CN113588773B - 一种冠状病毒粒子检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种冠状病毒粒子检测装置，涉及病毒检测技术领域。本发明所述的冠状病毒粒子检测装置，包括石英基板、吹气嘴以及自旋波干涉仪，所述石英基板上设置铁磁流体，所述吹气嘴与所述石英基板连接，所述自旋波干涉仪与所述铁磁流体连接，所述铁磁流体适于在所述吹气嘴吹入带有冠状病毒粒子的空气或气溶胶后产生磁性变化，所述自旋波干涉仪的相干自旋波适于在所述铁磁流体磁性变化后产生相位差变化。本发明所述的技术方案，通过设置铁磁流体在与带有冠状病毒粒子的空气或气溶胶接触后产生磁性变化进而引起自旋波干涉仪的相干自旋波的相位差变化，通过检测相干自旋波的相位差变化能够确认是否含有冠状病毒粒子，实现冠状病毒粒子的快速检测。
Description
技术领域
本发明涉及病毒检测技术领域，具体而言，涉及一种冠状病毒粒子检测装置。
背景技术
冠状病毒是自然界中广泛存在的一大类RNA病毒，可感染哺乳动物、鸟类和两栖动物。一个冠状病毒颗粒(病毒粒子)由一个内含核酸(衣壳)和棘状突起(棘突)球形脂质包膜组成，由于病毒粒子的棘突类似太阳的日冕，因而被命名为冠状病毒。在病毒包膜的作用下，病毒粒子被吸附在细胞表面，通过结合位于细胞膜上的蛋白质受体进入细胞。
应对冠状病毒大流行的重要措施之一是能够迅速分辨和隔离冠状病毒携带者，因而需要在冠状病毒未出现典型症状的早期便检测出冠状病毒。虽然PCR(Polymerase ChainReaction，聚合酶链反应)方法可以早期在体内检测出冠状病毒，但是检测拭子需要运输到洁净度较高的实验室，并由专门的操作人员进行检测，通常需要6-12小时后才可以得到检测结果，因此PCR方法的检测耗时较长，在此期间冠状病毒携带者可能会造成冠状病毒大面积传播。
发明内容
本发明解决的问题是如何实现冠状病毒粒子的快速检测。
为解决上述问题，本发明提供一种冠状病毒粒子检测装置，包括石英基板、吹气嘴以及自旋波干涉仪，所述石英基板上设置铁磁流体，所述吹气嘴与所述石英基板连接，所述自旋波干涉仪与所述铁磁流体连接，所述铁磁流体适于在所述吹气嘴吹入带有冠状病毒粒子的空气或气溶胶后产生磁性变化，所述自旋波干涉仪的相干自旋波适于在所述铁磁流体磁性变化后产生相位差变化。
本发明所述的冠状病毒粒子检测装置，通过铁磁流体在与带有冠状病毒粒子的空气或气溶胶接触后产生磁性变化进而引起自旋波干涉仪的相干自旋波的相位差变化，从而通过检测相干自旋波的相位差变化就能够确认待测人员吹入气体中是否含有冠状病毒粒子，进而能够实现冠状病毒粒子的快速检测。
可选地，所述冠状病毒粒子检测装置还包括肽壳和受体，所述铁磁流体由铁氧体纳米颗粒组成，所述铁氧体纳米颗粒与所述受体设置在所述肽壳中，所述铁氧体纳米颗粒适于在所述受体与所述冠状病毒粒子发生相互作用时产生空间位置分布变化，其中，所述受体与所述冠状病毒粒子的病毒包膜蛋白空间结构互补。
本发明所述的冠状病毒粒子检测装置，通过将铁氧体纳米颗粒和受体设置在肽壳中，受体与冠状病毒粒子相互作用时带来的空间位置分布变化会引起铁磁流体的磁性发生变化，进而引起自旋波干涉仪的相干自旋波的相位差变化，从而通过检测相干自旋波的相位差变化就能够确认待测人员吹入气体中是否含有冠状病毒粒子，进而能够实现冠状病毒粒子的快速检测。
