SARS のマイクロ波共鳴吸収

Scientific Reports volume 12、記事番号: 12596 (2022) この記事を引用

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メトリクスの詳細

低出力マイクロ波は、ウイルスの閉じ込め音響双極子モード周波数と一致する周波数で、非熱構造共鳴エネルギー移動効果を通じてインフルエンザ A 型ウイルスを効果的に不活性化できます。現在、エアロゾルが SARS-CoV-2 の主な感染経路と考えられています。マイクロ波ベースの滅菌の可能性については、SARS-CoV-2 のマイクロ波共鳴周波数を解明する必要があります。今回我々は、コプレーナ導波路ベースのセンサーの考案による、SARS-CoV-2およびHCoV-229Eウイルスのマイクロ波吸収分光法研究を報告する。顕著なマイクロ波吸収が観察される一方、SARS-CoV-2 ウイルスの第 1 および第 2 双極子モードの共鳴周波数がそれぞれ 4 GHz および 7.5 GHz であることが確認されました。さらに、共鳴周波数はウイルス力価に対して不変であることを発見し、また、分泌液中の一般的な pH 値をシミュレートするために、弱酸性媒体中での HCoV-229E のマイクロ波吸収も研究しました。私たちの結果は、ポストパンデミック時代の病気の伝播を制御するために、非熱メカニズムを通じてSARS-CoV-2ウイルスを不活化するために、最近提案されたマイクロ波滅菌装置の放射周波数の可能性を示唆しています。

主要な経路として広く考えられている SARS-CoV-2 の空気感染は、エアロゾル粒子が空気中に浮遊できるほど小さいため、可能になります 1。オミクロン (B.1.1.529)2 変異株など、懸念される新たな変異株がワクチン耐性を持っている可能性がある現在の状況では、パンデミックを制御するには、物理的距離の維持、適切なマスクの着用、定期的な手洗いなどの基本的な行動が再び必要となります。洗浄、滅菌３．一般に、化学的および物理的滅菌プロセスは空間範囲と浸透によって制限され、また人体や動物に害を及ぼします。したがって、パンデミック後の時代にマスクなしでさまざまな状況で感染するリスクを軽減するために、空き空間を滅菌するための優れた浸透能力を備えた中断のない安全な滅菌方法が緊急に必要とされています。

電磁波と物質との相互作用には通常、エネルギーの移動が伴います。これまでの研究では、マイクロ波が構造共鳴エネルギー転移（SRET）効果を通じて、閉じ込め音響双極子モードの周波数と一致する周波数で、単純な形状のウイルスを共鳴させる可能性があることが実証されています4、5、6、7、8、9。最近の研究では、出力密度 810 W/m2 の 8.4 GHz マイクロ波が SRET 効果を通じて A 型インフルエンザウイルスの膜を効率的に破ることができ、それにより 15 分未満で活性ウイルスを少なくとも 3 log 減少させることができることが明らかになりました6。 SARS-CoV-2 ビリオンは、エアロゾル中で最大 3 時間安定して感染性を保つことが報告されています10。したがって、特定の周波数のマイクロ波は、人体にとって安全な適切なマイクロ波出力密度の下で SARS-CoV-2 を不活化するために使用できる可能性があります。 SARS-CoV-211、12、13、14 の不活化効果を検査するために、さまざまな装置や方法論が設計および提案されてきましたが、正確な共鳴周波数は不明のままでした。公共エリアでのマイクロ波滅菌を考慮すると、生体系に共鳴する可能性のあるマイクロ波周波数は避け、マイクロ波への曝露は IEEE 安全基準に従う必要があります。したがって、マイクロ波共鳴吸収（MRA）スペクトルを定量的に評価することによってSARS-CoV-2の共鳴周波数を決定できることが非常に望ましい。

