💭 Open Vision Nubble (ru)

Общие сведения об установке для выявления вируса SARS-CoV-2 в пространстве и основы принципа её работы.

Проблематика

Современные медицинские тесты для выявления SARS-CoV-2 (в СМИ — коронавирус или COVID-19) представляют собой биохимический анализ. Они предполагают сложные лабораторные тесты, которые требуют присутствия специалистов. Персональное внелабораторное использование пациентом (без участия врача) систем тестирования на COVID-19, равно как и определение наличия вируса в воздухе в заданной территории, на данный момент невозможно.

Именно эти две проблемы потенциально решает предложенная нашими учёными технология.

Решение

Для определения наличия в окружающем пространстве вируса с заданными параметрами (в том числе коронавируса) мы предлагаем рассмотреть гипотезу использования не биохимического, а физического подхода на основе бинарной системы оценки показателей.
Он не требует использования существующих медицинских тестов, основанных на химических реакциях с реагентами.

Простое, доступное устройство позволит надёжно и мгновенно, в режиме реального времени (время анализа пробы воздуха — 1–5 минут), определять наличие/отсутствие вируса SARS-CoV-2 в воздухе.

Объединяя экспертизу нашего портфеля проектов, мы разрабатываем комплексную экосистему диагностики и контроля распространения вируса: от устройства Nubble и прогнозирования рисков распространения вируса, включающего автоматическое уведомление его потенциальных носителей на основании оперативных данных от каждого активированного устройства (secure cloud access), до приложения obok.me с функциями иммунного паспорта (verifiable credentials, Self Sovereign Identity (SSI)-enabled blockchain-based) и реалтайм мониторингом безопасных публичных пространств.

Как следствие, публичные пространства/малый бизнес/аэропорты/такси/сфера услуг смогут вернуться к нормальному функционированию, поддерживая стабильность экономики.

Принцип работы установки и её конструкция

Рис. 1. Блок-схема установки

Этап 0

Втягивание порции воздуха из окружающего пространства

На этапе 0 порция воздуха вместе с находящимися в нём мельчайшими частицами втягивается устройством из окружающего пространства в блок A.

Рис. 2. Блок A с реагентом после запуска системы

Блок A содержит отсек, заполненный специальным реагентом (гелем), пикосекундный лазер, оптическую ловушку, а также генератор электрического поля и генератор микроволнового излучения.

Этап 1

Обеспечение селективности

Затянутые частицы (молекулы, вирусы, бактерии) попеременно попадают в оптическую ловушку, где удерживаются в гелевой среде в фиксированном положении относительно пространства, что позволяет значительно ограничить колебательную составляющую.

Рис. 3. Частицы вместе с воздухом попадают в блок A

Пикосекундный лазер, направленный в центр оптической ловушки, обеспечивает выбивание из неё частиц с частотой импульса 10–12 степени, тем самым создавая условия для поочерёдного удерживания частиц из воздуха.

Рис. 4. Пикосекундный лазер

Этап 2

Разрушение химических связей зафиксированной частицы

В последних научных исследованиях было установлено, что капсид коронавируса (его белковая оболочка) разрушается при воздействии на неё микроволнового излучения с мощностью 100 Вт при частоте 2.45 ГГц. При воздействии данного типа излучения на капсид коронавируса происходит разрыв химических связей в белковой оболочке.

В блоке A создаётся микроволновое излучение с описанными выше параметрами. Их излучение направляется на область пересечения лазеров, где сформирована оптическая ловушка, и в данный момент удерживается частица (вирус).

Рис 5. Оптическая ловушка

В условиях фиксации в геле и оптической ловушке колебательная составляющая частицы зависит только от её собственного строения.

Установка изначально настраивается на характерный диапазон колебаний капсида коронавируса и не разрушает химические связи молекул другого типа.

Разрушение химических связей

При условии, что усреднённая частота колебания молекулы вируса в пространстве определена (что и является нашей целью привлечения вирусных лабораторий к сотрудничеству), то, подавая электромагнитные колебания той же частоты, но в противофазе, суммарные колебания возможно компенсировать, что разорвёт молекулу за счёт внутренних сил.

Разрыв будет происходить по самым слабым связям. В случае, если частота и мощность микроволнового излучения окажутся ближе к частоте колебания С-С, то разрыв будет в первую очередь по связям С-H, а затем С-С, что позволит разорвать белок на большое количество аминокислот.

В качестве альтернативного варианта решения предлагается использовать волны не в противофазе, а в той же фазе, что и колебания молекулы белка, за счёт чего общая колебательная мода белка будет увеличена в два раза. В случае, если энергия колебания будет превышать энергию С-С, С-H и других элементов, то данные связи внутри белка могут быть разорваны с последующим выделением аминокислот и свободных радикалов.