可选地，所述受体为人工环肽，所述人工环肽的肽链由蛋白氨基酸、鸟氨酸、β-丙氨酸和烷基残基组成，其中，所述蛋白氨基酸包括亮氨酸、谷氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸、色氨酸和丝氨酸。
本发明所述的冠状病毒粒子检测装置，通过设置受体为人工环肽，有效保证与冠状病毒粒子的相互作用，从而提高冠状病毒粒子检测的效率和准确率。
可选地，所述自旋波干涉仪包括第一端口、第二端口、第三端口和第四端口，所述第一端口和所述第二端口用于激发自旋波，所述第三端口和所述第四端口用于接收所述自旋波，所述第一端口或所述第二端口激发的所述自旋波适于在所述铁氧体纳米颗粒的空间位置分布变化后产生相位差变化。
本发明所述的冠状病毒粒子检测装置，通过设置第一端口或第二端口激发的自旋波在铁氧体纳米颗粒的空间位置分布变化后产生相位差变化，从而通过检测相干自旋波的相位差变化就能够确认待测人员吹入气体中是否含有冠状病毒粒子，进而能够实现冠状病毒粒子的快速检测。
可选地，所述自旋波干涉仪还包括由钇铁石榴石外延薄膜制备的敏感元件，所述敏感元件与所述铁磁流体相互接触，所述敏感元件适于在所述铁磁流体磁性变化后产生磁性分布变化。
本发明所述的冠状病毒粒子检测装置，通过设置由钇铁石榴石外延薄膜制备的敏感元件，提高冠状病毒粒子检测的灵敏度。
可选地，所述铁氧体纳米颗粒的大小与所述外延薄膜自旋波的长度相匹配，所述铁氧体纳米颗粒的结构和磁性分别与所述外延薄膜的结构和磁性相匹配。
本发明所述的冠状病毒粒子检测装置，通过设置铁氧体纳米颗粒的大小与外延薄膜自旋波的长度相匹配，铁氧体纳米颗粒的结构和磁性分别与外延薄膜的结构和磁性相匹配，实现冠状病毒粒子的实时检测。
可选地，所述自旋波干涉仪还包括依次连接的射频源、分配器、移相器和衰减器，所述衰减器与所述第一端口及所述第二端口连接。
本发明所述的冠状病毒粒子检测装置，通过设置依次连接的射频源、分配器、移相器和衰减器在第一端口和第二端口形成相干自旋波，通过检测相干自旋波的相位差变化就能够确认待测人员吹入气体中是否含有冠状病毒粒子，进而能够实现冠状病毒粒子的快速检测。
可选地，所述自旋波干涉仪还包括探测器，所述探测器与所述第三端口及所述第四端口连接。
本发明所述的冠状病毒粒子检测装置，通过设置探测器检测相干自旋波在第三端口和第四端口产生的电压，通过检测电压的变化确定相干自旋波的相位差变化，能够确认待测人员吹入气体中是否含有冠状病毒粒子，进而能够实现冠状病毒粒子的快速检测。
可选地，所述冠状病毒粒子检测装置还包括消毒室，所述消毒室与所述吹气嘴连接，所述吹气嘴和所述铁磁流体适于在完成一次冠状病毒粒子检测后进入所述消毒室内。
本发明所述的冠状病毒粒子检测装置，通过设置消毒室对吹气嘴和铁磁流体进行消毒，提高了冠状病毒粒子检测的安全性。
可选地，所述冠状病毒粒子检测装置还包括控制与电源装置，所述控制与电源装置与所述自旋波干涉仪及所述消毒室连接。
本发明所述的冠状病毒粒子检测装置，通过设置控制与电源装置，有利于冠状病毒粒子检测的顺利进行。
附图说明
图1为本发明实施例的冠状病毒粒子检测装置的结构示意图；
图2为本发明实施例的吹气嘴吹气示意图；
图3为本发明实施例的自旋波干涉仪的电路示意图；
图4为本发明实施例的自旋波干涉仪第三端口、第四端口两端电压与相干自旋波的相位差的曲线关系示意图。
附图标记说明：
