用于检测致病性病毒及其相关蛋白和预判新型未知病毒的方法.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010656097.7 (22)申请日 2020.07.09 (71)申请人 温州医科大学 地址 325000 浙江省温州市学院西路82号 (72)发明人 刘啸虎王毅张庆文李阳 解瑞峰 (74)专利代理机构 北京汇信合知识产权代理有 限公司 11335 代理人 张焕响 (51)Int.Cl. G01N 33/569(2006.01) G01N 21/552(2014.01) G01N 21/59(2006.01) G01N 21/25(2006.01) G01N 21/64。

2、(2006.01) G01N 21/65(2006.01) (54)发明名称 一种用于检测致病性病毒及其相关蛋白和 预判新型未知病毒的方法 (57)摘要 本发明提供一种用于检测致病性病毒及其 相关蛋白和预判新型未知病毒的方法， 包括预先 准备包含生物分子层的生物芯片； 将待检测的样 品注入到流通池中， 样品与生物分子层上不同位 点处修饰的不同生物分子发生不同程度的结合 反应； 利用成像设备追踪结合反应发生时引起的 反射或透射光强在不同位点的不同变化， 组成信 号集； 将信号集转换为数据集， 利用优化完毕的 算法模型对数据集进行模式识别， 分析出样品中 所含病毒是否属于已经发现的病毒， 如果为已。

3、经 发现的病毒则判别其种类， 如果为未知病毒则进 行预警。 本发明可以迅速及时识别病毒种类， 并 进行预警， 提前布局、 防控疫情， 缓解疫情初期的 公共卫生压力， 从而降低因疫情爆发导致的人员 伤亡和经济损失。 权利要求书2页 说明书7页 附图2页 CN 111766383 A 2020.10.13 CN 111766383 A 1.一种用于检测致病性病毒及其相关蛋白和预判新型未知病毒的方法， 其特征在于， 包括如下内容： 预先准备包含生物分子层的生物芯片； 所述生物芯片自下而上由基底材料、 金属层和 生物分子层依次紧贴组成； 所述生物分子层由不同的生物分子以阵列的形式修饰到所述金 属层， 。

4、所述生物分子种类包括蛋白质类分子、 多肽类分子、 寡核苷酸类分子、 肽核酸类分子、 寡聚糖类分子和脂质类分子， 或者上述种类的任意组合； 将待检测的样品注入到流通池中， 所述样品与所述生物分子层上不同位点处修饰的不 同生物分子发生不同程度的结合反应； 利用成像设备追踪所述结合反应发生时引起的反射或透射光强在不同位点的不同变 化， 组成信号集； 将所述信号集转换为数据集， 利用优化完毕的算法模型对所述数据集进行模式识别， 分析出所述样品中所含病毒是否属于已经发现的病毒， 如果为已经发现的病毒则判别其种 类， 如果为未知病毒则进行预警。 2.根据权利要求1所述的用于检测致病性病毒及其相关蛋白和预判。

5、新型未知病毒的方 法， 其特征在于， 所述基底材料选取折射率在1.0-3.0之间的透明材料， 包括但不限于玻璃、 石英、 有机玻璃。 3.根据权利要求1所述的用于检测致病性病毒及其相关蛋白和预判新型未知病毒的方 法， 所述金属层以连续、 阵列、 辐射排列或所述图案相互组合的形式分布于所述基底材料 上， 使得所述金属层上不同位点处能够修饰不同的生物分子； 所述金属层材料包括但不限于金属薄膜、 具有周期性纳米结构孔洞的金属薄膜和具有 周期性纳米结构的金属颗粒； 金属的种类包括但不限于金、 银、 铂、 铜、 铝。 4.根据权利要求1所述的用于检测致病性病毒及其相关蛋白和预判新型未知病毒的方 法， 其。

