COVID-19/免戳鼻子、準確性高、25分鐘內結果出爐!約翰霍普金斯大學研發新一代病毒檢測器

美國約翰霍普金斯大學近期開發一款新型的 COVID-19 檢測器,可以在 25 分鐘內提供檢測結果,且準確度達 92% ,可媲美目前被視為黃金標準的 PCR 檢測。研究人員指出,此款檢測器的優勢在於不需要樣品製備或專業操作知識,因此可用於機場、學校和醫院等地的大規模篩檢。

在 COVID-19 疫情爆發之後,由於蔓延規模太大、染疫的人數太多,曝露出現行 2 種最廣泛使用的 COVID-19 檢測方式的侷限性:核酸檢測(PCR)和快篩測試。 首先,雖然 PCR 檢測非常準確,但需要複雜的樣品製備,且檢測結果需要在實驗室中處理數小時甚至數天。

另一方面,快篩測試雖然具有易操作且可用於大規模篩檢的優勢,但其在檢測早期感染和無症狀病例部分的表現並不太出色。與 PCR 檢測相比,快篩測試的敏感性、特異性較低,並可能導致偽陰性、偽陽性的狀況,難以直接作為新冠肺炎確診的主要依據。

根據近日發表於《奈米通訊》(Nano Letters)上的一項最新研究中,美國約翰霍普金斯大學的研究團隊介紹了這款新型的 COVID-19 檢測器,它不需要複雜的樣品製備和專業操作知識,只需要採檢唾液樣本,而不是更侵入性的鼻咽採樣,且在 25 分鐘內即可提供非常準確的檢測結果,與現有的檢測方法相比具有強大的優勢,可以透過提高檢測準確性和速度來徹底優化病毒檢測的程序,特別是應用於大規模群體的篩檢。

美國約翰霍普金斯大學所研發的新型檢測器

研究指出,該檢測器幾乎和 PCR 檢測一樣靈敏,與快篩檢測一樣方便。在初始測試期間,該檢測器在檢測唾液樣本中的新型冠狀病毒(SARS-CoV-2)時顯示出 92% 的準確率,與 PCR 測試相當。此外,該檢測器在快速檢測其他病毒,包含 H1N1 和茲卡病毒的存在,也有非常好的成果。

約翰霍普金斯大學化學和生物分子工程教授 David Gracias 與該校機械工程副教授 Ishan Barman 共同領導的這項研究,其所研發的檢測器技術基於大面積奈米壓印光刻(Nanoimprint lithography)、表面增強拉曼光譜(SERS)和機器學習,它可用於一次性檢測及大規模檢測,並作為放置在堅硬或柔軟材質上的檢測器,可以安裝在許多不同類型的材質表面上,從人們常接觸的門把手、建築物入口、電梯到口罩與衣物等紡織品,甚至也能作為可穿戴式設備。

在疫情仍影響全球各國公共衛生的情況下,對感染者的廣泛檢測和隔離,是控管疫情爆發的核心策略。約翰霍普金斯大學機械工程副教授 Ishan Barman 指出,這項尚未上市的新技術解決了 PCR 和快篩,這 2 種目前最廣泛運用的 COVID-19 檢測方式的侷限性。

Ishan Barman強調,新型檢測器的關鍵之處在於,這是一種免標定感測技術,有別於傳統的螢光或放射性分析法檢測,這意味著不需要如分子標記或抗體功能化的額外化學修飾,代表檢測器最終能應用於可穿戴式設備,來即時監測環境與個人的病毒暴露情況。他表示,這項技術的應用範圍超越了當前的 COVID-19 疫情大流行,還可以對各種不同的病毒進行大規模檢測,例如區分 SARS-CoV-2 和 H1N1 ,甚至這些病毒的變體,目前沒有任何快速檢測的方式能解決此問題。

該檢測器應用表面增強拉曼光譜(SERS)與機器學習技術來識別不同的病毒樣本

據了解,此款檢測器的技術關鍵是由 Gracias 實驗室開發的大面積、柔性場增強金屬絕緣體天線(FEMIA)陣列。將唾液樣本放置在材料上並使用表面增強拉曼光譜(SERS)進行分析,該光譜使用雷射來檢查樣本中的分子振動。由於奈米結構的 FEMIA 顯著增強了病毒的拉曼信號,因此系統可以快速檢測病毒的存在,即使樣本中僅有一點點的病毒。

此外,該款檢測器的另一項重大創新是使用先進的機器學習演算法,來檢測光譜數據中非常微妙的特徵,使研究人員能夠查明病毒的存在和濃度。將免標定光學感測技術與機器學習結合,讓研究人員能夠在同一個平台上檢測各式各樣的病毒,且增強檢測的敏感性和選擇性,檢驗報告出爐時間也非常快。

約翰霍普金斯大學化學和生物分子工程教授 David Gracias 表示,檢測器使用最先進的奈米壓印技術,實現具有高精確度、可調整性與可擴展性的奈米製造病毒檢測器基板,可用於各種不同的材質表面。他強調,這對於未來的實施與應用非常重要,代表檢測器不僅能用於個人的可穿戴式設備,也可與手持式檢測設備結合,以便在機場或體育場等人多的地方進行快速的大規模篩檢。

此項研究得到了美國國家科學基金會(NSF)和美國國家衛生研究院(NIH)的支持,該團隊將繼續致力於透過患者樣本持續開發和測試技術。約翰霍普金斯大學的 Johns Hopkins Technology Ventures 已申請與其相關的智慧財產權專利,該團隊也正在尋求取得政府核准、廣泛應用與進一步商業化的機會。

文 / 孫珞軒、圖 / 巫俊郡

1.參考文獻:Label-Free Spectroscopic SARS-CoV-2 Detection on Versatile Nanoimprinted Substrates
2.參考文獻:Hopkins team develops new sensor for rapid COVID-19 testing

延伸閱讀
太早、太晚做快篩都會影響結果!免疫專家教快篩要訣與技巧
PCR核酸檢測與快篩有什麼不同?一張圖教你用什麼方法檢驗新冠COVID-19
整理包/誰該使用公費快篩?公費快篩熱點?篩檢流程、常見 QA 一次看

新冠肺炎 COVID-19 專區新冠肺炎專區