1-石英基板，11-铁磁流体；2-吹气嘴；3-自旋波干涉仪，31-第一端口，32-第二端口，33-第三端口，34-第四端口，35-射频源，36-分配器，37-移相器，38-衰减器，39-探测器；4-消毒室；5-控制与电源装置。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
如图1所示，本发明实施例提供一种冠状病毒粒子检测装置，包括石英基板1、吹气嘴2以及自旋波干涉仪3，所述石英基板1上设置铁磁流体11，所述吹气嘴2与所述石英基板1连接，所述自旋波干涉仪3与所述铁磁流体11连接，所述铁磁流体11适于在所述吹气嘴2吹入带有冠状病毒粒子的空气或气溶胶后产生磁性变化，所述自旋波干涉仪3的相干自旋波适于在所述铁磁流体11磁性变化后产生相位差变化。
具体地，在本实施例中，冠状病毒粒子检测装置包括石英基板1、吹气嘴2以及自旋波干涉仪3，铁磁流体11涂抹在石英基板1上，吹气嘴2固定在石英基板1上。结合图2所示，箭头方向表示气体进入，当待测人员向吹气嘴2吹入气体(包含空气和气溶胶)时，若气体中含有冠状病毒粒子，则冠状病毒粒子会引起铁磁流体11产生磁性变化，当铁磁流体11产生磁性变化后，引起与铁磁流体11连接的自旋波干涉仪3的相干自旋波的相位差变化，从而通过检测相干自旋波的相位差变化就能够确认待测人员吹入气体中是否含有冠状病毒粒子，进而能够实现冠状病毒粒子的快速检测。
其中，本实施例的冠状病毒粒子检测装置能够广泛应用在各种场景，例如机场、火车站、超市等，同时其外形也可适应性调整，例如设计为类似酒精测醉器的形状。
在本实施例中，通过设置铁磁流体在与带有冠状病毒粒子的空气或气溶胶接触后产生磁性变化进而引起自旋波干涉仪的相干自旋波的相位差变化，从而通过检测相干自旋波的相位差变化就能够确认待测人员吹入气体中是否含有冠状病毒粒子，进而能够实现冠状病毒粒子的快速检测。
可选地，所述冠状病毒粒子检测装置还包括肽壳和受体，所述铁磁流体11由铁氧体纳米颗粒组成，所述铁氧体纳米颗粒与所述受体设置在所述肽壳中，所述铁氧体纳米颗粒适于在所述受体与所述冠状病毒粒子发生相互作用时产生空间位置分布变化，其中，所述受体与所述冠状病毒粒子的病毒包膜蛋白空间结构互补。
具体地，在本实施例中，铁磁流体11由铁氧体纳米颗粒(Y3Fe5O12)组成，铁氧体纳米颗粒和与冠状病毒粒子包膜蛋白空间结构互补的受体同时被包裹在肽壳中，带有冠状病毒粒子的空气或气溶胶吹入后，冠状病毒粒子与肽壳中病毒包膜蛋白空间结构互补的受体发生相互作用，改变同样被包裹在肽壳中的铁氧体纳米颗粒的位置分布，引起铁磁流体的磁性发生变化，导致相干自旋波的相位差变化，因此通过研究相干自旋波的相位差变化情况可以实现冠状病毒粒子的检测。
其中，含有受体的肽壳通过生产磁脂质体的技术将Y3Fe5O12铁氧体纳米颗粒包裹，制备成含有Y3Fe5O12铁氧体纳米颗粒的胶囊。随后，利用制备水基铁磁流体的合成技术将胶囊制备成铁磁流体。
其中，病毒与受体相互作用的原理在于，病毒能够选择性地与某些细胞受体结合，这种能力被称为病毒的亲嗜性，冠状病毒中的ACE2受体会选择性的与某些细胞结合。
在本实施例中，通过将铁氧体纳米颗粒和受体设置在肽壳中，受体与冠状病毒粒子相互作用时带来的空间位置分布变化会引起铁磁流体的磁性发生变化，进而引起自旋波干涉仪的相干自旋波的相位差变化，从而通过检测相干自旋波的相位差变化就能够确认待测人员吹入气体中是否含有冠状病毒粒子，进而能够实现冠状病毒粒子的快速检测。
可选地，所述受体为人工环肽，所述人工环肽的肽链由蛋白氨基酸、鸟氨酸、β-丙氨酸和烷基残基组成，其中，所述蛋白氨基酸包括亮氨酸、谷氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸、色氨酸和丝氨酸。