6、特征在于， 所述修饰方法包括通过金属-巯基化学共价键完成、 一层自组装分子之上 通过化学共价键完成、 配位键完成和其他物理吸附完成。 5.根据权利要求1所述的用于检测致病性病毒及其相关蛋白和预判新型未知病毒的方 法， 其特征在于， 所述成像设备包括表面等离子共振SPR成像设备、 光谱成像设备、 拉曼成像 设备， 荧光以及其他光学手段的成像设备或上述成像技术任意组合的成像设备。 6.根据权利要求5所述的用于检测致病性病毒及其相关蛋白和预判新型未知病毒的方 法， 其特征在于， 所述生物芯片与所述成像设备配套使用， 并根据不同的成像技术而做出适 应性的整体改动， 改动的部分包括生物芯片材料的构成和成。

7、像检测的形式。 7.根据权利要求1所述的用于检测致病性病毒及其相关蛋白和预判新型未知病毒的方 法， 其特征在于， 在优化算法模型时， 预先准备若干类别已知的病毒及其蛋白样品并对样品 编号； 在所述成像设备的辅助下， 依次采集所述类别已知的病毒及其蛋白和所述生物芯片 的生物分子层发生结合反应时的信号特征， 然后根据病毒的类别对所述信号特征进行标 注， 得到特定种类病毒与信号特征之间的对应关系。 8.根据权利要求7所述的用于检测致病性病毒及其相关蛋白和预判新型未知病毒的方 法， 其特征在于， 所述结合反应所产生的信号集转换为数据集， 即： I(x,y),x1,2,.,N,y1,2,.,M 其中I(。

8、x,y)表示各个位点反应前后的光信号变化值， (x,y)表示位点的位置信息； 权利要求书 1/2 页 2 CN 111766383 A 2 有K个类别病原体P1,P2,.,PK， 给定探测数据集 D(I1(x,y),P1),(I2(x,y),P2),.,(IK(x,y),PK)， 利用分类识别算法一对一将这K个类别两两配对， 从而实现对病原体种类的检测， 即： PKf(Ik(x,y),k1,2,.,K 其中f()表示分类识别模型即所述优化完毕的算法模型， 分类识别算法包括但不限 于偏最小二乘法,支持向量机， 人工神经网络方法； 利用给定的探测数据集D， 获得分类模型f()后， 对于未知的光学变。

9、化信号I(x,y)， 获得对应的病原体类别： Pkf(I(x,y),k1,2,.,K， 从而识别待测样品中的病毒 是否为已知病毒及其所属类别； 所述数据集处理方式还可以利用特征提取的方法对原始的光信号I(x,y)进行预处 理， 建立病原体信息与特征之间的识别模型， 即： Pkf(hk),k1,2,.,K 其中hkf(Ik(x,y)是对应第k类病原体的光学信号Ik(x,y)的特征值， f()表 示原始光学信号与特征值之间的函数转化关系； 相应的特征提取方法包含但不限于主成分 分析PCA方法。 权利要求书 2/2 页 3 CN 111766383 A 3 一种用于检测致病性病毒及其相关蛋白和预判新。

10、型未知病毒 的方法 技术领域 0001 本发明涉及病毒种类识别技术领域， 特别是涉及一种用于检测致病性病毒及其相 关蛋白和预判新型未知病毒的方法。 背景技术 0002 病毒是一种极易变异并切换宿主的微小生物， 对人类社会的进程产生巨大的冲 击。 着眼未来， 病毒肯定还会反复地袭击人类社会， 造成巨大人员伤亡和经济损失。 0003 现有的针对病毒、 特别是SARS-CoV-2的检测技术可大体分为病毒的分离培养及鉴 定、 分子诊断技术和免疫检测技术等方法。 0004 在病毒的分离培养及鉴定方法中病毒分离一直是实验室诊断病毒的黄金标准， 病 毒分离所必需的条件是病毒培养， 通过一系列样本的采集(如鼻。