この報告書では、SARS-CoV-2 ウイルスによる顕著なマイクロ波吸収が、対応するマイクロ波共鳴周波数で観察されました。我々は、正規化挿入損失 (IL) スペクトル上で、基本共振周波数の最大 32% の大きさを持つ 4 GHz と 7.5 GHz の 2 つの共振周波数を特定しました。これは、より高密度のインフルエンザ A H3N2 ウイルスについて以前に報告された共振周波数と一致しています6。私たちの結果は、マイクロ波電場からのエネルギーが SARS-CoV-2 ウイルスの構造共鳴を引き起こす、高度に連関したメカニズムを明らかにしました。一方、MRA周波数の帯域幅はウイルスのサイズの不均一性とも一致しました。また、ヒトコロナウイルス 229E (HCoV-229E) を使用して、ウイルス力価と培地の酸性度の影響を調査しました。

理論的には、球形のコロナウイルスの場合、最初の 2 つの吸収周波数は球面調和関数の構造共鳴双極子モードに対応し、その弾性と半径によって決まります。周波数を測定するために、我々はまず、ナノ厚さの疎水性自己組織化単層マスクでコーティングされたコプレーナ導波路（CPW）を使用したビリオン用のセンシングデバイスを設計しました（図1および「方法」セクションを参照）。その後、マイクロ波ベクトルネットワークアナライザーによる測定後の正規化挿入損失を計算することで、SARS-CoV-2 の双極子モード周波数と吸収効率の特性評価に成功しました。 SARS-CoV-2 ビリオンはまず単離され、保存され、ダルベッコ改変イーグル培地 (pH 7 ～ 7.4) で一連のウイルス力価 107、106、および 105 PFU/mL で希釈されました。異なるウイルス力価に対するウイルス共鳴モードおよび正規化されたマイクロ波ILスペクトルの結果の概略図をそれぞれ図2AおよびBに示します。

(A) コプレーナ導波路の断面を示す概略図。 (B) ギャップと信号線を露出させるために上部に自己組織化単層マスクを備えた CPW の設計を示す回路図。 (C) VNA に接続する前の疎水性 SAM マスクを備えた CPW。 (D) BSL-2 実験室の生物学的安全キャビネット内に設置されたマイクロ波吸収測定システム。 (E) SAM マスク内にコロナウイルスが閉じ込められた 40 μL DMEM 培地液滴。

異なる実験条件下での HCoV-229E と比較した、異なる濃度における SARS-CoV-2 の共鳴プロセスとそのマイクロ波吸収スペクトル。 (A) マイクロ波によって生成された電場によって駆動される、角運動量 l = 1、量子数 n = 0 または 1 の球形粒子の 2 つの双極子モードの変位を示す概略図。青と緑の矢印はそれぞれシェルとコアの変位を表します。二体問題の観点から見ると、n = 0 の振動モードでは、ビリオンの運動は、逆方向に運動する内筒と外輪のようなものになります。もう 1 つの振動モード n = 1 の場合、動きは反対方向に動くコアとシェルのように動作します。 (B) DMEM で精製されたさまざまな濃度の SARS-CoV-2 (107 PFU/mL、黒色の線、106 PFU/mL、紫色の線、および 105 PFU/mL、青色の線) の正規化された挿入損失。図内のすべてのスペクトルは、正規化された IL の 1 つの測定値を表します。 (C) 同じウイルス濃度 (107 PFU/mL) で、同じ培地 DMEM (pH 7.4) で精製した SARS-CoV-2 (黒色の線) と HCoV-229E (緑色の線) の正規化された挿入損失）。このプロットの SARS-CoV-2 のデータセットは、比較用の (B) と同じです。 (D) 異なる酸性度レベルの DMEM における HCoV-229E の正規化された挿入損失。 (緑色の線: pH 7、107 PFU/mL、赤色の線: pH 6、0.9 × 107 PFU/mL) このプロットの中性培地における HCoV-229E のデータセットは、(C) と同じです。比較。

