不挑毒株 靈敏度提升10倍氣溶膠新冠病毒監(jiān)測系統(tǒng)上崗冬奧會

劉蘇雅

2022年1月4日，習近平總書記在北京考察2022年冬奧會、冬殘奧會籌辦備賽工作時強調(diào)，當今世界，科技在競技體育中的作用越來越突出。建設體育強國，必須實現(xiàn)高水平的體育科技自立自強。要綜合多學科、跨學科的力量，統(tǒng)籌推進技術研發(fā)和技術轉化，為我國競技體育實現(xiàn)更大突破提供有力支撐。

2022年北京冬奧會和冬殘奧會，既是冬奧健兒展示風采的頂級舞臺，也是先進科技的全球展示平臺。在后冬奧時期，“科技冬奧”新技術、新成果和新應用也將成為一筆豐厚遺產(chǎn)，為北京國際科技創(chuàng)新中心建設提供重要助力。

即日起，北京日報推出“科技賦能 助力冬奧”專欄，聚焦“雙奧之城”科技新變化，全方位展現(xiàn)科學精神、科技成就與冬奧賽場的碰撞融合和產(chǎn)出的豐碩成果。

氣溶膠直徑小于100微米，可以被人直接吸入肺部，是新冠肺炎病毒傳播的重要途徑之一。2021年廣州發(fā)生的新冠肺炎疫情中，就出現(xiàn)了氣溶膠傳播現(xiàn)象，但當時針對氣溶膠進行新冠病毒檢測的有效手段尚未出現(xiàn)。

清華大學、北京大學、中國醫(yī)學科學院病原生物學研究所、昌平實驗室等科研人員開展緊急攻關，聯(lián)合研制出公共空間生物氣溶膠新型冠狀病毒監(jiān)測系統(tǒng)，并已在北京冬奧測試賽中成功應用。該系統(tǒng)能夠?qū)Υ嬖谟诳諝庵械纳餁馊苣z進行收集檢測，靈敏度可達常規(guī)方法的10倍。

實現(xiàn)全自動一體化檢測

為了解決氣溶膠檢測難題，2020年10月，在北京市委市政府的部署和北京市科委的直接領導下，清華大學醫(yī)學院生物醫(yī)學工程系研究員劉鵬聯(lián)合昌平實驗室、北京大學等多家單位，經(jīng)過8個月的努力，順利完成了科研攻關。

劉鵬介紹，用于公共空間的生物氣溶膠新型冠狀病毒監(jiān)測系統(tǒng)分為兩部分：便攜式生物氣溶膠采樣器作為前端收集裝置，將在需要檢測的場所內(nèi)工作，開展空氣樣本采樣；自動化全集成高靈敏病毒核酸檢測系統(tǒng)則設置在實驗室，分析采集到的樣本并生成檢測報告。

此前，氣溶膠采樣器已經(jīng)由北京大學教授要茂盛初步研發(fā)成功，隨后又經(jīng)過多次改進升級，更加便攜易用。打開生物氣溶膠采樣器，中間是一個經(jīng)過特殊設計的空腔，吸入的空氣會在其中形成“旋渦”。儀器啟動后以每分鐘超過400升的流量，將空氣氣旋引導至裝有試劑的檢測管中。

“純空氣會被溶液彈開，但空氣中包含著的氣溶膠、灰塵等物質(zhì)則會被收集。就像一顆沙粒進入水中，會迅速沉到水底。”北京大學環(huán)境學院博士生李心月介紹，該設計能實現(xiàn)氣體和氣溶膠的分離，讓氣溶膠在采樣管中富集。同時，收集試劑對病毒能起到滅活作用，保證收集到的病毒樣本不再具備傳染性。

而在檢測端，劉鵬帶領團隊經(jīng)過大半年的攻關，一個磁帶大小的核酸捕獲及原位擴增檢測芯片被研發(fā)出來。芯片采用全封閉設計，采集到樣本后，核酸捕獲及原位擴增濾膜可從1毫升樣本中捕獲到80%以上的病毒核酸。隨后，實驗人員只需將芯片整齊地插入分子診斷檢控一體機，儀器便可自動進行核酸擴增及分析，直接生成檢測結果，全程不需要人工參與。

靈敏度提升一個數(shù)量級

2021年4月，劉鵬和團隊帶著氣溶膠新冠病毒監(jiān)測系統(tǒng)進入地壇醫(yī)院，開展新冠病毒樣本實地采集，對系統(tǒng)進行實際驗證。劉鵬團隊采集了病人的鼻咽拭子、唾液、呼出的氣體和病房中的氣溶膠樣本，并將樣本一分為二，同步進行氣溶膠檢測和常規(guī)檢測。結果顯示，兩種檢測方式的吻合度很高，且氣溶膠系統(tǒng)的檢出率是現(xiàn)有PCR體系的三倍。

劉鵬說，氣溶膠新冠病毒監(jiān)測系統(tǒng)能實現(xiàn)每毫升20拷貝的靈敏度，而常規(guī)方法需要每毫升200至500拷貝才能檢出，“可以說，檢測靈敏度比現(xiàn)有技術提升了一個數(shù)量級”。同時，這套系統(tǒng)也不挑毒株，在進行擴增檢測時，劉鵬選擇的是新冠病毒不會發(fā)生變異的保守序列，即使是最新突變的奧密克戎毒株，同樣逃不過系統(tǒng)的檢測。

每臺采樣器在現(xiàn)場工作30分鐘，就可以采集到12立方米內(nèi)的氣溶膠顆粒，再經(jīng)過45分鐘的自動化一體檢測，即可得出檢測結論。從采樣開始到將最終結果反饋至防疫部門，全程不超過4小時。

落地冬奧場館

2021年10月起，這套系統(tǒng)已經(jīng)在5個冬奧場館及主媒體中心等場地進行了系統(tǒng)測試驗證，并在冬奧測試賽上實現(xiàn)了348例采樣。劉鵬說，如果在檢測中發(fā)現(xiàn)了弱陽性或陽性樣本，實驗室將立即與防疫部門溝通，盡快啟動環(huán)境消殺及人員檢測、追蹤等一系列防疫流程。

按照計劃，項目組在冬奧會多個場館布置氣溶膠采樣器，并設置臨時檢測站，為冬奧會提供全面氣溶膠新冠病毒檢測保障。

“我們的技術應用，相當于賽事防疫體系中的一環(huán)，起到補充和預警的作用。”劉鵬說，防疫體系包括了日常防控、采樣檢測、環(huán)境消殺等一系列監(jiān)測手段，空氣環(huán)境檢測屬于整體防疫體系的一部分。如果在檢測中出現(xiàn)異常，實驗室將會及時與防疫部門溝通并采取一系列后續(xù)措施。

劉鵬表示，開展新冠病毒監(jiān)測必然是一個長期過程，他期待這套系統(tǒng)今后能在醫(yī)院、車站、機場等人流密集的場所落地，及時發(fā)現(xiàn)疫情線索。