11、咽拭子、 气管抽取物、 痰或 肺组织、 血液、 粪便等)与在严格的实验室条件之下成功接种于人体细胞并培养出来的病 毒， 利用经典的科赫法则进行病毒的致病性鉴定， 利用电子显微镜对病毒颗粒进行形态观 察， 利用测序仪器对病毒的全基因进行测序与检测， 并最终确定病毒类型。 0005 分子诊断技术主要包括跟病毒基因有关的测序， 扩增与核酸检测技术。 其中病毒 全基因组测序是研发其他核酸检测技术的基础， 通常被运用于未知病毒的识别检测， 并为 我们对病毒所致疾病提供基础的可参考信息。 我国科学家利用二代测序技术在短时间内便 从患者体内成功分离培养了SARS-CoV-2并进行了基因组测序， 确定了该病毒。

12、属于 冠状病 毒属， 是人类已知六种冠状病毒之外的第七种冠状病毒， 这为各国科学家研制针对新冠病 毒的特异性核酸检测试剂盒与新技术提供了巨大的帮助。 基因组测序对疑似患者确诊的准 确度非常高。 但病毒分离培养需要在安全等级足够的生物实验室由专人进行， 所需时间较 长， 危险性也较高， 并不适用于临床的快速高通量筛查诊断。 基于聚合酶链反应技术(PCR) 的核酸检测技术， 在已知SARS-CoV-2的完整基因序列的前提下， 通过收集疑似患者的呼吸 道样本进行逆转录PCR(RT-PCR)可对疑似患者进行早期诊断。 具体又可以分为传统RT-PCR、 实时RT-PCR、 实时荧光定量RT-PCR等， 。

13、以及结合了微流控技术的可以绝对定量的数字PCR。 该系列技术已经发展得较为成熟， 商业化程度高， 在全球范围内有多家公司生产与之配套 的试剂盒与检测设备。 仅在国内已有多家企业研发了新冠病毒的核酸检测试剂盒并已经具 备医疗器械注册证。 等温核酸扩增技术也在近些年来收到了越来越多的关注。 其中环介导 等温扩增(LAMP)应用最为广泛。 此种技术不需要传统PCR中严格的温控条件， 在恒温状态下 即可完成扩增程序， 其检测灵敏度可以与实时荧光定量 RT-PCR相近， 可以在1小时左右完 成扩增， 但其技术难度(主要是引物设计难度)较高， 并且较难进行高通量的检测。 另外， 新 兴的基因编辑技术也在最。

14、近被应用到新冠病毒的检测中。 最为瞩目的便是结合了CRISPR/ Cas技术和重组聚合酶扩增技术(RPA)的SHERLOCK技术， 该技术能够在恒温条件下对痕量的 靶 RNA进行扩增并在1小时内完成可视化的检测。 具有操作简便、 较为快速、 高灵敏度等特 点。 核酸质谱技术也属于新型技术， 结合了核酸扩增与质谱检测， 具有高精确度、 高灵敏度、 说明书 1/7 页 4 CN 111766383 A 4 高通量等特点。 国内也已有企业研发可同时检测多种病原体的核酸质谱试剂盒。 但此方法 需要高端质谱仪， 仪器成本非常高， 并且对人员操作的资质要求较高。 总之， 以核酸扩增技 术为核心的各类核酸检。

15、测普遍具有较高的灵敏度， 但检测结果很大程度取决于样品采集与 保存的质量(RNA 易降解)； 检测所需时间较长， 通常为几个小时不等； 所需试剂成本较高； 对人员操作要求较高， 步骤繁琐； 对仪器设备要求较高， 其中各类型核酸扩增设备与质谱设 备非常昂贵。 0006 免疫检测技术中免疫胶体金技术是最早研发的免疫检测方法之一， 因为其固有的 操作方便快速， 成本较低等特点， 被广泛的应用在基层检测站点和现场检测。 通常情况下， 该技术可以用来直接检测病原体抗原蛋白， 也可以用来检测人体通过免疫反应已经产生的 特异性IgM和IgG抗体。 国内已经有多家生物公司成功开发出可以检测对SARS-CoV-。