図 2B では、ウイルス濃度 107 PFU/mL の場合、最初の吸収ピークが 4 GHz で観察され、正規化 IL 値は 32% 以上、半値全幅 (FWHM) 帯域幅は約 1 GHz です。測定した吸収ピークの周波数の不確かさは無視できます (「方法」セクションの「定量と分析」を参照)。したがって、図 2B ～ D のすべてのスペクトル結果は、対照群と実験群の 1 回の測定から計算されました。 SARS-CoV-2 ビリオンの直径は 90 ～ 110 nm の範囲であり 15、共鳴周波数はビリオンの直径に反比例するため、かなり広い帯域幅が得られます。ウイルス力価が低い場合、共鳴周波数ピークと帯域幅は力価に依存しませんでしたが、正規化された IL 値はウイルス濃度に対して非線形でした。ウイルス力価が 105 PFU/mL の場合、107 PFU/mL と比較して、吸収ピーク値は 25% までしか減少しませんでした (吸収は 32 % から 8% に減少しました)。この現象は、CPW の検出領域上の媒体内のビリオンの空間分布が不均一であることに起因すると考えられます。マイクロ波と隣接する環境との相互作用は、拡張された電場に依存します。したがって、信号線の横のギャップに近いビリオンほど感度が高くなります。これにより、培地の底に集中しているビリオンからの依然として強いシグナルが得られます。

また、7.5 GHz で 2 番目の MRA ピークも観察されました。これは、およそ 1.5 ～ 2 GHz の帯域幅を持つ最初の共振周波数のほぼ 2 倍です。我々の以前の研究では、電場誘起コアシェル変位が球面（SPH）調和関数の双極子モードの構造共鳴を引き起こすメカニズムを説明しました4、5、6。したがって、4 GHz の最初の MRA ピークは基本双極子モード [SPH、l = 1、n = 0] (図 2A、上) を表し、7.5 GHz の 2 番目の MRA ピークは高次双極子モード [SPH、l = 0] を表します。 1、n = 1] (図 2A、下)。ここで、l と n はそれぞれ角度次数と倍音数を表します。ラムの理論によれば、l = 1 の球面モードのみが電磁波との双極子結合を引き起こすことができます。選択ルールは、振動プロセス中に双極子モーメントが変化する場合にのみ振動モードが赤外線アクティブであることを示しています。したがって、基本呼吸モード (l = 0) はマイクロ波によって誘発できず、対応する吸収ピークは測定できませんでした 16。

SARS-CoV-2と同じ培地条件でHCoV-229Eビリオンのスペクトルを評価しましたが、どちらの培地もpH値7〜7.4の中性です（図2C）。ウイルス力価が 107 PFU/mL の場合、HCoV-229E のスペクトル (図 2C の緑色の線) も、図の 2 つの双極子モード関連ピークを示しました。最初の双極子モードの共鳴周波数は、SARS-CoV-2 の周波数よりも高い 4.2 GHz にシフトし、正規化された IL 値は約 19% でした。 2 番目の共振周波数は 7.5 GHz のままでした。この結果は、両方のウイルスがニドウイルス目の下で同じサブファミリーに属しているにもかかわらず、ビリオンの質量、サイズ、および組成が両方のウイルスでわずかに異なることを裏付けています。

