistema y la geometría de las muestras manteniéndose idénticas para dos mediciones, los espectros de atenuación de microondas \(A\left(f\right)\) se pueden calcular como \( {\left|{S}_{11}\right|}^{2}+{\left|{S}_{21}\right|}^{2}=1-IL\). Finalmente, la IL normalizada del coronavirus se puede calcular mediante la siguiente relación, en la que "v + b" y "b" representan el "virus + fondo medio" y "fondo medio":

Para los grupos de control y experimental, se midieron individualmente dos espectros de parámetros S y, por lo tanto, podemos adquirir 4 espectros de IL normalizados por comparación cruzada. Calculamos estadísticamente el error estándar de la media de las frecuencias centrales resonantes y la incertidumbre de nuestros resultados es decenas de MHz. Dado que la ligera variación de nuestras mediciones puede ser insignificante en comparación con la frecuencia y el ancho de banda del modo dipolar de gigahercios, mostramos la IL normalizada mediante un solo resultado de medición. Nuestros parámetros S medidos y los espectros IL normalizados tienen una resolución de frecuencia de 0,05 GHz y se aplicó un filtro Savitzky-Golay con un tamaño de ventana de 20 puntos de datos para suavizar las líneas en el gráfico.

Todo el código original y los datos sin procesar para el cálculo de las cifras del artículo se han depositado en Google Cloud Space y están disponibles públicamente a partir de la fecha de publicación. (https://drive.google.com/drive/folders/1BWKOz_TvoZngHrRvkA49JSUsZ1FGoUIZ?usp=sharing).

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Este proyecto está patrocinado por el Ministerio de Ciencia y Tecnología, ROC bajo MOST 109-2224-E-002-003. Estamos agradecidos por el apoyo del Hospital Universitario Nacional de Taiwán y la Universidad Chang Gung. Agradecemos a Tzu-Ming Liu por ayudarnos a elaborar la teoría de los armónicos esféricos. Agradecemos a Yen-Ting Lu por el diseño y la fabricación de la guía de ondas coplanar. La figura 2A se crea con BioRender.com.

Instituto de Graduados en Fotónica y Optoelectrónica y Departamento de Ingeniería Eléctrica, Universidad Nacional de Taiwán, Taipei, 10617, Taiwán

Peng-Jui Wang y Chi-Kuang Sun

Departamento de Ciencias de Laboratorio Clínico y Biotecnología Médica, Facultad de Medicina de la Universidad Nacional de Taiwán, Taipei, 100, Taiwán

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

Centro de Investigación de Infecciones Virales Emergentes, Facultad de Medicina, Universidad Chang Gung, Taoyuan, 33302, Taiwán

Sheng-Yu Huang y Shin-Ru Shih

Departamento de Biotecnología Médica y Ciencias de Laboratorio, Facultad de Medicina, Universidad Chang Gung, Taoyuan, 33302, Taiwán

Sheng-Yu Huang y Shin-Ru Shih

Departamento de Medicina de Laboratorio, Linkou Chang Gung Memorial Hospital, Taoyuan, 333, Taiwán

Shin Ru Shih

Centro de Investigación de Medicina Herbal China, Universidad de Ciencia y Tecnología Chang Gung, Taoyuan, 33303, Taiwán

Shin Ru Shih

Centro de Investigación de Seguridad Alimentaria y Cosmética, Universidad de Ciencia y Tecnología Chang Gung, Taoyuan, 33303, Taiwán

Shin Ru Shih

Instituto de Graduados en Tecnología de la Industria de la Salud, Facultad de Ecología Humana, Universidad de Ciencia y Tecnología Chang Gung, Taoyuan, 33303, Taiwán

Shin Ru Shih

Departamento de Medicina de Laboratorio, Hospital Universitario Nacional de Taiwán, Taipei, 100, Taiwán

Sui Yuan Chang

Instituto de Graduados en Ingeniería de la Comunicación y Departamento de Ingeniería Eléctrica, Universidad Nacional de Taiwán, Taipei, 10617, Taiwán

Tian-Wei Huang y Yi-Jan Chen

Centro de Imágenes Moleculares e Instituto de Graduados en Electrónica Biomédica y Bioinformática, Universidad Nacional de Taiwán, Taipei, 10617, Taiwán

Sol Chi-Kuang

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Conceptualización: CKS; Metodología: CKS, PJW; Experimento: YHP, PJW, JTF, SYH; Análisis: PJW; Fabricación de dispositivos: PJW, TWH; Adquisición de fondos: CKS; Supervisión: CKS, TWH, YJC; Redacción—redacción: PJW, CKS, SYC, SRS; Redacción—revisión: Todos los autores.

Correspondencia a Chi-Kuang Sun.

Los autores C.-K. Sun y P.-J. Wang declara los siguientes intereses contrapuestos. Se ha presentado una patente "Dispositivo y método para medir el espectro de absorción de microondas de partículas suspendidas dentro de soluciones líquidas" para la solicitud de patente de EE. UU. y Taiwán. El solicitante de la patente es la Universidad Nacional de Taiwán y los inventores son C.-K. Sun y P.-J. Wang. "CPW con máscara SAM", "Flujo experimental de medición de los parámetros S en un gabinete de bioseguridad" y "Cuantificación y análisis" en la sección "Métodos" de este documento están cubiertos en la solicitud de patente. Los otros autores de este artículo (incluidos Y.-H. Pang, S.-Y. Huang, J.-T. Fang, S.-Y. Chang, S.-R. Shih, T.-W. Huang, y Y.-J. Chen) no son los inventores de esta patente y declaran no tener intereses en competencia.

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Reimpresiones y permisos

Wang, PJ., Pang, YH., Huang, SY. et al. Absorción resonante de microondas de los virus SARS-CoV-2. Informe científico 12, 12596 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-16845-5

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Recibido: 20 de diciembre de 2021

Aceptado: 18 julio 2022

Publicado: 22 julio 2022

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

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