16、2蛋白有 特异反应的人体血液中的IgM和 IgG抗体。 但其由于灵敏度取决于蛋白之间的相互作用， 并 不稳定。 由于没有酶反应的信号扩增， 一般情况下会低于核酸检测， 并且伴随着较高的假阴 或假阳性结果。 所以该类技术只适用于辅助诊断和快速筛查及流行病学调查。 而且由于人 体抗体的产生需要时间， 所以基于检测IgM和IgG的免疫检测技术具有一定的窗口空白期。 通过标记荧光分子以及利用酶联免疫吸附技术可以很大程度上提高检测灵敏度， 但增加了 检测成本和步骤， 牺牲了时间的优势， 对定制化的仪器也有一定的要求。 0007 综上所述， 现有技术方案大都属于分子诊断技术， 其核心在于定向的靶核酸扩增，。

17、 因此对病毒等病原体的基因组测序是先决条件。 在基因序列确定之前， 此类技术均不能有 效工作。 然而病毒的分离培养、 全基因测序和鉴别需要大量专业技术人员在高安全等级实 验室中长时间的工作。 另外， 基于核酸扩增的检测技术对仪器的需求均必不可少并且较为 昂贵， 所需试剂复杂， 操作繁琐。 由于核酸扩增反应， 检测时间相对于免疫检测法较长。 0008 因此， 如何提供一种成本低、 准确率高能够对病毒进行快速检测并且有能力对未 知病毒进行预测的方法是亟待解决的技术问题。 发明内容 0009 本发明的目的是提供一种用于检测致病性病毒及其相关蛋白和预判新型未知病 毒的方法， 以解决上述现有技术存在的问。

18、题， 能够低成本、 快速且准确地对病毒进行识别。 为实现上述目的， 本发明提供了如下方案： 0010 预先准备包含生物分子层的生物芯片； 所述生物芯片自下而上由基底材料、 金属 层和生物分子层依次紧贴组成； 所述生物分子层由不同的生物分子以阵列的形式修饰到所 述金属层， 所述生物分子种类包括蛋白质类分子、 多肽类分子、 寡核苷酸类分子、 肽核酸类 分子、 寡聚糖类分子和脂质类分子， 或者上述种类的任意组合； 0011 将待检测的样品注入到流通池中， 所述样品与所述生物分子层上不同位点处修饰 的不同生物分子发生不同程度的结合反应； 0012 利用成像设备追踪所述结合反应发生时引起的反射或透射光强。

19、在不同位点的不 同变化， 组成信号集； 0013 将所述信号集转换为数据集， 利用优化完毕的算法模型对所述数据集进行模式识 别， 分析出所述样品中所含病毒是否属于已经发现的病毒， 如果为已经发现的病毒则判别 其种类， 如果为未知病毒则进行预警。 说明书 2/7 页 5 CN 111766383 A 5 0014 优选地， 所述基底材料选取折射率在1.0-3.0之间的透明材料， 包括但不限于玻 璃、 石英、 有机玻璃。 0015 优选地， 所述金属层以连续、 阵列、 辐射排列或所述图案相互组合的形式分布于所 述基底材料上， 使得所述金属层上不同位点处能够修饰不同的生物分子； 0016 所述金属层。

20、材料包括但不限于金属薄膜、 具有周期性纳米结构孔洞的金属薄膜和 具有周期性纳米结构的金属颗粒； 金属的种类包括但不限于金、 银、 铂、 铜、 铝。 0017 优选地， 所述修饰方法包括通过金属-巯基化学共价键完成、 一层自组装分子之上 通过化学共价键完成、 配位键完成和其他物理吸附完成。 0018 优选地， 所述成像设备包括表面等离子共振SPR成像设备、 光谱成像设备、 拉曼成 像设备， 荧光以及其他光学手段的成像设备或上述成像技术任意组合的成像设备。 0019 优选地， 所述生物芯片与所述成像设备配套使用， 并根据不同的成像技术而做出 适应性的整体改动， 改动的部分包括生物芯片材料的构成和成。