具体地，在本实施例中，受体为人工环肽，人工环肽的肽链由蛋白氨基酸、鸟氨酸(也可以是二氨基缬氨酸)、β-丙氨酸和烷基残基组成，其中，蛋白氨基酸包括亮氨酸、谷氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸、色氨酸和丝氨酸。其中，人工环肽受体在空间结构上与冠状病毒刺突以及ACE-2互补，因此可以相互作用。由于病毒的亲嗜性，人工受体与病毒以外的物质相互作用的概率很低，因此能够最大限度地满足配体的互补标准。
在本实施例中，通过设置受体为人工环肽，有效保证与冠状病毒粒子的相互作用，从而提高冠状病毒粒子检测的效率和准确率。
可选地，所述自旋波干涉仪3包括第一端口31、第二端口32、第三端口33和第四端口34，所述第一端口31和所述第二端口32用于激发自旋波，所述第三端口33和所述第四端口34用于接收所述自旋波，所述第一端口31或所述第二端口32激发的所述自旋波适于在所述铁氧体纳米颗粒的空间位置分布变化后产生相位差变化。
具体地，在本实施例中，结合图3所示，自旋波干涉仪3包括第一端口31、第二端口32、第三端口33和第四端口34，第一端口31和第二端口32用于激发自旋波，第三端口33和第四端口34用于接收自旋波，即交流电在第一端口31和第二端口32的导体周边产生一个突变磁场，激发生成自旋波并使其沿着第一端口31和第二端口32的正交臂在Y3-xFe5+xO12外延薄膜中传播，最终在正交臂的交点处产生干涉，当铁氧体纳米颗粒的空间位置分布变化后，第一端口31或第二端口32激发的自旋波会受到影响产生相移，产生相位差变化。
结合图4所示，由于自旋波相位差不同，生成的电压值大小也不相同，图4展示了输出电压Vind与相干自旋波相位差△φ的曲线关系示意图。此外，外部磁场H会对在正交臂中传播的自旋波产生不同的相移，因此相位差△φ和输出电压Vind的大小情况均取决于H。
在本实施例中，通过设置第一端口31或第二端口32激发的自旋波在铁氧体纳米颗粒的空间位置分布变化后产生相位差变化，从而通过检测相干自旋波的相位差变化就能够确认待测人员吹入气体中是否含有冠状病毒粒子，进而能够实现冠状病毒粒子的快速检测。
可选地，所述自旋波干涉仪3还包括由钇铁石榴石外延薄膜制备的敏感元件，所述敏感元件与所述铁磁流体11相互接触，所述敏感元件适于在所述铁磁流体11磁性变化后产生磁性分布变化。
具体地，在本实施例中，自旋波干涉仪3还包括由钇铁石榴石外延薄膜(Y3-xFe5+ xO12，0≤x≤1.5)制备的敏感元件，薄膜的特点在于能使自旋波谱对微观尺度的外部次扰动的灵敏度增加，从而当铁磁流体11磁性变化后，与铁磁流体11相互接触的敏感元件产生磁性分布变化，铁磁流体磁性的变化使得高灵敏度的Y3-xFe5+xO12薄膜表面磁性出现微小的不均匀性，导致自旋波在第一端口31或第二端口32对应干涉仪臂上传播的频谱发生变化，引起正交臂中自旋波之间的相位差△φ发生变化。
其中，敏感元件外延薄膜其实就是一个十字形状，自旋波干涉仪是基于外延薄膜的，从外延膜上切割出十字形样品。即自旋波在膜的十字形样品的四臂传播。
在本实施例中，通过设置由钇铁石榴石外延薄膜制备的敏感元件，提高冠状病毒粒子检测的灵敏度。
可选地，所述铁氧体纳米颗粒的大小与所述外延薄膜自旋波的长度相匹配，所述铁氧体纳米颗粒的结构和磁性分别与所述外延薄膜的结构和磁性相匹配。
