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Mar 28, 2023

Spectroscopie de désactivation électromagnétique du coronavirus humain 229E

Rapports scientifiques volume 13,

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 8886 (2023) Citer cet article

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Une enquête sur la désactivation des agents pathogènes à l'aide d'ondes électromagnétiques dans la région des micro-ondes du spectre est réalisée à l'aide de structures de guides d'ondes sur mesure. Les guides d'ondes comportent des réseaux de sous-longueur d'onde pour permettre l'intégration d'un système de refroidissement par air sans perturber les champs de propagation internes. Les guides d'ondes sont effilés pour accueillir un échantillon expérimental en interne avec un flux d'air environnant suffisant. La méthodologie proposée permet un contrôle précis des densités de puissance en raison du mode fondamental bien défini excité dans chaque guide d'onde, en plus du contrôle de la température de l'échantillon en raison de l'exposition aux micro-ondes au fil du temps. Le coronavirus humain (HCoV-229E) est étudié sur la gamme 0–40 GHz, où une réduction virale maximale de 3 log est observée dans la sous-bande 15,0–19,5 GHz. Nous concluons que le HCoV-229E a une résonance intrinsèque dans cette gamme, où les dommages à la structure non thermique sont optimaux grâce à l'effet de transfert d'énergie résonnant à la structure.

La désactivation des agents pathogènes à l'aide d'ondes électromagnétiques (EM) dans la bande des micro-ondes suscite un intérêt croissant pour la recherche1,2,3,4,5,6,7,8,9. La nature sans contact de la désactivation des micro-ondes est une caractéristique qui rend la méthode particulièrement utile dans le contexte des crises de santé publique causées par la pandémie récente et en cours de SRAS-CoV-2. Les micro-ondes peuvent désactiver un virion de deux manières : par chauffage thermique ou par un processus connu sous le nom de transfert d'énergie par résonance de structure (SRET). Ce dernier est basé sur l'idée que les virus enveloppés avec des géométries sphériques simples vont résonner en présence d'une onde électromagnétique2,3,4,5. Maximiser l'amplitude des vibrations acoustiques excitées dans un virus sphérique est important pour provoquer le plus grand déplacement et la plus grande contrainte sur la structure de l'enveloppe, ce qui peut éventuellement provoquer sa rupture. La modélisation actuelle des vibrations acoustiques en mode dipolaire dans les virus sphériques prédit que la plus grande contrainte appliquée à partir d'ondes EM d'égale intensité se produit dans le régime des micro-ondes2,4,10, ce qui est étayé par un nombre croissant de preuves expérimentales2,3,5. La désactivation du virus de la grippe A (H3N2) a été démontrée à l'aide de micro-ondes à faible densité de puissance, dans lesquelles la membrane virale est rompue par l'effet SRET2. Dans cette étude, une solution virale a vu une réduction de 3 log du virus actif après 15 minutes d'éclairage par micro-ondes à partir d'une antenne cornet fonctionnant à 8,2 GHz. L'application de l'effet SRET est un moyen non thermique prometteur pour désactiver les agents pathogènes nocifs avec des résonances intrinsèques dans le régime des micro-ondes en raison des faibles densités de puissance suggérées requises2,3,4.

La stérilisation par micro-ondes non chauffante à faible puissance nécessite une connaissance de la résonance naturelle intrinsèque du virion afin de transférer le plus efficacement possible une grande partie de l'énergie limitée disponible. L'étude expérimentale de la spectroscopie d'absorption micro-ondes d'un virus est techniquement difficile, notamment en raison de la sensibilité requise pour détecter et distinguer raisonnablement une réponse attribuée aux particules de petite taille. Les méthodes proposées ont impliqué des lignes de transmission micro-ondes dans lesquelles de petits volumes de solution sont introduits pour perturber les micro-ondes guidées à l'intérieur de la structure2,3,5,8. Le capteur est d'abord mesuré avec uniquement le fluide porteur comme référence, puis suivi d'une mesure contenant une certaine concentration de virus. Une comparaison relative est ensuite effectuée pour identifier les régimes où plus de puissance micro-ondes est perdue, indiquant une absorption par le virus. Cette méthodologie a été utilisée pour identifier les résonances d'absorption des micro-ondes du SRAS-CoV-23, de la grippe A (H3N2)2 et du virus du syndrome des points blancs8.