次に、弱酸性培地中で、以前の中性サンプルに近いウイルス力価で HCoV-229E ビリオンのスペクトルを評価しました (図 2D)。唾液の正常な pH 範囲は 6.2 ～ 7.6 で、平均値は 6.717 であることに注意してください。鼻、気管、気管支などの呼吸器粘膜を広く考慮すると、分泌物は pH 6 ～ 718 の弱酸性であると報告されています。 SRET 誘発共鳴周波数に対する酸性度レベルの影響をさらに調査するために、元のウイルス力価 (107 PFU/mL) に目立った変化を引き起こすことなく、KH2PO4 溶液をウイルス溶液に添加することによって pH レベルを変更しました。中性ウイルス溶液と比較するために新たに得られたウイルス溶液の pH レベルは 6、ウイルス力価は 0.9 × 107 PFU/mL でした。サンプルの正規化された IL スペクトルを図 2D に示します。一次双極子モードは、同様のウイルス力価の下で吸収効率が 19 ％から 5 ％に減少したことを除いて、変化しません。 2 次ダイポール共振モードの周波数を比較すると、7.6 GHz から 7.8 GHz へのシフトが観察されました。吸収効率のこの変化は、媒質中のビリオンとイオンの表面電荷に由来するゼータ電位によって説明できます。通常、酸を加えて pH レベルを下げるとゼータ電位が増加し 19、それによってビリオンの凝集傾向が変化します。第 1 双極子モードの周波数が変化していないことは、ビリオンがまだ表面に厚い水和層または電気二重層を持って完全に分散していることを示しています。ビリオン表面により多くの陽イオンが吸着されることにより、ビリオンはより低い pH レベルでより高いゼータ電位を持ちました。これにより、追加電荷による遮蔽効果により、コアシェル分離構造の実効双極子電荷がさらに減少します。この双極子電荷の減少により、マイクロ波吸収断面積が減少します。 SRET プロセスは主に双極子電荷と印加電場の強度に依存します。したがって、弱酸性媒体では正規化された IL 値が減少しました。

MRA の品質係数 (QMRA) を、ピーク周波数と帯域幅 (ここでは吸収ピークの FWHM として定義) の比として定義しました。最高濃度 (107 PFU/mL) の SARS-CoV-2 の最初の双極性モード (l = 1、n = 0) では、QMRA は 4.2 と計算されました。ウイルス濃度が 106 および 105 PFU/mL に減少すると、QMRA 値はそれぞれ 4.7 および 5 に増加しました。 HCoV-229E の場合、SARS-CoV-2 に使用したものと同じ培地中の同じウイルス濃度 (107 PFU/mL) の最初の双極性モードの QMRA 値は 4.9 でした。この QMRA 値は、弱酸性培地と PBS 培地の両方で 4.4 に減少しました (補足図 3 を参照)。インフルエンザ A およびペリーナヌーダウイルス (PnV) に関する私たちの以前の研究 5 では、サイズ分布と水の粘性減衰効果によって引き起こされる QMRA 拡大効果について議論しました。透過型電子顕微鏡を使用した SARS-CoV および SARS-CoV-2 のサイズ分布研究 15 では、SARS-CoV-2 の平均直径は 100 nm で、サイズのばらつきは ±10% であることが判明しました。対応する品質係数は約 5 となり、これは報告されているすべての QMRA 値が 5 未満であるという結果を裏付けるものです。ビリオンの機械的特性を模倣したポリメチルメタクリレート (PMMA) ナノ粒子の理論的シミュレーションに基づくと、粘性水は振動を強力に減衰させる可能性があります。そして、最初の双極子モードの品質係数を 3 ～ 5 まで下げます。前述の両方の係数は、吸収ピークの広がりにほぼ等しく寄与し、結果として QMRA は 4 ～ 5 になります。

インフルエンザ A と SARS-CoV-2 の正規化マイクロ波 IL スペクトルの全体的な比較により、第一双極子モード周波数が 8.2 GHz から 4 GHz に減少し、正規化 IL 値が 23% から 32% に増加したことが明らかになりました。ビリオンエンベロープの破裂による安全な滅菌のために、水の誘電損失を考慮すると、動作周波数が低いほどエアロゾルの損失が少なくなります。さらに、より高い吸収効率は、人体にとって安全なマイクロ波出力密度で SARS-CoV-2 の抑制が達成される可能性があることを示唆しています。

要約すると、正規化された挿入損失スペクトルを測定することにより、SARS-CoV-2 と HCoV-229E のマイクロ波共鳴周波数を特定することに成功しました。まず、最低ウイルス濃度の場合、SARS-CoV-2 感染性ビリオンの最小数は 4000 と決定され、当社のシステムでは重要な MRA ピークを特定できます。第二に、ウイルス力価、培地、酸性度レベルによって共鳴周波数は変化しませんでした。最後に、この 4 GHz と 7.5 GHz の共振周波数と比較的高いマイクロ波吸収効率の特定により、自由空間での高透過マイクロ波を使用した SARS-CoV-2 の滅菌と COVID-19 の感染制御の潜在的な実現に対する確信が高まりました。一般の人にとって安全な電力レベル。