21、像检测的形式。 0020 优选地， 在优化算法模型时， 预先准备若干类别已知的病毒及其蛋白样品并对样 品编号； 在所述成像设备的辅助下， 依次采集所述类别已知的病毒及其蛋白和所述生物芯 片的生物分子层发生结合反应时的信号特征， 然后根据病毒的类别对所述信号特征进行标 注， 得到特定种类病毒与信号特征之间的对应关系。 0021 优选地， 所述结合反应所产生的信号集转换为数据集， 即： 0022 I(x,y),x1,2,.,N,y1,2,.,M 0023 其中I(x,y)表示各个位点反应前后的光信号变化值， (x,y)表示位点的位置信 息； 0024 有K个类别病原体P1,P2,.,PK， 给定探。

22、测数据集 0025 D(I1(x,y),P1),(I2(x,y),P2),.,(IK(x,y),PK)， 0026 利用分类识别算法一对一将这K个类别两两配对， 从而实现对病原体种类的检测， 即： 0027 PKf(Ik(x,y),k1,2,.,K 0028 其中f()表示分类识别模型即所述优化完毕的算法模型， 分类识别算法包括但 不限于偏最小二乘法,支持向量机， 人工神经网络方法； 0029 利用给定的探测数据集D， 获得分类模型f()后， 对于未知的光学变化信号I (x,y)， 获得对应的病原体类别： Pkf(I(x,y),k1,2,.,K， 从而识别待测样品中 的病毒是否为已知病毒及其所。

23、属类别； 0030 所述数据集处理方式还可以利用特征提取的方法对原始的光信号I(x,y) 进行 预处理， 建立病原体信息与特征之间的识别模型， 即： 0031 Pkf(hk),k1,2,.,K 0032 其中hkf(Ik(x,y)是对应第k类病原体的光学信号Ik(x,y)的特征值， f ()表示原始光学信号与特征值之间的函数转化关系； 相应的特征提取方法包含但不限于 主成分分析PCA方法。 0033 本发明公开了以下技术效果： 本发明利用了与免疫检测相似的结合原理， 基于光 学交叉传感技术， 提供了一种用于检测致病性病毒及其相关蛋白和预判新型未知病毒的方 法。 本发明技术方案在生物芯片不同位点。

24、放置了不同的生物分子， 利用成像设备追踪所述 说明书 3/7 页 6 CN 111766383 A 6 结合反应发生时引起的反射或透射光强在不同位点的不同变化， 组成信号集， 再将信号集 转换为数据集， 利用优化完毕的算法模型对数据集进行模式识别， 分析出所述样品中所含 病毒是否属于已经发现的病毒， 如果为已经发现的病毒则判别其种类， 如果为未知病毒则 进行预警， 从而达到检测致病性病毒及其相关蛋白和预判新型未知病毒的目的。 本发明中 生物芯片具有快速灵敏、 高特异性、 低成本、 可高通量等优势， 在平时与在疫情爆发期均可 以发挥感染筛查、 疑似病例诊断、 流行病学调查等作用。 更重要的是， 。

25、该芯片具有对新型未 知病毒等病原体进行预测的能力， 这在未来出现新的疫情时， 可以迅速及时地预警， 协助有 关部门提前布局、 防控疫情， 这必将会大大地缓解疫情初期的公共卫生压力， 从而降低因疫 情爆发导致的人员伤亡和经济损失。 本发明中的生物芯片还可以通过超阵列修饰、 微流控 的设计， 把针对不同种类病原体的特异性生物芯片集成在同一生物芯片上， 进一步的提升 检测效率， 同时扩大其适用范围。 附图说明 0034 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案， 下面将对实施例中所 需要使用的附图作简单地介绍， 显而易见地， 下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施 例， 对于本领域普通技术。