具体地，在本实施例中，铁氧体纳米颗粒的大小与外延薄膜自旋波的长度相匹配，铁氧体纳米颗粒的结构和磁性分别与外延薄膜的结构和磁性相匹配。Y3Fe5O12铁氧体纳米颗粒的大小与Y3-xFe5+xO12薄膜自旋波的长度相当，且薄膜和铁氧体纳米颗粒的结构和磁性大致相同，因此可以实现单个病毒粒子的检测。病毒粒子与蛋白质分子相互作用的时间大约在数十秒到数百秒之间，同时考虑到铁磁流体磁性变化速率，检测时间约为1-2分钟，大大简化和加快检测呼出的空气或气溶胶中病毒粒子的步骤，实现冠状病毒粒子的实时检测。
在本实施例中，通过设置铁氧体纳米颗粒的大小与外延薄膜自旋波的长度相匹配，铁氧体纳米颗粒的结构和磁性分别与外延薄膜的结构和磁性相匹配，实现冠状病毒粒子的实时检测。
可选地，所述自旋波干涉仪3还包括依次连接的射频源35、分配器36、移相器37和衰减器38，所述衰减器38与所述第一端口31及所述第二端口32连接。
具体地，在本实施例中，结合图3所示，自旋波干涉仪3还包括依次连接的射频源35、分配器36、移相器37和衰减器38，衰减器38与第一端口31及第二端口32连接。射频源35可以产生固定频率的正弦波电压，通过分配器36分成两个一样的相，移相器37用于对波的相位进行调整，衰减器38用于调整信号大小及缓冲变化，最终在第一端口31和第二端口32形成相干自旋波，通过检测相干自旋波的相位差变化就能够确认待测人员吹入气体中是否含有冠状病毒粒子，进而能够实现冠状病毒粒子的快速检测。
在本实施例中，通过设置依次连接的射频源、分配器、移相器和衰减器在第一端口和第二端口形成相干自旋波，通过检测相干自旋波的相位差变化就能够确认待测人员吹入气体中是否含有冠状病毒粒子，进而能够实现冠状病毒粒子的快速检测。
可选地，所述自旋波干涉仪3还包括探测器39，所述探测器39与所述第三端口33及所述第四端口34连接。
具体地，在本实施例中，结合图3所示，自旋波干涉仪3还包括探测器39，探测器39与第三端口33及第四端口34连接，探测器39用于检测相干自旋波在第三端口33和第四端口34产生的电压，通过检测电压的变化确定相干自旋波的相位差变化，能够确认待测人员吹入气体中是否含有冠状病毒粒子，进而能够实现冠状病毒粒子的快速检测。
在本实施例中，通过设置探测器检测相干自旋波在第三端口33和第四端口34产生的电压，通过检测电压的变化确定相干自旋波的相位差变化，能够确认待测人员吹入气体中是否含有冠状病毒粒子，进而能够实现冠状病毒粒子的快速检测。
可选地，所述冠状病毒粒子检测装置还包括消毒室4，所述消毒室4与所述吹气嘴2连接，所述吹气嘴2和所述铁磁流体11适于在完成一次冠状病毒粒子检测后进入所述消毒室4内。
具体地，在本实施例中，冠状病毒粒子检测装置还包括消毒室4，消毒室4与吹气嘴2连接，吹气嘴2和铁磁流体11在完成一次冠状病毒粒子检测后进入消毒室4内，铁磁流体11短时间内在交变磁场中迅速升温并消毒。消毒完成后，丢弃带有铁磁流体的一次性吹气嘴2。
在本实施例中，通过设置消毒室对吹气嘴和铁磁流体进行消毒，提高了冠状病毒粒子检测的安全性。
可选地，所述冠状病毒粒子检测装置还包括控制与电源装置5，所述控制与电源装置5与所述自旋波干涉仪3及所述消毒室4连接。
具体地，在本实施例中，冠状病毒粒子检测装置还包括控制与电源装置5，控制与电源装置5与自旋波干涉仪3及消毒室4连接，为自旋波干涉仪3及消毒室4提供电源支持，并对检测过程进行控制。
