快速准确地检测病毒确实可以决定生与死。针对这一挑战，研究人员开发了中红外光热显微镜系统来帮助准备和应对工作。

图 1. WIDE-MIP 显微镜的示意图和原理。

波士顿大学（BU）研究人员团队开发了一种宽场干涉散焦增强中红外 (mid-IR) 光热 (WIDE-MIP) 显微镜（参见图1），可对生物体进行基于分子振动指纹光谱的识别和分析。文章中，研究人员创建了相关理论框架来计算不同尺寸的单个纳米颗粒的散焦干涉光热图像，并提供了相对于颗粒标称焦点位置进行最佳中红外光热检测的焦点位置。

对100nm聚甲基丙稀酸甲酯颗粒进行分子振动光谱检测，实现了与传统扫描方法的类似的信噪比水平，但吞吐量高出三个数量级。

“通过简单地调整红外波数，就可以从高光谱图像中获取单个病毒的 WIDE-MIP 光谱，”领导这项研究的波士顿大学 Moustakas 光子学和光电子学讲席教授 Ji-Xin Cheng （程继新）如是说到。

由于光热信号是可见光束强度的调制，因此人们普遍认为，最大化的亮光对比度会实现理想的中红外光热对比度。 程教授解释说，“干涉式中红外光热显微镜的情况并非如此，其中信号很大程度上取决于粒子散射光子与基底反射参考场之间的相对相位。

”相反，我们发现通过微调物镜的焦点位置，散焦干涉成像可以大大提高 MIP 对比度。”程教授如是说。

直面挑战

程教授说：“现阶段，我们迫切需要开发快速准确的病毒检测工具”，并引用了他的团队长达数年的研究项目背后的动机。 “长期以来，我们遭受过各种病毒性流行病的困扰，例如流感、非典、黄热病等。 2022 年初出现的猴痘疫情在 COVID-19 大流行期间对全球健康构成了新的威胁。”

目前使用的病毒诊断测试通常依赖于核酸或表面蛋白的检测。然而，这一挑战变得更加艰巨，因为病毒颗粒非常小，并且含有“低丰度的化学成分”。例如，一种水泡性口炎病毒仅仅含有大约 5000 个蛋白质，”程教授说。

单个病毒粒子中病毒核酸的量通常低于病毒蛋白的量。如果没有信号放大技术，包括聚合酶链式反应 (PCR)，检测病毒核酸是很困难的。

“虽然核酸扩增测试和抗原快速诊断测试 (RDT) 可以提供准确的测试结果，但它们通常需要对大量病毒体进行预处理、提取或标记，这会增加任何检测的时间。”程教授解释道。值得注意的是，即使患者已经康复或没有可培养的病毒，患者样本中的残留病毒 RNA 仍然可以检测到。因此，PCR 或 RDT 在早期阶段可能效果很好，但到了最后就如同抛硬币一样。”

传统的光学检测方法已显示出潜在的临床诊断价值。干涉显微镜是用于单病毒追踪、病毒感染研究以及临床应用示范的显微镜。但这些方法缺乏病毒的分子信息，而化学成分对病毒的结构和功能至关重要。这使得新的补充方法对于识别具有保留结构的完整病毒粒子以确认病毒感染并减少误诊至关重要。

几年前，程教授的团队开发了一种用于超快化学成像的宽视场 MIP 显微镜。但其检测灵敏度有局限性。 “现有的宽场 MIP 显微镜无法满足检测单个病毒纳米颗粒和进行精确光谱分析的要求，”他说。

从那以后的几年里，波士顿大学的研究人员取得了一些显着的、成功的改进。

他们的增强型 WIDE-MIP 显微镜拥有一个新的关键功能：先进的成分检测，本质上是识别单个病毒中病毒核酸和蛋白质成分的能力。新型显微镜可识别样品中的吸收峰，揭示 DNA 和 RNA 病毒中病毒蛋白和核酸的具体含量。它还可以揭示有关病毒结构成分和化学成分的关键细节。

“ WIDE-MIP 能够区分 DNA 和 RNA 病毒，”程教授说。 “这为了解病毒载体和筛查病毒性疾病提供了新途径。”

研究人员表示，WIDE-MIP 成像的另一个优点是可深入了解蛋白质的功能（见图 2）。它揭示了病毒结构成分的关键细节，例如 β 片层的丰富存在——β 链（β 链）通过几个骨架氢键横向连接，形成通常扭曲的、打褶的 β 片层——DNA 中的成分水痘带状疱疹病毒蛋白（导致水痘和带状疱疹）。

图 2. 个别牛痘 (VACV) 和水泡性口炎 (VSV) 病毒的指纹图谱检测。

“这些信息可能有助于阐明这些蛋白质在病毒组装和病毒粒子活性中的功能，”程教授说。

WIDE-MIP 技术可实现高通量分析。 程教授引用扫描 MIP 系统的话说，研究人员发现与现有方法相比，吞吐量“大幅增加”。 WIDE-MIP 显微镜的带宽高出三个数量级，使其成为病毒研究中临床和研究应用的强大工具（见图 3）。

图 3. 单个水痘带状疱疹 (VZV) 病毒的蛋白质二级结构鉴定。

准备就绪的关键

虽然 WIDE-MIP 系统自诞生以来已经取得了显着进步，但程教授 团队在将其用于实际环境之前还有更多工作要做。

用于病毒检测和分析的WIDE-MIP显微镜目前仍处于研发阶段。 程教授表示，该团队正在探索将其商业化的途径，其中包括进一步验证该技术的可靠性和稳健性、扩大生产和分销规模以及使其适应实际临床和诊断用途。

“我们的技术显示出巨大的前景，并且已经在病毒分析方面取得了重大进展，”程教授说到， “但它可能需要一段时间才能成为真正的产品。”

研究人员现在正在解决对复杂临床样本、微流体和抗体修饰基底的担忧，这些基底用于在血清等复杂介质中固定特定病毒。对于应用，在处理临床样本时优选更大的视野。 程教授解释说，在 WIDE-MIP 的当前配置中，IR 泵浦光束是松散聚焦的，由于 IR 功率密度的限制，可提供有效的成像视场目前比较有限(~50 µm)。

研究小组发现，解决这些限制意味着可以使用具有高能量的更强大的红外激光器和具有更长焦距的红外聚焦光学器件来增加视场。

“我们未来对 WIDE-MIP 的改进还将侧重于液体条件下的病毒或外泌体指纹识别，从而能够检测自然状态下的生物纳米颗粒样本。”程教授补充说，研究人员还可以通过结合微流体系统和设计的基质来捕获来实现这一目标。病毒并增强液体测量中的成像对比度。 “这将扩大 WIDE-MIP 在实际应用中的适用性。”

延伸阅读

Q. Xia et al., Nat. Commun., 14, 6655 (2023); https://doi.org/10.1038/s41467-023-42439-4 。