この細胞株と SARS-CoV-2 ウイルスは、国立台湾大学病院のバイオセーフティレベル 3 (BSL-3) 研究室で調製されました。細胞株については、Vero E6 細胞を American Type Culture Collection (ATCC) (米国バージニア州マナッサス) から購入し、10% ウシ胎児血清 (FBS) (Life Technologies) を含むダルベッコ改変イーグル培地 (DMEM) で増殖させました。 1%の抗生物質。細胞は 37 °C、5% CO2 で培養されました。 SARS-CoV-2/NTU03/TWN/human/2020 (アクセッション ID EPI_ISL_413592) ウイルスは、SARS-CoV-2 に感染した患者の喉のぬぐい液から分離され、2 μg/ml トシルスルホニルフェニルアラランチルクロロメチルケトンを添加した DMEM 内の Vero E6 細胞で増殖しました。 (TPCK)-トリプシン (Sigma-Aldrich) を使用し、さらなる研究まで -80 °C で保存しました。ウイルス力価は、その後の分析のためにプラークアッセイによって決定されました。実験は、関連する地域のガイドラインおよび規制に従って実行されました。実験プロトコルは NTUH 研究倫理委員会 (Jann-Tay Wang 博士による 202002002RIND) によって承認され、すべての参加者からインフォームドコンセントが得られました。 HCoV-229E の場合、細胞株とウイルスは台湾の長庚大学の BSL-2 研究室で調製されました。細胞株の場合、HuH7 (American Type Culture Collection、米国バージニア州マナッサス) 細胞を、10% ウシ胎児血清 (FBS)、1% 抗生物質/抗真菌溶液、および 1% 抗生物質/抗真菌溶液を含むダルベッコ改変イーグル培地 (DMEM) で増殖させました。 -グルタミン（Gibco、グランドアイランド、ニューヨーク州、米国）。細胞は 37 °C、5% CO2 で培養されました。 HCoV-229E ウイルスは長庚記念病院から分離され、HuH7 細胞で増殖し、2% FBS を含む DMEM で維持され、さらなる研究まで -80 °C で保存されました。

DMEM 中のウイルス力価を 107 PFU/mL 近くに維持し、少量の 1% KH2PO4 溶液をウイルス溶液に添加することで pH レベルを変更しました。 1% KH2PO4 溶液は、最初に 1 g の KH2PO4 粉末を 100 mL の脱イオン水に混合することによって調製され、最終 pH レベルは 4.52 (pH メーターを使用して測定) でした。 1% KH2PO4 を 100 倍に希釈した後、pH レベルは 5.17 に達しました。最後に、pH 5.17 の KH2PO4 溶液 20 μL を、pH 7 および濃度 107 PFU/mL のウイルス溶液 180 μL に添加しました。新しく得られたウイルス溶液の pH レベルは 6、濃度は 0.9 × 107 PFU/mL でした。すべてのプロセスは、台湾の長庚大学の BSL-2 研究室で行われました。

高エネルギー伝達が起こった共振周波数を実現するには、妥当なマイクロ波周波数範囲をスキャンして、スペクトル上のエネルギー損失のディップを見つける必要があります。私たちのこれまでの研究から、コアシェルが逆方向に振動する共鳴過程を考慮することにより、二体問題による減少質量20がA型インフルエンザウイルスよりも大きいため、共鳴周波数は8 GHzよりも低いはずであると推定できます。高次の共振モードが存在する場合、16 GHz 内でそれを見つけることができるはずであると予測できます。したがって、最初にCPWを2ポートネットワークとして使用する伝送線路を設計します。このネットワークのマイクロ波EM信号は環境（つまり、SARS-CoV-2を含む媒体）と相互作用でき、透過率、反射率、挿入損失 (IL) は 2 ポートベクトルネットワークアナライザで測定できます。