Dans ce rapport, nous présentons une nouvelle méthodologie à température contrôlée pour étudier les interactions électromagnétiques avec des agents pathogènes. Le coronavirus humain HCoV-229E (229E) est sélectionné pour être utilisé comme modèle de biosécurité de substitution pour les coronavirus plus hautement pathogènes. Sa géométrie sphérique et l'arrangement des protéines de pointe sont représentatifs de nombreux virus enveloppés. Notre méthodologie est démontrée en étudiant la désactivation basée sur SRET de 229E couvrant 0,8–40 GHz et en identifiant une résonance intrinsèque dans le régime 15,0–19,5 GHz. Dans ce régime, une réduction de 3 log du virus actif a été observée après seulement 7,5 minutes d'exposition aux micro-ondes. Des guides d'ondes rectangulaires sont utilisés qui sont conçus pour accueillir un échantillon à l'intérieur, exposant l'échantillon à des champs électriques bien définis. Cela possède l'avantage clé d'avoir un contrôle précis sur l'intensité du champ et la densité de puissance exposée à l'échantillon expérimental. Des réseaux de sous-longueur d'onde sont introduits dans les parois du guide d'onde pour intégrer un système de refroidissement par flux d'air sans perturber les champs de propagation. Au cours des expériences, les échantillons viraux sont refroidis en continu pour garantir que toute désactivation observée est attribuée aux vibrations acoustiques induites par SRET, plutôt qu'à un excès de chauffage par micro-ondes de la solution porteuse. En utilisant cette méthodologie, les virus peuvent être étudiés selon différents critères de densité de puissance et de temps, de sorte que les régimes de fréquence optimaux et le degré attendu de désactivation du virus peuvent être déterminés. Ces informations sont essentielles pour le développement de nouvelles technologies basées sur les micro-ondes pour le contrôle de la transmission, la stérilisation et les traitements cliniques.

Pour rayonner uniformément les échantillons viraux tout en contrôlant la température, une série de guides d'ondes a été conçue pour diriger la puissance de la radiofréquence (RF) vers l'échantillon et également permettre à l'air de passer devant l'échantillon pour maintenir la température. Ces guides d'ondes ont été conçus pour émettre des échantillons sur une bande passante aussi large que possible tout en fonctionnant en mode fondamental, en utilisant des lanceurs de guides d'ondes commerciaux lorsque cela est possible. Cela a dicté l'utilisation de nombreuses bandes de guides d'ondes pour couvrir une large bande de spectre, comme indiqué dans le tableau 1. Le tableau 1 montre les dimensions du guide d'ondes d'alimentation (a et b) ainsi que les dimensions du guide d'ondes où se trouvait le tube (\(a_{tube}\) et \(b_{tube}\)). Un exemple de ces dimensions est représenté sur la figure 1. Cette image a été générée à partir du modèle CAO (conception assistée par ordinateur) utilisé pour concevoir les guides d'ondes. Tous les travaux de CAO mécanique ont été réalisés dans Dassault Systems Solidworks 2021.

Des lanceurs coaxiaux à guide d'ondes ont été utilisés dans tous les cas, sauf dans la bande inférieure (0,8 à 1,8 GHz) pour une alimentation de sonde de guide d'ondes de carte de circuit imprimé (PCB) dans un guide d'ondes à hauteur réduite a été conçu. Tous les tubes à essai étaient remplis de \(600~\mu l\) de fluide et étaient situés au centre du guide d'ondes, le fluide étant positionné au centre de la section transversale du guide d'ondes pour maximiser l'exposition de l'échantillon au champ électromagnétique. À des fréquences plus élevées, cela nécessitait d'élargir \(a_{tube}\) et \(b_{tube}\) par rapport à a et b pour adapter complètement l'échantillon viral dans le guide d'ondes et laisser de l'espace entre le tube à essai et les parois du guide d'ondes pour le refroidissement.