26、人员来讲， 在不付出创造性劳动性的前提下， 还可以根据这些附图 获得其他的附图。 0035 图1为本发明生物芯片的设计与交叉传感示意图； 0036 图2为本发明检测方法中检测方式的透射式和反射式示意图； 0037 图3为本发明判断病毒种类的方法流程图； 0038 图4为SPR成像检测冠状病毒的生物芯片构成与响应示意图。 具体实施方式 0039 下面将结合本发明实施例中的附图， 对本发明实施例中的技术方案进行清楚、 完 整地描述， 显然， 所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例， 而不是全部的实施例。 基于 本发明中的实施例， 本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他 实施例。

27、， 都属于本发明保护的范围。 0040 为使本发明的上述目的、 特征和优点能够更加明显易懂， 下面结合附图和具体实 施方式对本发明作进一步详细的说明。 0041 参照图1-4,本发明提供一种用于检测致病性病毒及其相关蛋白和预判新型未知 病毒的方法。 0042 本实施例预先制备一种生物芯片， 该生物芯片由基底材料， 金属层和生物分子层 依次紧贴构成。 通常情况下， 基底材料为对光影响较小或满足一定光学要求的材料， 如玻 璃、 石英、 有机玻璃。 金属层为金属薄膜、 具有周期性纳米结构孔洞的金属薄膜或具有周期 性纳米结构的金属颗粒。 金属薄膜或颗粒的厚度在纳米尺度范围， 金属选取不限于金、 银、 。

28、铂、 铜、 铝。 金属层可以连续， 也可以以阵列的形式分布于基底材料之上， 阵列形式不局限于 以正四边形为周期单元排列， 还可以以正六边形、 圆形、 菱形为周期单元排列， 还可以是辐 射排列， 直线排列和其他任何可在不同位点提供多种对应生物分子修饰的排列形式。 生物 分子层可以由不同的生物分子以阵列的形式修饰到连续金属层， 也可以由不同的生物分子 说明书 4/7 页 7 CN 111766383 A 7 以相互对应的方式修饰到已具有阵列形式的金属层， 如图1 所示。 本实施例中用于修饰的 生物分子包括蛋白质类如抗体、 细胞受体蛋白， 多肽类如根据受体蛋白具体结合域氨基酸 序列所设计的肽链分子或。

29、环状肽分子、 根据多肽库所筛选出来的肽分子、 有其他辅助结合 的小分子修饰的肽分子， 寡核苷酸类如核酸适配体、 具有特异序列的核酸分子， 寡聚糖类如 壳聚糖 chitosan， 脂质类分子以及由上述分子类别组合而成的具有一定识别结合能力的 复合分子如糖蛋白、 肽核酸PNA。 生物分子的构成和组合可以依据具体检测的病原体而进行 调节， 修饰所用方法可以是通过化学共价键、 配位键或物理吸附完成。 0043 本实施例的生物芯片可以通过所修饰生物分子的构成与排列， 被特异性地设计用 来针对一系列不同的同种类病毒或其他病原体， 例如冠状病毒、 流感病毒、 HIV病毒， 针对同 种类病原体， 使用设计相同。

30、的生物芯片。 0044 本发明中的生物芯片可以被应用于光学交叉传感检测设备。 所应用的光学交叉传 感技术可以是SPR成像， 光谱成像， 拉曼成像， 荧光以及其他光学手段成像技术。 检测方式可 以根据所采用的光学技术不同和生物芯片的构成不同， 如图2所示， 可以采取反射式(光不 穿透生物芯片)或者透射式(光穿透生物芯片)。 通常情况下， 检测设备包括光源、 光学元件、 与生物芯片配套的流通池、 探测器。 0045 生物芯片的检测机制主要是利用病毒及其蛋白在芯片不同位点发生不同的结合 反应， 生成有效识别病原体病毒的 “指纹” 信息， 然后利用一定的数据处理算法将 “指纹” 信 息转化成直观的检测。