在本实施例中，通过设置控制与电源装置，有利于冠状病毒粒子检测的顺利进行。
虽然本发明公开披露如上，但本发明公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本发明公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种冠状病毒粒子检测装置，其特征在于，包括石英基板(1)、吹气嘴(2)以及自旋波干涉仪(3)，所述石英基板(1)上设置铁磁流体(11)，所述吹气嘴(2)与所述石英基板(1)连接，所述自旋波干涉仪(3)与所述铁磁流体(11)连接，所述铁磁流体(11)适于在所述吹气嘴(2)吹入带有冠状病毒粒子的空气或气溶胶后产生磁性变化，所述自旋波干涉仪(3)的相干自旋波适于在所述铁磁流体(11)磁性变化后产生相位差变化；
所述冠状病毒粒子检测装置还包括肽壳和受体，所述铁磁流体(11)由铁氧体纳米颗粒组成，所述铁氧体纳米颗粒与所述受体设置在所述肽壳中，所述铁氧体纳米颗粒适于在所述受体与所述冠状病毒粒子发生相互作用时产生空间位置分布变化，其中，所述受体与所述冠状病毒粒子的病毒包膜蛋白空间结构互补；
其中，所述受体为人工环肽，所述人工环肽的肽链由蛋白氨基酸、鸟氨酸、β-丙氨酸和烷基残基组成，其中，所述蛋白氨基酸包括亮氨酸、谷氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸、色氨酸和丝氨酸。
2.根据权利要求1所述的冠状病毒粒子检测装置，其特征在于，所述自旋波干涉仪(3)包括第一端口(31)、第二端口(32)、第三端口(33)和第四端口(34)，所述第一端口(31)和所述第二端口(32)用于激发自旋波，所述第三端口(33)和所述第四端口(34)用于接收所述自旋波，所述第一端口(31)或所述第二端口(32)激发的所述自旋波适于在所述铁氧体纳米颗粒的空间位置分布变化后产生相位差变化。
3.根据权利要求2所述的冠状病毒粒子检测装置，其特征在于，所述自旋波干涉仪(3)还包括由钇铁石榴石外延薄膜制备的敏感元件，所述敏感元件与所述铁磁流体(11)相互接触，所述敏感元件适于在所述铁磁流体(11)磁性变化后产生磁性分布变化。
4.根据权利要求3所述的冠状病毒粒子检测装置，其特征在于，所述铁氧体纳米颗粒的大小与所述外延薄膜自旋波的长度相匹配，所述铁氧体纳米颗粒的结构和磁性分别与所述外延薄膜的结构和磁性相匹配。
5.根据权利要求2所述的冠状病毒粒子检测装置，其特征在于，所述自旋波干涉仪(3)还包括依次连接的射频源(35)、分配器(36)、移相器(37)和衰减器(38)，所述衰减器(38)与所述第一端口(31)及所述第二端口(32)连接。
6.根据权利要求2所述的冠状病毒粒子检测装置，其特征在于，所述自旋波干涉仪(3)还包括探测器(39)，所述探测器(39)与所述第三端口(33)及所述第四端口(34)连接。
7.根据权利要求1所述的冠状病毒粒子检测装置，其特征在于，还包括消毒室(4)，所述消毒室(4)与所述吹气嘴(2)连接，所述吹气嘴(2)和所述铁磁流体(11)适于在完成一次冠状病毒粒子检测后进入所述消毒室(4)内。
8.根据权利要求7所述的冠状病毒粒子检测装置，其特征在于，还包括控制与电源装置(5)，所述控制与电源装置(5)与所述自旋波干涉仪(3)及所述消毒室(4)连接。
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