(a) Haut et (b) Vue latérale d'un capteur de guide d'ondes montrant les dimensions de l'alimentation (a et b) et les dimensions du guide d'ondes autour du tube à essai. Image générée à partir du modèle CAO des guides d'ondes conçus dans Dassault Systèmes Solidworks (Version 2021).

Les échantillons de tube à essai sont refroidis en forçant l'air à travers le guide d'ondes et devant le tube d'échantillon. Cela a été accompli à l'aide de ventilateurs soufflants, comme illustré à la figure 2, qui ont forcé l'air à travers des grilles sur le côté du guide d'ondes, devant l'échantillon et sortant par un conduit d'échappement. Ces grilles ont été métallisées et conçues pour avoir des trous suffisamment grands pour laisser passer l'air, mais suffisamment petits par rapport à la longueur d'onde du signal pour contenir la majeure partie de l'énergie RF à l'intérieur du guide d'ondes.

Assemblage général du capteur à guide d'ondes. Image générée à partir du modèle CAO des guides d'ondes conçus dans Dassault Systèmes Solidworks (Version 2021). Des modèles pour les lanceurs WR90 ont été fournis gratuitement à partir du 11.

Les guides d'ondes ont été imprimés en 3D à l'aide de la modélisation par dépôt de fusion (FDM) à partir d'acide polylactique (PLA) et métallisés à l'aide d'un ruban d'aluminium. Cette technique est pratique pour le prototypage rapide de pièces de guide d'ondes avec des performances comparables à celles des composants entièrement métalliques 12,13. Cette méthode a été utilisée pour assembler chacune des bandes de guides d'ondes présentées dans le tableau 1, à l'exception de la bande la plus basse. En dessous de 1,8 GHz, le guide d'ondes a été mis en œuvre en pliant la tôle pour former les murs et un cadre d'échafaudage a été imprimé en 3D pour maintenir les tôles ensemble. Comme indiqué précédemment, ce guide d'ondes a été alimenté à l'aide d'une sonde PCB. Des exemples d'images des guides d'ondes assemblés sont présentés à la Fig. 3. Les structures de guides d'ondes ont été simulées à l'aide d'un solveur d'éléments finis pleine onde (ANSYS HFSS) pour déterminer les intensités de champ au centre du tube d'échantillon viral. La puissance d'entrée a été fixée à 2 Watts et des simulations ont été effectuées pour le cas d'un tube vide rempli d'air et le cas d'un tube rempli du modèle diélectrique pour la solution porteuse virale. Les intensités de champ simulées sont illustrées à la Fig. 4. Les intensités de champ pour le tube à essai rempli de fluide par rapport au tube à essai rempli d'air (en particulier à des fréquences plus élevées) sont dues à l'augmentation de \(\epsilon _r\) de la solution porteuse avec la fréquence par rapport à l'air.

Images des composants de guide d'ondes assemblés et de l'amplificateur de puissance utilisés pour compléter les expériences de désactivation virale, chacun des guides d'ondes a été conçu et imprimé par le groupe, et l'amplificateur a été assemblé par le groupe à l'aide de composants prêts à l'emploi.

Intensités de champ simulées au centre du tube à essai lorsque le tube à essai était rempli avec (a) de l'air ou (b) un milieu à teneur réduite en sérum.

La permittivité complexe fournit une description EM harmonique complète d'un milieu. La permittivité complexe du milieu à sérum réduit (OptiMEM) sans aucun virus est caractérisée en utilisant la méthode de la sonde coaxiale à extrémité ouverte. Un modèle dépendant de la fréquence est généré à l'aide d'une méthodologie développée précédemment14 et est illustré à la Fig. 5 avec de l'eau déminéralisée (DI) à titre de référence. La constante diélectrique élevée du milieu à sérum réduit peut provoquer des réflexions importantes dans le guide d'ondes rempli d'air, et si elle n'est pas prise en compte dans la conception, la correspondance d'entrée des guides d'ondes expérimentaux pourrait être gravement dégradée. Pour cette raison, le modèle de permittivité est intégré dans les outils de simulation EM afin d'aider à concevoir, régler et évaluer les structures de guides d'ondes de manière à obtenir des performances RF élevées dans les cas expérimentaux contenant des échantillons. Étant donné que la concentration virale dans les échantillons est faible, on a supposé qu'il y aurait un impact minimal sur les propriétés diélectriques des milieux à teneur réduite en sérum, quelle que soit la présence du virus.

