【研究成果】應用磁光生物晶片的新型病毒檢測法 – 以Covid-19的刺突糖蛋白為例

by Yang-Kuang Chao
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撰稿  /  鄭淳澧 (科學推展中心特約編輯)


圖1. 磁光生物晶片結構示意圖,下方透明部分為玻璃基板。

隨著近年Covid-19疫情的蔓延,再度喚醒人們對未知疾病的警覺心,為因應病毒的快速傳播,發展針對疾病快速且靈敏的檢測方法變得至關重要。中興大學物理系陳坤麟教授研究團隊研發了基於γ-Fe2O3@Au 鐵核金殼奈米粒子的磁光生物晶片,並以此進行了一項檢測新型冠狀病毒(SARS-CoV-2)刺突糖蛋白的概念驗證實驗

概念驗證實驗是為探索以此概念去達成目的的可能性而進行的實驗,因此這個實驗的目的為驗證磁光生物晶片能否快速且準確地檢測出病原(SARS-CoV-2)。目前通用的檢測方法主要有快篩試劑與核酸檢測(PCR),快篩試劑可從檢體中找出抗原/抗體,判斷感染/曾感染,以一般民眾能自行操作的快篩來說,可在15分鐘內得到結果,具備了迅速、攜帶方便,且操作簡單的優點,但其準確率低,有誤判的可能,且不適於早期檢測。而核酸檢測(PCR)的原理是將待測病毒的RNA序列,利用雙鏈複製原理,放大至一定數量級後,經化學作用以紫外光照射,此時待測物會放出螢光,再以循環偵測閾值(Ct值)作為傳染性指標,判斷病毒濃度,核酸檢測有非常高的靈敏度,能夠檢測到極微量的病毒濃度,以此作為確診與否的正式依據,然而PCR檢測物的操作過程耗時且繁複,以一般流程來說,核酸檢測(PCR)往往需耗時九十分鐘至數小時。於是如何在維持檢測的靈敏度,同時兼顧便利性與耗時性是目前生醫檢測上的重要指標。

陳教授研究團隊的新型冠狀病毒(SARS-CoV-2)生物檢測晶片是以冠狀病毒的刺突糖蛋白(S protein)為檢測標的,晶片的構造如圖1. 所示,玻璃基板上有一層經退火處理的奈米金薄膜,金顆粒上有小牛血清白蛋白(BSA)用以阻斷刺突糖蛋白(S protein)與金的反應。晶片使用APTMS修飾玻璃基板,並藉由GA鍵結刺突糖蛋白抗體(anti-S)。檢測流程如下:待測樣品會滴在晶片上,如其中有抗原,則會與晶片上的抗體反應產生鍵結,晶片清洗後再滴上γ-Fe2O3@Au 鐵核金殼磁性奈米粒子試劑,再洗去殘劑便可進行量測。

磁光效應(MO Effect)是指電磁波與磁性材料相互影響所產生的效應,而科頓-穆頓效應(Cotton-Mouton effect,CM effect)則特別指光在垂直傳播路徑磁場的影響下所發生雙折射的現象,其可用ΔCCMλB2   來描述,其中n為折射率,CCM為科頓-穆頓常數,λ為光的波長,B為外加磁場。科頓-穆頓常數取決於光所通過介質,當樣品中的抗原與生物晶片上的抗體結合後,生物晶片的表面形貌(morphology)會受到刺突糖蛋白的影響,讓後來覆蓋上去的磁性奈米粒子的排列形貌也跟著受到影響(圖1. 中所示),造成科頓-穆頓常數的改變。於是當刺突糖蛋白濃度越高,生物晶片表面形貌改變越大,磁光科頓-穆頓效應(MO CM effect)的變化也就越明顯,所以透過量測生物晶片MO CM effect的變化,我們就可以知道待測樣品中刺突糖蛋白濃度高低,達到病毒檢測的目的。此種檢測的機制,不受限於檢測對象,只要更改標靶抗體,此生物晶片亦能用來檢測其他疾病。

圖2. 為陳教授研究團隊所架設的光學測量系統示意圖,使用氦氖雷射做主光源,以線圈產生外加磁場,並藉由鎖相放大器的技術來量測MO CM effect所產生旋光角的變化。

圖2. MO CM效應測量系統

圖3. (a)生物晶片表面奈米結構SEM圖,(b)加入磁奈米粒子後的表面SEM圖,(c)生物晶片的外觀照片。

在圖3.a、b的SEM圖中,可以看見經退火處理的金奈米結構的表面形貌相當緻密,當覆蓋磁性奈米粒子後,表面形貌則變得相當粗糙。圖3.c 中可見製備完成的生物晶片外觀,周圍是固定用的載台,中心則留有圓形孔洞讓雷射光能夠通過。

圖4. (a) 刺突糖蛋白濃度與MO CM旋光角的關係圖,(b) 理論濃度和實際量測濃度的關係圖。

接著,研究團隊針對不同濃度的SARS-CoV-2刺突糖蛋白進行重覆檢測,每筆數據都是儀器量測100次平均的結果,如圖4.a 所示,當檢測濃度由106 µg/mL 到10 µg/mL,生物晶片表面粗糙度越大,進而使得旋轉角度的變化也越大。且由圖4.a 透過曲線擬合(紅線),進一步得出生物晶片對於SARS-CoV-2刺突糖蛋白的檢測極限濃度(LOD)為0.27 ng/mL(3.4 pM)。圖4.b 則指出生物晶片測得濃度與理論濃度呈高度線性相關,實際測得與理論濃度的比值計算出的回收率在80%–120%,這說明了以磁光生物晶片檢測SARS-CoV-2刺突糖蛋白的方法是可行且可靠的。

此外,生物晶片檢測的流程約為50分鐘,其中還包括3分鐘的光學系統量測時間,比一般PCR所需時間快,同時它0.27 ng/mL(3.4 pM)的檢測極限(LOD)已經可與一般商業化的酵素免疫分析套組(ELISA kit)相比較,更值得一提的是,實驗中生物晶片的成本相當低,而且也易於進行調整以檢測其它病源,生物晶片的可攜性高,將來若優化了反應機制、檢測時間,它會是一個兼具便利、迅速以及高靈敏度的檢測方法。

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