CPW は、基板上に対称的に合成されたコプレーナ信号線と 2 つのグランドプレーンを特徴とする、マイクロ波アプリケーション用のよく知られた基本的な導波路です。 SAM マスクの目的は、相互作用領域を固定することで、SARS-CoV-2 粒子を含む媒体への結合マイクロ波送信の再現性を高めることです。 CPW を作成するには、基板として上部に 100 um の銅膜が覆われた PCB ボードを選択します。 PCB の誘電率 \({\varepsilon }_{PCB}\) は 4.2 です。フォトレジストを使用して銅膜をエッチングし、信号線と 2 つのグランドの間に 2 つのギャップを形成しました。図 1A を参照してください。信号線の幅とギャップはそれぞれ 2.1 mm と 0.55 mm であるため、両端からの入力インピーダンスは 50 オームになります。 CPW の両端間の長さは 2.5 cm で、2 つの SMA コネクタが両端にはんだ付けされています。

この研究でテストされるサンプルは、両方とも水性液体であるダルベッコ変法イーグル培地 (DMEM) およびリン酸緩衝食塩水 (PBS) 培地で培養および精製されるため、CPW 上の接触面積を実験用と対照用で同一に保つのは困難です。グループ。さらに、接触面積の変化により、S パラメータも変化します。したがって、測定ごとに検出量を同一に保つために、液体サンプルを閉じ込めるシンプルだが有用な方法を適用します。スプレーコーティング法を使用して、接触角110°を超えるMSG-022（Giant Nano Technology Co., Ltd.から購入）を使用して自己組織化された疎水性ナノスケール単層を塗布します。自己組織化単層（SAM）は、ストリップラインとギャップの両方が環境に露出するように、中央が空洞になるように設計されています（図1B）。まず、平らで四角い形状のゴム立方体を使用して、その下の CPW で検出領域をカバーします。疎水性の低い正方形の領域（5 mm × 5 mm）を作成するために、ゴム立方体の外側の領域に SAM が合成されます。フルオロカーボン鎖またはオクタデシルトリクロロシランなどの炭化水素鎖を備えた他の種類の SAM 材料も機能します。正方形の領域内に浸された水性液体は閉じ込められ、水性液体の境界は SAM によって明確に定義されます (図 1E)。 SAM 膜の厚さは 10 nm 未満で、誘電率は 1.4 未満であり、膜も非導電性です。空気のような誘電率を持つ SAM は CPW のインピーダンスに無視できる変化をもたらすため、SAM 処理後も 2 ポートネットワークの特性はほぼ同じままです。スプレーまたはスピンコーティングによるナノ厚さの SAM のワンステップ合成により、製造が容易になります。検出プロセスには対照グループが必要であるため、水性液体の明確に定義された領域により、測定スペクトルの信頼できる再現性がもたらされます。