Modèle diélectrique du milieu à sérum réduit par rapport à l'eau déminéralisée (DI).

La puissance des micro-ondes absorbée par les échantillons expérimentaux provoque à la fois un échauffement et des perturbations de la structure du virus. Sans système de refroidissement pour éliminer l'excès de chaleur, la température du virus pourrait atteindre des critères suffisants pour qu'une réduction liée à la chaleur soit observée. Le chauffage du milieu à sérum réduit dû à l'exposition aux micro-ondes pendant les procédures expérimentales est caractérisé pour vérifier que le système de refroidissement intégré est capable d'éliminer suffisamment l'excès de chaleur et de s'assurer que toute désactivation virale observée ne serait pas attribuée à la chaleur. Plus précisément, dans toutes les expériences, la température du virus ne doit pas dépasser 44 \(^\circ\)C, car un certain degré de désactivation liée à la chaleur du HCoV-229E serait attendu. D'autres coronavirus sont connus pour montrer une inactivation lorsqu'ils sont chauffés dans la plage de \(44^\circ C-65^\circ C\) sur des échelles de temps courtes comparables (< 15 minutes) à celles utilisées dans ce travail15. Une certaine variation du chauffage de l'échantillon expérimental est observée sur le spectre étudié dans cette étude. Même si la puissance d'entrée est constante pour tous les cas expérimentaux, la variation des dimensions du guide d'ondes fait varier la densité de puissance des ondes guidées, ainsi que modifie l'espace entourant l'échantillon pour que l'air circule. De plus, les propriétés diélectriques du milieu à teneur réduite en sérum varient avec la fréquence, à savoir la tangente de perte, qui influence la fraction de puissance absorbée par le milieu. Pour ces raisons, la caractérisation du chauffage de l'échantillon doit être effectuée pour tous les cas individuellement afin de vérifier que l'échantillon est suffisamment refroidi. L'augmentation de la température par rapport à la température ambiante nominale (25 \(^\circ\)C) au cours des expériences de désactivation est résumée dans le tableau 2. Dans tous les cas, le chauffage de l'échantillon d'accumulation reste inférieur à 15 \(^\circ\)C, garantissant qu'aucun échantillon expérimental ne dépasserait 40 \(^\circ\)C dans tous les cas.

La désactivation du HCoV-229E est étudiée dans des subdivisions de l'ensemble du spectre de fréquences jusqu'à 40 GHz. Plusieurs échantillons contenant une concentration égale de HCoV-229E sont préparés pour chaque sous-bande, de sorte que les expériences peuvent être répétées plusieurs fois pour améliorer la confiance dans les résultats. Les échantillons sont divisés en groupes expérimentaux et témoins, où seuls les échantillons expérimentaux sont insérés dans la structure du guide d'ondes et exposés à une gamme de fréquences. Les détails du plan de balayage expérimental pour chaque sous-bande sont fournis dans la section méthodologie. L'analyse par dosage de plaque est utilisée pour déterminer la concentration virale active après exposition aux micro-ondes, qui est comparée à l'échantillon témoin pour établir la réduction virale relative. Pour toutes les bandes, la réduction virale moyenne sur tous les essais est illustrée à la Fig. 6, chacune avec une barre d'erreur représentant l'écart type de l'ensemble expérimental. Ces résultats sont résumés dans le tableau 2. Si la réduction moyenne est inférieure à dix fois par rapport au contrôle, ou si les ensembles expérimentaux et témoins ont des intervalles d'écart type qui se chevauchent, "insignifiant" est signalé dans la colonne "Réduction virale" du tableau 2 pour cette expérience. Pour toutes les bandes, la réduction virale observée est indiquée sur la figure 6 et est résumée dans le tableau 2. La réduction virale doit être statistiquement significative ainsi que supérieure à dix fois, sinon « insignifiant » est signalé pour la bande respective.