Этап 3

Фиксация выброса свободных радикалов посредством регистрации возникновения краткосрочных возмущений в электрическом поле

Выделение свободных радикалов

Установка фиксирует разрушение химических связей частицы следующим образом:

При разрыве капсида коронавируса или химических соединений его белковой оболочки выделяются свободные радикалы с дополнительным возникновением аминокислот и других частиц.

Свободные радикалы, будучи частицами с неспаренными электронами на их внешней электронной оболочке, постоянно стремятся позаимствовать дополнительные электроны на свою электронную орбиту у других молекул. По этой причине они и вступают во взаимодействие с молекулами, у которых такие электроны можно получить.

На первом этапе вокруг оптической ловушки установка формирует электрическое поле, в котором взаимодействие свободных радикалов с молекулами, носителями электронов, создаст процесс переноса электрона с одной орбиты на другую.

Так как этот процесс протекает в условиях электрического поля, то данное взаимодействие свободных радикалов с переносом заряженной частицы в электрическом поле породит краткосрочное течение электрического тока, что вызовет возмущение в общем электрическом поле блока A.

Этап 4

Анализ полученных данных. Бинарная система оценки

Рис. 4. Передача данных из блока A в блок B, также расположенный внутри установки

Блок B содержит систему оптических и электромагнитных датчиков для фиксации возмущений в электрическом поле блока А.

Два исхода событий:

1. YES. Датчик зафиксировал возмущения в электрическом поле.

Так как установка изначально настраивается только на предопределённую заданную колебательную составляющую капсида коронавируса, то зафиксированное высвобождение свободных радикалов будет указывать на присутствие коронавируса во втянутой порции воздуха с частицами.

Если у молекулы или другой частицы колебательная мода ниже или выше даже на 0,1 долю от заданной, резонанс не произойдёт.

Данные передаются в блок С, отвечающий за их обработку, взаимодействие с защищённым облачным сервисом мониторинга и локализации вируса.

Вирус обнаружен во втянутой порции воздуха

2. NO. Датчик не зафиксировал возмущение в электрическом поле.

Отсутствие возмущения при протекании первых трёх процессов означает, что реакция с разрывом химических связей не произошла, и коронавирус в затянутой порции отсутствует.

Выбивание удерживаемой частицы

При отсутствии фиксации возмущения в электрическом поле (на этапе 4) пикосекундный лазер выбивает удерживаемую частицу с оптической ловушки, тем самым создавая условия для попадания другой частицы в оптическую ловушку, после чего происходит цикличный повтор этапов 2–4 до тех пор, пока не будет выявлено возмущение в электрическом поле блока A.

Цели и задачи лабораторных исследований

В лабораторных условиях будут проведены 2 типа работ.

1. Определение колебательной моды капсида коронавируса в условиях удерживания коронавируса в оптической ловушке с последующим определением наиболее подходящего типа волны, вызывающей разрыв химических связей коронавируса за счёт превышения энергии этих связей
2. Ввиду наличия предварительных данных по типу волны, способной разрушать капсид коронавируса, планируется воздействие на коронавирус микроволновым излучением с мощностью 100Вт при частоте 2.45 ГГЦ и изучение реакции на данное микроволновое излучение.

Заключение

Данная технология использует для обнаружения коронавируса следующие явления и процессы:

1. Оптическую ловушку, за счёт которой происходит удерживание вируса в течение некоторого времени.
2. Генератор микроволнового излучения, цель которого вызвать разрыв химических связей для высвобождения свободных радикалов.
3. Явление взаимодействия свободных радикалов с заимствованием электронов, что в условиях электрического поля породит краткосрочный электрический ток.
4. Система оптических и электромагнитных датчиков для фиксации физических явлений.

Установка настраивается только на колебательную составляющую капсида коронавируса, поэтому наличие свободных радикалов будет указывать на присутствие коронавируса в данной порции воздуха с частицами.

Если у молекулы или другой частицы колебательная мода ниже или выше даже на 0,1 долю от заданной, резонанс не произойдёт.

Текущие (минимальные) характеристики прототипа

1. Габариты: 20x40 см;
2. Площадь сканирования на одно устройство: 2-2.5 м2 (возможно увеличение производительности за счёт увеличения мощности вакуумного блока);
3. Питание от аккумулятора или от сети;
4. Скорость диагностики: от 1 до 5 минут (обусловлено скоростью протекания физических реакций: каждая установка перебирает за 1 секунду порядка 12 миллионов частиц, молекул)

Области применения:

1. Установка системы в жилых помещениях;
2. Установка в общественных местах (магазины, кафе, кинотеатры, парки, офисы, предприятия, аэропорты и т.д.);
3. Установка в транспортных средствах.