31、结果， 如图3所示。 0046 具体地， 病毒及其蛋白与芯片发生的结合反应会被所使用的光学检测设备追踪， 产生变化的光信号集合， 即： 0047 I(x,y),x1,2,.,N,y1,2,.,M 0048 其中I(x,y)表示各个位点反应前后的光信号变化值， (x,y)表示位点的位置信 息。 有K个类别病原体病毒P1,P2,.,PK， 给定探测数据集 0049 D(I1(x,y),P1),(I2(x,y),P2),.,(IK(x,y),PK)， 0050 利用分类识别算法一对一将这K个类别两两配对， 从而实现对病原体病毒种类的 检测， 即： 0051 PKf(Ik(x,y),k1,2,.,K 。

32、0052 其中f()表示分类识别模型， 分类识别算法包含但不仅仅包含偏最小二乘法 PLS,支持向量机SVM， 人工神经网络ANN等算法。 0053 利用给定的探测数据集D， 获得分类模型f()后， 对于未知的光学变化信号I (x,y)， 可以获得对应的病原体病毒类别： Pkf(I(x,y),k1,2,.,K。 0054 进一步地， 针对特定类别的病原体， 采集浓度变化下对应的光变化信号集合， 建立 浓度信息的识别模型， 从而实现病原体病毒及其蛋白浓度信息探测。 本实施例设置判别置 信度区间， 如有未知样品所得结果的置信度非常低， 则考虑此未知样品可能不属于该特异 性的生物芯片对应的病原体病毒种。

33、类； 如有未知样品所得结果的置信度较高但不可明确识 别， 则考虑此未知样品可能是一种全新变异的同种病原体病毒， 并提出预警。 0055 以上是直接建立病原体病毒信息与光信号之间的识别模型， 特别地， 为进一步提 高芯片检测的稳定性和精确度， 还可以利用特征提取方法对原始的光信号I(x,y)进行预 处理， 建立病原体信息与特征之间的识别模型， 即： 说明书 5/7 页 8 CN 111766383 A 8 0056 Pkf(hk),k1,2,.,K 0057 其中hkf(Ik(x,y)是对应第k类病原体的光学信号Ik(x,y)的特征值， f ()表示原始光学信号与特征值之间的函数转化关系。 相应。

34、的特征提取方法包含但不限于 主成分分析PCA方法。 0058 同时， 本发明中的生物芯片还可以通过超阵列修饰、 微流控的设计， 把针对不同种 类病原体的特异性生物芯片的设计集成在同一生物芯片中， 进一步的提升检测效率。 0059 实施例1： SPR成像检测新冠病毒与其他冠状病毒 0060 本实施例包含一种生物芯片， 该生物芯片由基底材料， 金属层和生物分子层构成。 基底材料为玻璃。 金属层为金属薄膜。 金属薄膜的厚度在5纳米至500 纳米之间， 金属选取 为金。 金属层以阵列的形式分布于基底材料之上(图4)。 生物分子层由对应冠状病毒不同抗 原(如刺突S蛋白、 核衣壳N蛋白、 膜M蛋白、 包膜。

35、E蛋白等)的不同单克隆或多克隆抗体， 对应 冠状病毒S蛋白的受体蛋白或辅助蛋白如人类ACE2、 CD26、 CD147、 TMPRSS2等， 以及由上述受 体蛋白的结合位点关键序列所设计的多种相关的多肽分子修饰到以阵列的形式分布的金 属薄膜上。 修饰所用方法主要是通过金-巯基化学共价键完成， 也可以在一层自组装的聚氧 乙烯(PEG)分子之上通过化学共价键或物理吸附完成。 0061 该生物芯片被应用于SPR成像检测设备， 检测方式由于SPR技术的需求和生物芯片 的特性采用反射式(光不穿透生物芯片)， 光源与流通池在生物芯片的异侧。 0062 在检测前， 已知的不同类别的冠状病毒或其具有代表性的抗。