Inactivation du virus en réponse à l'exposition aux micro-ondes.

Les principaux résultats de cette étude révèlent une résonance intrinsèque du HCoV-229E située dans le régime de fréquence de 15,0 à 19,5 GHz. Après 7,5 minutes d'exposition aux micro-ondes, une réduction de 3 log est observée dans la concentration active du virus dans cette bande. Ce niveau de désactivation virale est comparable à celui observé dans d'autres études SRET, bien qu'il soit atteint sur une durée plus courte. De plus, une réduction de 1 log a été observée dans la bande adjacente de 12,4 à 15,0 GHz, indiquant une certaine sensibilité, mais pas aussi optimale et efficace près de la résonance. En dehors de la gamme 12,4–19,5 GHz, aucune réduction substantielle et statistiquement significative n'a été observée. Le plus grand échauffement de l'échantillon s'est produit dans la gamme 8,2–12,4 GHz, atteignant 40 \(^\circ\)C pendant les expériences, bien qu'aucune réduction significative n'ait été observée. Ce résultat confirme en outre que la réduction virale observée dans d'autres bandes est attribuée aux dommages de structure dus à l'effet SRET par opposition au chauffage.

Aux fins de la spectroscopie de désactivation virale, les guides d'ondes rectangulaires sont avantageux par rapport aux autres solutions guidées (lignes microruban, guide d'ondes coplanaire) et rayonnantes (antenne). Premièrement, les champs à l'intérieur des guides d'ondes rectangulaires ont des modes de propagation bien définis. Cela rend la détermination des champs électriques et de la densité de puissance dans le guide d'ondes, même en présence d'un échantillon expérimental, plus précise. Ceci est particulièrement utile dans les cas où l'intérêt est d'étudier la réponse de désactivation d'un agent pathogène à diverses intensités de champ ou densités de puissance. De plus, les guides d'ondes rectangulaires peuvent être effilés pour fournir un espace supplémentaire pour une intégration pratique d'un échantillon expérimental, comme cela a été fait dans ce travail. Cela modifiera la section transversale du guide où se trouve l'échantillon, mais pas les modes de propagation, et ainsi les densités de puissance et les intensités de champ électrique peuvent toujours être déterminées avec précision. Les lignes de transmission des cartes de circuits imprimés, telles que les lignes microruban ou les guides d'ondes coplanaires, sont plus limitées en termes d'espace disponible et de facilité d'intégration d'un échantillon expérimental. Dans ces cas, les échantillons expérimentaux ne peuvent pratiquement être placés qu'au-dessus du conducteur côté signal. Cependant, cela est extrêmement inefficace en termes d'exposition de champ d'échantillon, car les champs sont principalement contenus dans le substrat entre le signal du côté supérieur et les conducteurs de terre du côté inverse. Les systèmes qui irradient un échantillon de virus à l'aide d'antennes partagent la même facilité d'intégration d'échantillon que les guides d'ondes rectangulaires, cependant, ils ne sont pas bien adaptés aux réglages à haute puissance. Bien que le matériel de l'antenne puisse gérer une puissance élevée, le rayonnement à ces niveaux nécessite des matériaux absorbants supplémentaires et un blindage RF pour être exécuté en toute sécurité, et est soumis à des réglementations et restrictions supplémentaires16,17. À l'inverse, les guides d'ondes rectangulaires peuvent gérer et contenir des niveaux de puissance élevés, minimisant ainsi les risques d'exposition RF pour le personnel impliqué dans les expériences.