Сравнение с существующими решениями диагностики коронавируса

Химические и химико-биологические методы

Существующие методы тестирования не способны определять коронавирус в окружающем пространстве.

Экспресс-тесты (15 мин.) — диагностика основана на косвенном методе, экспресс-тесты определяют наличие в организме не коронавируса, а антител, и на основе их делают вывод о возможном наличии вируса. Данные системы определяют антитела, которые организм начинает вырабатывать не ранее, чем через неделю после заражения.

Самый точный и надёжный метод диагностики вирусной инфекции в организме человека — ПЦР тест. Однако для получения результата в лабораторных условиях необходимо около 5 часов.

Nubble (продолжительность надёжного теста — 1-5 мин.) — предоставляет возможность обнаружить наличие коронавируса в окружающем пространстве.

Физические методы

На данный момент существует масса решений, которые позволяют определить в порции частиц тот или другой элемент: спектрометры, масс-спектрометры, биохимические, химические анализаторы, оптико-эмиссионные спектрометры, лазерные анализаторы и т.д.

Всё это сверхточное оборудование больших размеров и эксплуатируется исключительно специалистами. На обработку данных уходит не один час.

Наша концепция не анализирует состав того или другого элемента, не определяет спектр колебания молекулы или вируса. Она позволяет достоверно обнаружить их или подтвердить их отсутствие, основываясь на условиях протекания выше указанных физических явлений при наличие или отсутствии определённого типа вируса.

Данный принцип работы позволяет произвести систему, которая изначально ориентируется на обнаружение того или иного вируса, используя бинарную систему оценки, что позволяет этой установке иметь компактный размер, обходиться без специалистов и давать ответ в течении 1 минуты.

Команда проекта

Авторы научной гипотезы: Денис и Алексей Зимницкие.

Научная деятельность братьев Зимницких началась в 2012 году с разработки проекта Emolyze — концепции бесконтактной диагностики состояния органов с целью выявления различного рода заболеваний.

Проект был успешно представлен в рамках Startup.Network, Украина, завершена фаза конструирования прототипа (находится на стадии R&D тестов).

В конце 2018 года при поддержке Angel Investor Viktor Konovalov (CEO, партнер в проектах Marsarra и Emolyze) братья Зимницкие презентовали проект Marsarra по синтезу веществ без использования химии, который был отмечен конкурсом NASA CO2 Conversion Challenge.

Инновационные технологии на пересечении медицины и физики стали основным исследовательским фокусом братьев Зимницких.

Результаты исследований братьев Зимницких в проекте Emolyze трансформировались в разработку концепции Nubble по определению наличия коронавируса в окружающем пространстве на основе физических реакций, а не общепринятых — химических.

На данный момент концепция проходит валидацию с рядом заинтересованных лабораторий, готовы функциональные элементы MVP устройства, позволяющего определить наличие коронавируса в заданном пространстве воздуха.

Основная проблема, которая стоит перед нами сейчас, — доступ к лабораторным исслндованияи вируса Covid-19 и проверка гипотезы возможности определения характерного диапазона колебаний коронавируса.

Следуя идеологии Equal access to technology команда проекта открыла широкому научному сообществу все наработки с целью ускорить процесс практической имплементации.

💬 Связаться с командой

Nubble.me

Дополнительные материалы:

🤔 Open Vision Nubble FAQ
🤝 Equal access to technology: Open Manifesto
🛎️ Поддержать проект

Источники

1. Coronavirus envelope protein: current knowledge
2. Efficient Structure Resonance Energy Transfer from Microwaves to Confined Acoustic Vibrations in Viruses
3. Focus on Receptors for Coronaviruses with Special Reference to Angiotensin-converting Enzyme 2 as a Potential Drug Target — A Perspective.
4. Inactivation of the coronavirus that induces severe acute respiratory syndrome, SARS-CoV
5. Optical manipulation of a single human virus for study of viral-cell interactions
6. Optical trapping
7. Optical trapping and manipulation of viruses and bacteria
8. Optical Trapping, Sizing, and Probing Acoustic Modes of a Small Virus
9. Optical Tweezers to Study Viruses
10. Biochemical sensing in graphene-enhanced microfiber resonators with individual molecule sensitivity and selectivity.
11. Barnes, Levi.(2005). Energy-resolved positron-molecule annihilation: vibrational Feshbach resonances and bound states.
12. Low Frequency Mechanical Modes of Viral Capsids: An Atomistic Approach