36、原分子(如刺突 S蛋 白、 核衣壳N蛋白、 膜M蛋白、 包膜E蛋白等)被分别注入到流通池中与特异的生物芯片上不同 位点所修饰的不同生物分子发生不同的结合反应。 该不同的结合反应会被SPR成像设备追 踪， 引起反射光强在不同位点的不同变化(图4， R)， 组成信号集。 该信号集包含信号强度 信息与位点的位置信息。 该信号集在被记录后转化为数据集。 针对不同的冠状病毒或其抗 原分子， 该检测前的步骤会被重复进行并取得足量的数据集， 所取得的全部数据集经预处 理后进行特征提取， 该特征提取的特征值与对应的不同冠状病毒或其抗原分子组成训练 集， 进行智能算法的训练与优化， 并达到足够的准确性。 该智能。

37、算法包含但不限于神经网络 算法、 机器学习和其他可以满足需求的相关算法。 该智能算法特异性的针对可以检测冠状 病毒的生物芯片。 0063 在检测时， 含有未知冠状病毒或其抗原分子的样品会被注入到流通池中与生物芯 片上不同位点所修饰的不同生物分子发生不同的结合反应。 该不同的结合反应会被SPR成 像设备追踪， 引起反射光强在不同位点的不同变化， 组成信号集。 该信号集包含信号强度信 息与位点的位置信息。 该信号集在被记录后转化为数据集。 该数据集作为输入值通过上述 针对冠状病毒的智能算法得出分类结果， 给出未知冠状病毒的具体类别、 浓度和分类置信 度。 如有未知样品所得结果的置信度非常低， 则考。

38、虑此未知样品可能不属于冠状病毒类别； 如有未知样品所得结果的置信度较高但不可明确识别， 则考虑此未知样品可能是一种全新 变异的新型冠状病毒， 并提出预警。 该生物芯片还可以通过超阵列修饰、 微流控的设计， 把 针对不同种类病毒的特异性生物芯片的设计集成在同一生物芯片中， 进一步的提升检测效 率， 利用一个样品进行多病毒种类的判定。 0064 本发明利用了与免疫检测相似的结合原理， 基于SPR成像的交叉传感技术， 提供了 一种可以用于检测与识别病毒等病原体的生物芯片及其使用方法。 该芯片技术具有快速灵 说明书 6/7 页 9 CN 111766383 A 9 敏、 高特异性、 低成本、 可高通量。

39、等优势， 在平时与在疫情爆发期均可以发挥感染筛查、 疑似 病例诊断、 流行病学调查等作用。 0065 更具体的， 本发明技术方案在生物芯片不同位置放置了不同的生物分子， 利用成 像设备追踪结合反应发生时引起的反射或透射光强在不同位点的不同变化， 组成信号集， 再将信号集转换为数据集， 利用优化完毕的算法模型对数据集进行模式识别， 分析出样品 中所含病毒是否属于已经发现的病毒， 如果为已经发现的病毒则判别其种类， 如果为未知 病毒则进行预警， 从而达到检测致病性病毒及其相关蛋白和预判新型未知病毒的目的。 本 发明技术具有对新型未知病毒等病原体进行预测的能力， 这在未来出现新的疫情时， 可以 迅速及时地预警， 协助有关部门提前布局、 防控疫情， 这必将会大大地缓解疫情初期的公共 卫生压力， 从而降低因疫情爆发导致的人员伤亡和经济损失。 说明书 7/7 页 10 CN 111766383 A 10 图1 图2 说明书附图 1/2 页 11 CN 111766383 A 11 图3 图4 说明书附图 2/2 页 12 CN 111766383 A 12 。