Le développement de systèmes de stérilisation par micro-ondes, de traitements cliniques et d'autres technologies de contrôle de la transmission repose fondamentalement sur la connaissance des fréquences à utiliser et du degré de réduction virale active à attendre sur un temps donné. Il a été démontré que la méthodologie de spectroscopie de désactivation virale décrite dans cet article produit ces informations pour HCoV-229E, et est également applicable pour étudier d'autres interactions électromagnétiques avec des agents pathogènes dans le régime des micro-ondes. De plus, la méthodologie proposée peut être utilisée pour étudier les effets des niveaux de puissance incidente ainsi que la durée d'exposition par rapport à la réduction du virus SRET, qui sont connus pour avoir une influence2. En général, l'exposition d'un échantillon de virus aux micro-ondes provoque un certain degré de chauffage en plus des vibrations acoustiques induites dans les virions. Cependant, le contrôle de température intégré des guides d'ondes expérimentaux donne l'assurance que la réduction virale observée est attribuée aux dommages structurels causés par les vibrations acoustiques par opposition à un excès de chauffage. En termes de contrôle de la transmission des agents pathogènes, le chauffage peut être indésirable. Dans les environnements de stérilisation, de nombreux matériaux peuvent se dégrader ou être endommagés s'ils sont chauffés pendant de longues durées ou à des températures relativement élevées. Les technologies micro-ondes à faible puissance sont prometteuses pour ces environnements, car une réduction significative des virus actifs est possible tout en maintenant des niveaux de chauffage sûrs.

Présenté dans ce rapport est une nouvelle méthodologie pour étudier l'inactivation fonctionnelle des virus en réponse aux champs électromagnétiques. La méthodologie proposée a été démontrée en étudiant 229E sur le spectre des micro-ondes et en identifiant les régimes avec une réduction claire et significative de l'infectiosité virale. Comme décrit dans notre section "Discussion", ces informations peuvent être utilisées pour développer et optimiser une technologie de contrôle de transmission ciblant des virus sphériques similaires. D'autres études au-delà de la portée de ce travail seraient nécessaires pour confirmer les mécanismes précis des dommages à la structure du virus en réponse aux champs électromagnétiques.

Le guide d'ondes refroidi par air a été conçu pour être imprimé en 3D à partir de PLA et métallisé à l'aide d'un ruban de papier d'aluminium. Cette méthodologie de conception a déjà fait ses preuves dans 12,13,18 et permet un prototypage rapide des composants de guide d'ondes. Chaque guide d'ondes a été imprimé en quatre sections, ce qui a permis d'appliquer le ruban d'aluminium sur une surface plane pour réduire les plis. Les sections du guide d'ondes ont été fendues et vissées ensemble. Les guides d'ondes ont chacun été alimentés par des lanceurs de guides d'ondes standard disponibles sur le marché et ont été effilés pour s'adapter à la taille du tube d'échantillon viral. Pour refroidir les échantillons, des trous ont été découpés dans les côtés du guide d'ondes et remplis d'un réseau. Ce réseau permettait à l'air de passer à travers le guide d'ondes, mais contenait la puissance RF à l'intérieur du guide. Pour chaque guide d'ondes, ceux-ci ont été imprimés comme une pièce séparée et ont été métallisés sur le côté du guide d'ondes avec du ruban d'aluminium et sur l'extérieur avec une peinture conductrice à base de cuivre (MG-Chemicals 843WB) pour augmenter l'isolat. Chaque guide d'ondes avait quatre de ces réseaux; deux avaient des ventilateurs axiaux pour forcer l'air dans le guide d'ondes, et les deux autres agissaient comme des orifices de sortie avec des conduits pour diriger l'air chaud loin de l'entrée du ventilateur. Enfin, chaque guide d'onde comprenait un emplacement pour le tube d'échantillon. Il s'agissait d'un trou sur le côté du guide d'ondes qui s'ajustait parfaitement au tube à essai et était métallisé et avait un capuchon de blindage métallisé qui contenait ensemble l'énergie RF dans le guide d'ondes.

