复旦大学团队研发新设备,核酸检测只需 5 分钟

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02-12 22:44

在新冠肺炎疫情尚未结束的如今,为了能正常地出行,核酸检测成了常事。目前新冠病毒核酸检测主要是利用鼻咽拭子,采用荧光定量 PCR ,也就是聚合酶链式反应(PCR)技术进行,检测时间通常在 2-24 小时。

▲图片来自:浙江省人民政府

日渐增长的出行需求与仍在继续的疫情,并不算短的检测时间,让新冠病毒核酸检测面临着不小的压力。因此在保证结果准确度的情况下,要让检测更为迅速。

近期,复旦大学刘云圻、魏大程等所在的研究团队在期刊《Nature Biomedical Engineering》(《自然》杂志子刊,自然生物医学工程)发表了一项研究结果。开发出的新型冠检测设备和方法,可在 5 分钟内得到核酸检测结果,且准确率更高。

在目前常见的聚合酶链式反应(PCR)检测方式,需要将新型冠状病毒核酸(RNA)逆转录为 DNA,因此在核酸检测中,如果病毒浓度过低,就会影响检测结果的准确性。

▲图片来自:人民网

复旦大学研究团队发表的文章中提到,微机电系统(MEMS)有高度集成、小型、廉价和高效的特点,具有商业化的可行性。但基于 MEMS、NEMS 和 FET 的生物传感器在某些情况下很难保持敏感性。

因此,复旦大学的研究团队研发了一种基于 MolEMS(分子机电系统)的晶体管传感芯片。他们提出的 MolEMS(分子机电系统),是一种通过 DNA 分子自组装而成,通过外电场驱动,能精准调控分子识别和信号转化过程的微型装置。

▲MolEMS 和 MolEMS g-FET,图片来自:Nature Biomedical Engineering

在实践中,大多数生物传感器无法在生物流体中实现超高灵敏度。MolEMS 的独特结构可以进行超精确的生物检测,能够实现高效的生物识别和信号转导,从而拥有超高的灵敏度。

研究结果还提到,SARS-CoV-2(新型冠状病毒)RNA 大约有 30,000 个核苷酸,并且测量临床样本会有更高的生物学复杂性,患者之间的差异以及样本收集和制备程序也有不确定性。

MolEMS 检测核酸样本不需要复杂耗时的核酸提取和扩增过程,能够直接检测鼻咽拭子样本中的 SARS-CoV-2 RNA。诊断 COVID-19 的时间约为 0.1-4 分钟,平均为 60 秒。

研究人员使用 MolEMS g-FET 组装了 COVID-19 测试系统,用于现场和床旁检测。测试系统由 MolEMS g-FET 集成测试模块和主系统两部分组成。为了避免不同样品之间的交叉干扰,一个模块用于测试一个样品。

▲SARS-CoV-2 核酸检测,图片来自:Nature Biomedical Engineering

只需更换 MolEMS 测试模块,即可将主系统重复用于多项测试。该系统的操作分为三个步骤:第一步是将测试模块与主系统连接,通过 USB、Wifi 或蓝牙将电脑或智能手机与测试系统连接。第二步是打开覆盖测试模块 PDMS 井的密封。第三步是将测试样品添加到 PDMS 井中,并从计算机或智能手机读取结果。

就研究结果来看,与 MEMS 和 NEMS 相比,MolEMS 降低了成本、体积和重量,并允许进行分子水平的操作。并且操作简单,灵敏度和特异性高还便携。出现假阴性和假阳性的概率极低,还比 PCR 检测更快。

▲超灵敏生物检测和长期稳定性,图片来自:Nature Biomedical Engineering

便携系统进一步发展后,利用它可以在机场、诊所和当地急诊部门甚至在家中进行现场和床旁检测。有助于提高核酸检测效率,减缓病毒的传播。

值得一提的是,MolEMS 的开发还可以在几分钟内实现对其他疾病的超精确诊断,而无需通常需要数小时或数天的目标纯化、扩增或培养。除了生物传感之外,MolEMS 的设计原理还可用于设计其他更高精度的机电设备和功能系统。

 

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