Спектроскопия электромагнитной дезактивации коронавируса человека 229E

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 8886 (2023) Цитировать эту статью

683 Доступа

Подробности о метриках

Исследование дезактивации возбудителей с помощью электромагнитных волн микроволновой области спектра достигается с помощью специально изготовленных волноводных конструкций. Волноводы оснащены субволновыми решетками, что позволяет интегрировать систему воздушного охлаждения, не нарушая внутренние распространяющиеся поля. Волноводы имеют коническую форму, чтобы разместить внутри экспериментальный образец при достаточном окружающем потоке воздуха. Предложенная методология позволяет точно контролировать плотность мощности благодаря четко определенной основной моде, возбуждаемой в каждом волноводе, а также контролировать температуру образца из-за микроволнового воздействия с течением времени. Коронавирус человека (HCoV-229E) исследуется в диапазоне 0–40 ГГц, где пиковое 3-логарифмическое снижение вируса наблюдается в поддиапазоне 15,0–19,5 ГГц. Мы пришли к выводу, что HCoV-229E имеет собственный резонанс в этом диапазоне, где нетепловое повреждение структуры является оптимальным за счет эффекта структурно-резонансной передачи энергии.

Деактивация патогенов с помощью электромагнитных (ЭМ) волн микроволнового диапазона привлекает растущий исследовательский интерес1,2,3,4,5,6,7,8,9. Бесконтактный характер деактивации микроволнового излучения является особенностью, которая делает этот метод особенно полезным в контексте кризисов общественного здравоохранения, вызванных недавней и продолжающейся пандемией SARS-CoV-2. Микроволны могут деактивировать вирион одним из двух способов: посредством термического нагрева или посредством процесса, известного как структурно-резонансный перенос энергии (SRET). Последний основан на идее о том, что вирусы с оболочкой простой сферической геометрии будут резонировать в присутствии электромагнитной волны2,3,4,5. Максимизация амплитуды акустических колебаний, возбуждаемых внутри сферического вируса, важна для того, чтобы вызвать наибольшее смещение и нагрузку на структуру оболочки, что в конечном итоге может привести к ее разрыву. Текущее моделирование акустических диполярных колебаний в сферических вирусах предсказывает, что наибольший стресс, создаваемый электромагнитными волнами одинаковой интенсивности, возникает в микроволновом режиме2,4,10, что подтверждается растущим количеством экспериментальных данных2,3,5. Деактивация вируса гриппа A (H3N2) была продемонстрирована с использованием микроволн малой плотности мощности, при которых мембрана вируса разрывается за счет эффекта SRET2. В этом исследовании вирусный раствор показал 3-логарифмическое снижение активности вируса после 15 минут микроволнового освещения рупорной антенной, работающей на частоте 8,2 ГГц. Применение эффекта SRET является многообещающим нетепловым средством дезактивации вредных патогенов с собственными резонансами в микроволновом режиме из-за предполагаемой низкой требуемой плотности мощности2,3,4.

Микроволновая стерилизация малой мощности без нагрева требует знания внутреннего естественного резонанса вириона, чтобы наиболее эффективно передавать как можно большую часть ограниченной доступной энергии. Экспериментальное изучение спектроскопии микроволнового поглощения вируса технически сложно, а именно из-за чувствительности, необходимой для разумного обнаружения и различения реакции, приписываемой частицам малого размера. Предложенные методы включают линии микроволновой передачи, в которые вводятся небольшие объемы раствора, чтобы нарушить направленные микроволны внутри структуры2,3,5,8. Датчик сначала измеряется только с жидкостью-носителем в качестве эталона, а затем следует измерение, содержащее некоторую концентрацию вируса. Затем проводится относительное сравнение для выявления режимов, в которых теряется больше микроволновой мощности, что указывает на поглощение вирусом. Эта методология использовалась для идентификации резонансов микроволнового поглощения SARS-CoV-23, гриппа A (H3N2)2 и вируса синдрома белых пятен8.

В этом отчете мы представляем новую методологию контроля температуры для изучения электромагнитных взаимодействий с патогенами. Человеческий коронавирус HCoV-229E (229E) выбран для использования в качестве суррогатной модели биобезопасности для более высокопатогенных коронавирусов. Его сферическая геометрия и расположение белков-шипов типичны для многих вирусов с оболочкой. Наша методология демонстрируется путем изучения дезактивации 229E на основе SRET в диапазоне 0,8–40 ГГц и выявления собственного резонанса в режиме 15,0–19,5 ГГц. В этом режиме 3-логарифмическое снижение количества активного вируса наблюдалось уже после 7,5 минут воздействия микроволнового излучения. Используются прямоугольные волноводы, которые предназначены для размещения образца внутри, подвергая образец воздействию четко определенных электрических полей. Это обладает ключевым преимуществом, заключающимся в точном контроле над интенсивностью поля и плотностью мощности, воздействующей на экспериментальный образец. Субволновые решетки введены в стенки волновода для интеграции системы охлаждения воздушным потоком, не нарушая распространяющиеся поля. Во время экспериментов образцы вируса постоянно охлаждают, чтобы обеспечить уверенность в том, что любая наблюдаемая дезактивация связана с акустическими колебаниями, вызванными SRET, а не с избыточным микроволновым нагревом раствора-носителя. Используя эту методологию, вирусы можно изучать при различных критериях плотности мощности и времени, что позволяет определить оптимальные частотные режимы и ожидаемую степень дезактивации вируса. Эта информация имеет решающее значение для разработки новых микроволновых технологий для контроля передачи инфекции, стерилизации и клинического лечения.