Un générateur de signal (Anritsu MG3694A) est utilisé pour générer des tonalités micro-ondes aux fréquences souhaitées. Des étages d'amplification de puissance sont utilisés pour augmenter la puissance des tonalités du générateur de signal de sorte que 2 W de puissance soient délivrés à l'entrée du guide d'ondes expérimental. Plusieurs configurations d'application de puissance ont été nécessaires pour couvrir le large spectre étudié. Dans la gamme 0,8–8,2 GHz, cinq amplificateurs de boîtier (Analog Devices HMC659LC5) sont utilisés : un en série et quatre en parallèle, qui sont combinés en puissance pour atteindre le niveau de puissance cible. Dans les gammes 8,2–19,5 GHz et 20–40 GHz, un seul amplificateur en boîtier (Mini-Circuits ZVE-3W-183+ et Qorvo QPA2640D, respectivement) est utilisé pour l'amplification de puissance. La réponse en puissance de tous les étages d'amplification est caractérisée en balayant la puissance incidente du générateur de signal et en mesurant la puissance de sortie sur un analyseur de spectre (Anritsu E4446A). Cette procédure est répétée à chaque fréquence utilisée dans le plan de balayage expérimental de désactivation du virus. Ensuite, les données de caractérisation d'amplification de puissance sont enregistrées dans la mémoire d'un système embarqué d'assistance numérique qui s'interface avec le générateur de signaux. Ce système corrige les variations de fréquence intrinsèques dans chaque étage d'amplification de puissance en ajustant la puissance du générateur de signal incident de sorte que la puissance de sortie soit précisément de 2 W (33 dBm) à toutes les fréquences.

Le spectre de 0,8 à 40 GHz étudié est discrétisé en 10 sous-bandes en fonction de la plage de fréquences prise en charge de chaque désignation de guide d'ondes utilisée, qui sont résumées dans le tableau 2. La plage expérimentale de 0,8 à 40 GHz a été sélectionnée pour inclure et entourer celles de2,3 où des résonances pour des virus comparables ont été observées. Plusieurs guides d'ondes ont été utilisés pour couvrir cette bande afin que chaque test puisse être effectué à la fréquence fondamentale du guide d'ondes. Il était crucial de fonctionner dans la fréquence fondamentale du guide d'ondes afin que le champ max soit au centre de chaque échantillon viral. Chaque sous-bande utilise un plan de balayage hyperfréquence identique, composé de 10 tonalités discrètes équidistantes dans sa bande respective. L'étage de génération et d'amplification des micro-ondes produit chaque tonalité avec une puissance incidente de 2W au guide d'ondes pendant 45 secondes, dans l'ordre croissant, pour un temps de balayage total de 7,5 minutes. Le temps de balayage total a été sélectionné pour être comparable à celui en 2 pour lequel une réduction virale significative a été observée. Des échantillons de virus vivants à concentration égale sont préparés et divisés en groupes expérimentaux et témoins. Les deux groupes, contrôle et expérimental, contiennent chacun trois échantillons afin que chaque expérience (sous-bande) puisse être répétée trois fois pour analyser la répétabilité et la réduction moyenne du virus. Tous les échantillons sont stockés dans un bain de glace pendant la durée des expériences. Des échantillons expérimentaux sont temporairement retirés du bain de glace et insérés dans le guide d'ondes, qui sont ensuite exposés à des champs de micro-ondes se propageant selon le plan de balayage décrit. Les échantillons de contrôle ne sont pas exposés aux micro-ondes. Pour chaque sous-bande, l'expérience est répétée pour trois essais. L'analyse par essai de plaque est utilisée pour déterminer la réduction moyenne du virus actif des échantillons expérimentaux par rapport aux échantillons témoins.

Le chauffage du milieu à sérum réduit (OptiMEM) est caractérisé pour déterminer la quantité de chauffage du virus pendant les expériences de désactivation du virus. Un échantillon est préparé contenant un volume égal de milieu utilisé dans les essais expérimentaux. Tout d'abord, la température de l'échantillon est mesurée pour déterminer la température ambiante de la pièce. Par la suite, l'échantillon est inséré dans la configuration expérimentale où le plan de balayage de désactivation du virus est exécuté, exposant l'échantillon aux micro-ondes dans les guides d'ondes. Une fois le plan de balayage terminé, la température de l'échantillon est immédiatement mesurée pour caractériser tout échauffement dû à l'exposition aux micro-ondes. Cette procédure est répétée pour chaque sous-bande incluse dans cette étude afin de vérifier que le chauffage de l'échantillon est suffisamment faible et ne contribuerait pas à la désactivation du virus dans tous les cas.