CPW 検出デバイスの製造後、周波数帯域幅 5 kHz ～ 20 GHz、ダイナミクスレンジ 85 dB 以上のアンリツポータブル VNA MS2028C を使用して、SAM マスクを使用して CPW の 2 ポート S パラメータを測定し、S21 パラメータが良好な電力フィードインの場合は 0 dB に近くなります。その後、CPW デバイスと VNA は BSL-2 および BSL-3 研究室に移動され、それぞれ HCoV-229E および SARS-CoV-2 の次の実験のために 50 オーム VNA 校正キットを使用して校正されました。 2 ポートネットワークデバイスの場合、S パラメータマトリックスを使用して、透過率 (S12 および S21) と反射率 (S11 および S22) を記述することができます。それとは別に、信号のエネルギーはデバイス内で利得または損失を持ちます。伝送線路の場合、電磁波のエネルギーは伝播中に徐々に失われます。これは通常、挿入損失 (IL) と呼ばれます。 S パラメータと IL の関係は、\({\left|{S}_{11}\right|}^{2}+{\left|{S}_{21}\right|}^ と書くことができます。 {2}+IL=1\)。媒体が CPW に接触すると、媒体は伝送線路に誘電率の変化を引き起こし、S パラメータに影響を与えるだけでなく、媒体内にエネルギー伝達機構が存在すると IL も増加します。 CPW 上の媒体の量が固定されており、相互作用領域が明確に定義されている場合、少量の浮遊粒子によって IL に明らかな変化が生じることはありません。ただし、粒子がエネルギー伝達経路を提供する場合、IL は影響を受けるでしょう。結果の帯域幅を決定するために、補足図 1 に見られるように、ウイルスあり (緑色の細線) とウイルスなしの両方のケースを比較すると、10 GHz 以内のマイクロ波減衰スペクトルに明らかな違いが観察されます。（赤い細い線）。媒体自体は、高周波数 (10 GHz ～ 20 GHz) で CPW 伝送線にかなり高い挿入損失 (> 90%) を与えるため、正規化された IL を計算するときにノイズが増幅されます。したがって、SNR が優れている 0.2 GHz ～ 10 GHz の帯域幅のみを考慮します。 SARS-CoV-2 の測定では、BSL-3 ラボで VNA の完璧な校正を達成することが難しいため、\({\left|{S}_{11}\right|}^{2} \) および \({\left|{S}_{21}\right|}^{2}\) は 1 をわずかに超えており、この 2 ポートシステムではゲインが得られます。したがって、周波数が 1.1 GHz より低いコンポーネントを省略する必要がありました。

まず、ベクトルネットワークアナライザを SMA コネクタを使用して 2 本の高周波帯域幅 (DC ～ 18 GHz) の信号線に接続し、校正キットで校正しました。キャリブレーション後、CPW センシングデバイスは、PCB 固定具を使用してバイオセーフティキャビネットに取り付けられ、信号線に接続されました (図 1D)。システムをセットアップした後、培地とビリオンを含む同じ培地である 2 つのサンプルを準備しました。各正式な測定では、正方形の検出領域に滴下したサンプルの総量を 40 µL に固定し、最低ウイルス力価サンプル (105 PFU/mL) に少なくとも 4000 個の感染性ビリオンが存在することを確認しました。コロナウイルスの正規化された IL スペクトルの取得プロセスでは、同じ検出 CPW デバイスで 2 つの別々の測定を行う必要があります。 1 つ目は対照グループとして機能し、コロナウイルスを含まない一定量の培地です。実験グループとして機能する2番目のものは、対照グループと同量の同一の培地ですが、内部にコロナウイルスが精製され懸濁されています。まず、ピペットを使用して 40 μ L 培地を感知正方形エリアに滴下し、完全な 2 ポート S パラメータを測定します。データを取得した後、ピペットを使用して媒体を除去し、センシング領域が清潔で乾燥していることを確認します。最後に、ビリオンを含む培地を使用して同じ測定を行います。これら 2 つの別々のデータを使用して、後で正規化された挿入損失スペクトルを計算できます。すべてのプロセスは、SARS-CoV-2 と HCoV-229E の S パラメーター測定のために、それぞれ BSL-3 ラボと BSL-2 ラボで実施されました。

2 つのグループの完全な 2 ポート S パラメータを測定でき、システム設定とサンプルの形状が 2 回の測定で同一に保たれた場合、マイクロ波減衰スペクトル \(A\left(f\right)\) は \( {\left|{S}_{11}\right|}^{2}+{\left|{S}_{21}\right|}^{2}=1-IL\)。最後に、コロナウイルスの正規化された IL は、次の関係によって計算できます。「v + b」および「b」は、「ウイルス + 媒体バックグラウンド」および「媒体バックグラウンド」を表します。

対照群と実験群では、S パラメータの 2 つのスペクトルが個別に測定されているため、相互比較により 4 つの正規化された IL スペクトルを取得できます。共振中心周波数の平均の標準誤差を統計的に計算しますが、結果の不確実性は数十 MHz です。ギガヘルツ双極子モードの周波数と帯域幅に比べれば、測定値からのわずかな変動は無視できるほど小さいため、単一の測定結果によって正規化された IL を示しました。測定された S パラメーターと正規化された IL スペクトルは 0.05 GHz の周波数分解能を持ち、ウィンドウサイズ 20 データポイントの Savitzky-Golay フィルターが適用されてグラフの線が滑らかになりました。

