不挑毒株 灵敏度提升10倍 气溶胶新冠病毒监测系统上岗冬奥会
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不挑毒株 灵敏度提升10倍 气溶胶新冠病毒监测系统上岗冬奥会

不挑毒株 灵敏度提升10倍 气溶胶新冠病毒监测系统上岗冬奥会

气溶胶直径小于100微米,可以被人直接吸入肺部,是新冠肺炎病毒传播的重要途径之一。去年广州发生的新冠肺炎疫情中,就出现了气溶胶传播现象,但当时针对气溶胶进行新冠病毒检测的有效手段尚未出现。

清华大学、北京大学、中国医学科学院病原生物学研究所、昌平实验室等科研人员开展紧急攻关,联合研制出公共空间生物气溶胶新型冠状病毒监测系统,并已在北京冬奥测试赛中成功应用。该系统能够对存在于空气中的生物气溶胶进行收集检测,灵敏度可达常规方法的10倍。

●实现全自动一体化检测

为了解决气溶胶检测难题,2020年10月,在北京市委市政府的部署和北京市科委的直接领导下,清华大学医学院生物医学工程系研究员刘鹏联合昌平实验室、北京大学等多家单位,经过8个月的努力,顺利完成了科研攻关。

刘鹏介绍,用于公共空间的生物气溶胶新型冠状病毒监测系统分为两部分:便携式生物气溶胶采样器作为前端收集装置,将在需要检测的场所内工作,开展空气样本采样;自动化全集成高灵敏病毒核酸检测系统则设置在实验室,分析采集到的样本并生成检测报告。

此前,气溶胶采样器已经由北京大学教授要茂盛初步研发成功,随后又经过多次改进升级,更加便携易用。打开生物气溶胶采样器,中间是一个经过特殊设计的空腔,吸入的空气会在其中形成“旋涡”。仪器启动后以每分钟超过400升的流量,将空气气旋引导至装有试剂的检测管中。

“纯空气会被溶液弹开,但空气中包含着的气溶胶、灰尘等物质则会被收集。就像一颗沙粒进入水中,会迅速沉到水底。”北京大学环境学院博士生李心月介绍,该设计能实现气体和气溶胶的分离,让气溶胶在采样管中富集。同时,收集试剂对病毒能起到灭活作用,保证收集到的病毒样本不再具备传染性。

而在检测端,刘鹏带领团队经过大半年的攻关,一个磁带大小的核酸捕获及原位扩增检测芯片被研发出来。芯片采用全封闭设计,采集到样本后,核酸捕获及原位扩增滤膜可从1毫升样本中捕获到80%以上的病毒核酸。随后,实验人员只需将芯片整齐地插入分子诊断检控一体机,仪器便可自动进行核酸扩增及分析,直接生成检测结果,全程不需要人工参与。

●灵敏度提升一个数量级

2021年4月,刘鹏和团队带着气溶胶新冠病毒监测系统进入地坛医院,开展新冠病毒样本实地采集,对系统进行实际验证。刘鹏团队采集了病人的鼻咽拭子、唾液、呼出的气体和病房中的气溶胶样本,并将样本一分为二,同步进行气溶胶检测和常规检测。结果显示,两种检测方式的吻合度很高,且气溶胶系统的检出率是现有PCR体系的三倍。

刘鹏说,气溶胶新冠病毒监测系统能实现每毫升20拷贝的灵敏度,而常规方法需要每毫升200至500拷贝才能检出,“可以说,检测灵敏度比现有技术提升了一个数量级”。同时,这套系统也不挑毒株,在进行扩增检测时,刘鹏选择的是新冠病毒不会发生变异的保守序列,即使是最新突变的奥密克戎毒株,同样逃不过系统的检测。

每台采样器在现场工作30分钟,就可以采集到12立方米内的气溶胶颗粒,再经过45分钟的自动化一体检测,即可得出检测结论。从采样开始到将最终结果反馈至防疫部门,全程不超过4小时。

●即将落地冬奥场馆

2021年10月起,这套系统已经在5个冬奥场馆及主媒体中心等场地进行了系统测试验证,并在冬奥测试赛上实现了348例采样。刘鹏说,如果在检测中发现了弱阳性或阳性样本,实验室将立即与防疫部门沟通,尽快启动环境消杀及人员检测、追踪等一系列防疫流程。

按照计划,项目组将在冬奥会多个场馆布置气溶胶采样器,并设置临时检测站,为冬奥会提供全面气溶胶新冠病毒检测保障。

“我们的技术应用,相当于赛事防疫体系中的一环,起到补充和预警的作用。”刘鹏说,防疫体系包括了日常防控、采样检测、环境消杀等一系列监测手段,空气环境检测属于整体防疫体系的一部分。如果在检测中出现异常,实验室将会及时与防疫部门沟通并采取一系列后续措施。

刘鹏表示,开展新冠病毒监测必然是一个长期过程,他期待这套系统今后能在医院、车站、机场等人流密集的场所落地,及时发现疫情线索。(记者 刘苏雅)