La méthode de la sonde coaxiale à extrémité ouverte est utilisée pour mesurer la permittivité complexe du milieu à sérum réduit. Un analyseur de réseau vectoriel (Anritsu MS4644B) est utilisé pour mesurer les réflexions des pointes de sonde. Les sondes diélectriques sont étalonnées à l'aide de mesures standard d'eau ouverte, courte et déminéralisée. Le milieu à teneur réduite en sérum est transféré dans un bécher propre de 50 mm de diamètre pour préparer un échantillon suffisamment grand et uniforme du liquide. Les pointes de sonde sont immergées à une profondeur de 10 mm dans le milieu et mesurées à l'aide de l'analyseur de réseau vectoriel. Des informations complexes de permittivité (constante diélectrique, tangente de perte) sont ensuite calculées sur la fréquence à l'aide des mesures d'étalonnage. Un modèle empirique est généré en utilisant les mesures de permittivité avec une méthodologie précédemment développée14. Ce modèle tient compte de la variation de fréquence des propriétés EM du milieu, ce qui améliore considérablement la précision de la simulation.

HCoV-229E a été obtenu auprès de BEI Resources (NR-52726) et propagé comme décrit précédemment19. Les stocks de HCoV-229E ont été titrés par un test de plaque standard sur des cellules Huh719. Les cellules Huh7 (JCRB0403) ont été obtenues auprès de la Japanese Collection of Research Bioresources Cell Bank. Les cellules ont été cultivées dans du milieu essentiel minimal de Dulbecco (DMEM) avec 10 % de FBS, 50 U/mL de pénicilline et 50 \(\mu\)g/mL de streptomycine à 37 \(^\circ\)C dans 5 % de CO2.

HCoV-229E a été dilué à 1 x \(10^6\) unités formant plaque (PFU)/mL dans OptiMEM (ThermoFisher Scientific, 31985062). Des aliquotes (1 ml) du virus dilué ont été réparties dans des tubes à bouchon à vis de 1,5 ml (Fisher Scientific 02-681-372) et soumises aux divers traitements par micro-ondes décrits. Par la suite, l'infectiosité virale a été évaluée par un test de plaque. Des cellules Huh7 étalées la veille dans des plaques à 12 puits à une densité de 3,5 x \(10^5\) cellules/puits ont été infectées avec des échantillons de HCoV-229E dilués en série pendant 2 heures à 37 \(^\circ\)C. Après avoir retiré l'inoculum, les monocouches cellulaires ont été recouvertes de 1,2 % de carboxyméthylcellulose dans du DMEM contenant 2 % de FBS et incubées à 33 \(^\circ\)C dans 5 % de CO2 jusqu'à 4 jours après l'infection. Les cellules ont été fixées et colorées avec une solution de coloration au cristal violet (1 % de cristal violet dans 17 % de méthanol dans H20) pour permettre la visualisation des plaques. Les plaques ont été comptées pour déterminer le titre viral.

Les ensembles de données utilisés et/ou analysés au cours de la présente étude sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

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Ce travail est soutenu par le gouvernement du Canada, ministère de la Défense nationale, Innovation pour la défense, l'excellence et la sécurité (IDEaS).

Les expériences sur les virus ont été soutenues par un financement du Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada (CCC) et une subvention d'initiation à la recherche de la Faculté des sciences de la santé de l'Université Queen's (CCC).

Génie électrique et informatique, Université Queen's, Kingston, K7L 3N6, Canada

Hayden Banting, Ian Goode et Carlos E. Saavedra

Sciences biomédicales et moléculaires, Université Queen's, Kingston, K7L 3N6, Canada

Carla E. Gallardo Flores & Che C. Colpitts

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Les auteurs IG, HB et CS ont conçu les expériences. Les auteurs IG et HB ont développé le matériel et les systèmes expérimentaux et ont exécuté les expériences. Les auteurs CEF et CCC ont effectué un test de plaque et analysé tous les résultats expérimentaux. Tous les auteurs ont contribué et révisé le manuscrit.

Correspondance à Hayden Banting.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Banting, H., Goode, I., Flores, CEG et al. Spectroscopie de désactivation électromagnétique du coronavirus humain 229E. Sci Rep 13, 8886 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-36030-6

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Reçu : 09 mars 2023

Accepté : 27 mai 2023

Publié: 01 juin 2023

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-023-36030-6

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