傳感器材料可以放置在任何類(lèi)型的表面上，從門(mén)把手和建筑物入口到口罩和紡織品。圖片來(lái)源：Kam Sang Kwok 和 Aishwarya Pantula/約翰霍普金斯大學(xué)

約翰霍普金斯大學(xué)開(kāi)發(fā)的一種 COVID-19 傳感器可以通過(guò)增加在大流行期間讓許多人感到沮喪的過(guò)程的準(zhǔn)確性和速度來(lái)改變病菌測(cè)試。

在今天發(fā)表在Nano Letters上的一項(xiàng)新研究中，研究人員描述了這種新傳感器，它不需要樣品制備和操作員專(zhuān)業(yè)知識(shí)，與現(xiàn)有測(cè)試方法相比具有強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)，特別是對(duì)于人群范圍的測(cè)試。

“這項(xiàng)技術(shù)就像在我們的設(shè)備上滴一滴唾液并得到陰性或陽(yáng)性結(jié)果一樣簡(jiǎn)單，”機(jī)械工程副教授 Ishan Barman 和化學(xué)和生物分子工程教授 David Gracias 說(shuō)，是該研究的作者。“關(guān)鍵的新穎之處在于這是一種無(wú)標(biāo)記技術(shù)，這意味著不需要額外的化學(xué)修飾，如分子標(biāo)記或抗體功能化。這意味著傳感器可以用于可穿戴設(shè)備。”

Barman 說(shuō)，這項(xiàng)尚未在市場(chǎng)上銷(xiāo)售的新技術(shù)解決了兩種廣泛使用的 COVID-19 測(cè)試類(lèi)型的局限性：PCR 和快速測(cè)試。

PCR 測(cè)試非常準(zhǔn)確，但需要復(fù)雜的樣品制備，在實(shí)驗(yàn)室中處理結(jié)果需要數(shù)小時(shí)甚至數(shù)天。另一方面，尋找抗原存在的快速檢測(cè)在檢測(cè)早期感染和無(wú)癥狀病例方面不太成功，并且可能導(dǎo)致錯(cuò)誤的結(jié)果。

該傳感器幾乎與 PCR 測(cè)試一樣敏感，并且與快速抗原測(cè)試一樣方便。在初始測(cè)試期間，該傳感器在檢測(cè)唾液樣本中的 SARS-COV-2 方面表現(xiàn)出 92% 的準(zhǔn)確度——與 PCR 測(cè)試相當(dāng)。該傳感器在快速確定其他病菌的存在方面也非常成功，包括 H1N1 和寨卡病菌。

該傳感器基于大面積納米壓印光刻、表面增強(qiáng)拉曼光譜 (SERS) 和機(jī)器學(xué)習(xí)。它可用于一次性芯片形式或剛性或柔性表面的大規(guī)模測(cè)試。

該方法的關(guān)鍵是 Gracias 實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的大面積、柔性場(chǎng)增強(qiáng)金屬絕緣體天線 (FEMIA) 陣列。唾液樣本被放置在材料上并使用表面增強(qiáng)拉曼光譜進(jìn)行分析，該光譜使用激光來(lái)檢查被檢查樣本的分子如何振動(dòng)。由于納米結(jié)構(gòu)的 FEMIA 顯著增強(qiáng)了病菌的拉曼信號(hào)，因此該系統(tǒng)可以快速檢測(cè)病菌的存在，即使樣本中僅存在少量痕跡。該系統(tǒng)的另一項(xiàng)重大創(chuàng)新是使用先進(jìn)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法來(lái)檢測(cè)光譜數(shù)據(jù)中非常微妙的特征，從而使研究人員能夠查明病菌的存在和濃度。

Ishan Barman（左）和 David Gracias 觀察由拉曼顯微鏡測(cè)量的光譜特征，前景是機(jī)器學(xué)習(xí)算法發(fā)現(xiàn)的。學(xué)分：威爾柯克/約翰霍普金斯大學(xué)

“無(wú)標(biāo)簽光學(xué)檢測(cè)與機(jī)器學(xué)習(xí)相結(jié)合，使我們能夠擁有一個(gè)平臺(tái)，可以測(cè)試各種病菌，具有更高的靈敏度和選擇性，并且周轉(zhuǎn)速度非�？�，”主要作者 Debadrita Paria 說(shuō)，他曾在該研究為機(jī)械工程博士后。

傳感器材料可以放置在任何類(lèi)型的表面上，從門(mén)把手和建筑物入口到口罩和紡織品。

“使用先進(jìn)的納米壓印制造和轉(zhuǎn)移印刷，我們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了剛性和柔性 COVID 傳感器基板的高精度、可調(diào)諧和可擴(kuò)展的納米制造，這對(duì)于未來(lái)實(shí)施不僅在基于芯片的生物傳感器上而且在可穿戴設(shè)備上都很重要，”說(shuō)格拉西亞斯。

他說(shuō)，該傳感器可能會(huì)與手持測(cè)試設(shè)備集成，以便在機(jī)場(chǎng)或體育場(chǎng)等擁擠的地方進(jìn)行快速篩查。

“我們的平臺(tái)超越了當(dāng)前的 COVID-19 大流行，”巴曼說(shuō)。“我們可以將其用于針對(duì)不同病菌的廣泛測(cè)試，例如，區(qū)分 SARS-CoV-2 和 H1N1 甚至變體。這是當(dāng)前快速測(cè)試無(wú)法輕易解決的主要問(wèn)題。”

該團(tuán)隊(duì)繼續(xù)努力進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和測(cè)試患者樣本的技術(shù)。Johns Hopkins Technology Ventures 已為其相關(guān)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)申請(qǐng)了專(zhuān)利，該團(tuán)隊(duì)正在尋求許可和商業(yè)化機(jī)會(huì)。

作者包括：Kam Sang (Mark) Kwok，化學(xué)和生物分子工程專(zhuān)業(yè)的研究生；Piyush Raj，研究生；和機(jī)械工程博士后鄭鵬。