記事内のすべてのオリジナルコードと数値計算の生データは Google クラウドスペースに保管されており、公開日の時点で一般に公開されています。 (https://drive.google.com/drive/folders/1BWKOz_TvoZngHrRvkA49JSUsZ1FGoUIZ?usp=sharing)。

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このプロジェクトは、MOST 109-2224-E-002-003 に基づいて中華民国科学技術省によって後援されています。国立台湾大学病院および長庚大学のご支援に感謝いたします。球面調和関数の理論を詳しく説明するのに協力してくれた Tzu-Ming Liu に感謝します。コプレーナ導波路の設計と製造については、Yen-Ting Lu 氏に感謝します。図 2A は BioRender.com で作成されています。

国立台湾大学フォトニクス・オプトエレクトロニクス大学院および電気工学部、台北、10617、台湾

ワン・ペンジュイ＆スン・チークアン

国立台湾大学医科大学臨床検査科学および医療バイオテクノロジー学部、台北市、100、台湾

パン・ユーハオ、ファン・ジュントゥン、チャン・スイユアン

新興ウイルス感染症研究センター、長庚大学医学部、桃園、33302、台湾

Sheng-Yu Huang & Shin-Ru Shih

医療バイオテクノロジーおよび実験科学部、長庚大学医学部、桃園、33302、台湾

Sheng-Yu Huang & Shin-Ru Shih

林口長庚記念病院臨床検査科、桃園市、333、台湾

Shin-Ru Shih

長庚科技大学中国漢方薬研究センター、桃園、33303、台湾

Shin-Ru Shih

食品および化粧品の安全性研究センター、長庚科技大学、桃園、33303、台湾

Shin-Ru Shih

長庚科技大学人間生態学部健康産業技術大学院大学、桃園市、33303、台湾

Shin-Ru Shih

国立台湾大学病院検査医学科、台北、100、台湾

スイユアン・チャン

国立台湾大学通信工学大学院および電気工学部、台北、10617、台湾

ティエンウェイ・ファン & イージャン・チェン

国立台湾大学分子イメージングセンターおよび生物医用エレクトロニクスおよびバイオインフォマティクス大学院研究所、台北、10617、台湾

スン・チークアン

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概念化: CKS; 方法論: CKS、PJW。実験: YHP、PJW、JTF、SYH; 分析: PJW; デバイス製造: PJW、TWH; 資金調達: CKS; 監修：CKS、TWH、YJC; 執筆 - 製図: PJW、CKS、SYC、SRS。執筆 - レビュー: すべての著者。

Chi-Kuang Sun への通信。

著者 C.-K. サンとP.-J. 王氏は次のような競合する利益を宣言します。特許「液体溶液中の浮遊粒子のマイクロ波吸収スペクトルを測定する装置および方法」が米国および台湾に特許出願されました。特許出願人は国立台湾大学、発明者はC.-K. サンとP.-J. 王さん。この論文の「方法」セクションの「SAM マスクを備えた CPW」、「バイオセーフティキャビネット内で S パラメーターを測定する実験フロー」、および「定量化と分析」は特許出願でカバーされています。この論文の他の著者 (Y.-H. Pang、S.-Y. Huang、J.-T. Fang、S.-Y. Chang、S.-R. Shih、T.-W. Huang、および Y.-J. Chen) はこの特許の発明者ではなく、競合する利益を宣言していません。

シュプリンガーネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

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転載と許可

ワン、PJ.、パン、YH.、黄、SY. 他。 SARS-CoV-2 ウイルスのマイクロ波共鳴吸収。 Sci Rep 12、12596 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-16845-5

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受信日: 2021 年 12 月 20 日

受理日: 2022 年 7 月 18 日

公開日: 2022 年 7 月 22 日

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

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