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冬奥场馆用上气溶胶新冠病毒监测系统

冬奥场馆用上气溶胶新冠病毒监测系统
灵敏度较常规方法提升一个量级

气溶胶直径小于100微米,传播距离达1米以上,可被直接吸入肺部,是新冠肺炎病毒传播的重要途径之一。

为了监测空气中的气溶胶,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。目前,多台样本采集器已在冬奥会多个场馆“上岗”。

相对于常规方法,监测系统的灵敏度高了一个量级。近日,记者来到北京中关村生命科学园生物气溶胶检测实验室,揭秘如此灵敏的设备是如何工作的。

30分钟从密闭空间采集气溶胶颗粒

气溶胶是指空气中长时间悬浮的、直径一般在100微米以下的微小颗粒物组成的系统,雾和霾都属于气溶胶。组分中包含病毒、细菌、真菌、花粉、动植物源性蛋白等微生物的气溶胶,被称为“生物气溶胶”。

据清华大学医学院研究员刘鹏介绍,气溶胶颗粒会随着人们呼吸、打喷嚏传到空气中,其传播距离达1米以上,可被直接吸入肺部,是新冠病毒传播的重要途径之一。

相较于给人做核酸检测,给空气做“核酸检测”并非易事。“因为气溶胶样本体积大,空气中的病毒载量比较低,远远低于从人的咽喉直接采样,同时,病毒RNA稳定性差,这就要求我们的收集方法要高效,检测方法要非常灵敏。”刘鹏说。

在位于北京中关村生命科学园的生物气溶胶检测实验室,记者见到了生物气溶胶新冠病毒核酸监测系统,由便携式气溶胶采集器和一体化高灵敏新冠病毒核酸检测仪两部分组成。

气溶胶采集器由北京大学环境学院要茂盛教授团队研发,外形小巧轻便,适合在热身室、裁判室等狭小密闭空间使用,30分钟内可采集12立方米内的气溶胶颗粒,并收集到采样管中。

清华大学医学院研究生李保戴上手套,将采集管固定在采集器上,向记者演示了这一过程。生物气溶胶采样器中间是一个经过特殊设计的空腔,进风口吸入的空气会在其中形成气体“旋涡”。仪器启动后以每分钟超过400升的流量,将空气气旋引导至采集管中,空气中的气溶胶等颗粒物会被甩进采集管中。

采集管中装有4毫升病毒灭活液,一旦气溶胶内含有病毒将被灭活,以保证采样及后续检测人员的安全。

病毒检测灵敏度是常规方法10倍

采集完成后,轮到“一体化高灵敏新冠病毒核酸检测仪”登场。

李保用移液枪从浓缩后仅剩2毫升左右溶液的采集管中取出1毫升液体,转入样本管中。“剩余1毫升液体进行样本留存,一旦出现阳性,可以进行复检。”样本管被装入芯片卡盒中,全封闭插入检测仪检测。

卡盒比手掌还小,但内有乾坤。液体经过卡盒下方“头发丝”一般粗细的流道,流入清华大学刘鹏团队自主研发的核酸捕获滤膜中,滤膜将核酸富集在一起,剩余溶液流入废液池。核酸从裂解到捕获的第一步就完成了。

第二步,清洗液也将从流道流过来,对样本中的杂质和滤膜进行清洗。接下来,反应试剂会流到滤膜的位置,对核酸进行局部原位扩增。通过荧光检测器读取,最后的数据将直接显示在屏幕上,生成检测结果。

“阴性样本的曲线虽然会小幅波动,但基本是平的,而阳性样本的曲线会呈S形上升,和阴性样本形成明显区分。”李保说。

所有这一系列步骤,只需要45分钟,全程不需要人工参与。检测仪内可以安装8个芯片卡盒,同时对8个样本进行检测,提高检测效率。

检测仪采用微流控平台结合新型核酸提取与扩增技术,使新冠病毒的检测灵敏度达到20拷贝/毫升,比常规方法灵敏10倍。

20拷贝每毫升是什么概念?刘鹏举例解释,新冠病毒检测会采集咽拭子,检测试管溶液中病毒的浓度。使用常规的实时荧光定量PCR方法进行检测,需要每毫升有200-500个病毒才能检测出来。使用气溶胶病毒检测仪,灵敏度达到每毫升20个病毒,是常规方法的10倍,提升了一个量级。

8个月完成紧急研发

监测系统研发难度大,但过程只用了8个月。

2020年10月,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,联合研制公共空间生物气溶胶新型冠状病毒监测系统。

李保至今记得那段“很拼”的日子。“我和师兄李尚霖做实验做到凌晨1、2点是常态,刘鹏老师周末和节假日也几乎不休息。一有数据结果,我们经常大半夜就讨论起来。”

2021年4月,系统进入实际验证。刘鹏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。他们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,同步进行气溶胶检测和常规检测。超过100例样本的临床测试验证结果显示,系统阳性检出率达到现有实时荧光定量PCR体系检出率的三倍。

为了推动这项技术在北京冬奥上的应用,北京市科委组织专家对技术进行论证。研发团队按照专家意见在P3实验室进行了实验验证,证明了气溶胶采集的安全性。

用于冬奥赛事防疫 起到预警作用

在正式“上岗”冬奥会之前,系统已经在制冰期和冬奥测试活动中显露身手。

2021年10月起,系统陆续在首都体育馆、五棵松冰上中心、国家速滑馆、“水立方”、国家体育馆和主媒体中心等场地进行测试与应用。据刘鹏介绍,为确保生物安全,团队采用了负压帐篷加生物安全柜的模式,兼顾时效性和安全性。截至2021年12月初,共检测348例气溶胶标本,证明了气溶胶检测的可行性。

冬奥期间,预计有100多台样本采集器将在冬奥会多个场馆“上岗”,临时检测站也将设置多台检测仪。从采样到接样运输再到检测出结果,整个过程将不超过4个小时。

“我们的技术应用,相当于整个防疫体系中的一环,起到补充和预警的作用。”刘鹏介绍,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。

声 音

截至目前,在冬奥场景先后测试和使用了200多项技术,已确定赛时应用70余项,其中20余项在技术先进性和应用展示度方面极具代表性。

目前,新冠肺炎疫情在全球仍未得到完全遏制,科学防疫成为办好这届冬奥会的重要前提。我们通过组织科技防疫技术攻关、专家论证、现场测试等形式,在体温监测、环境消毒、病原体检测等环节,推进多项技术成果应用,切实发挥科技对北京冬奥会疫情防控的支撑作用,全力保障赛事安全。——北京市科委、中关村管委会冬奥专班负责人 杨鹏宇

新京报记者 张璐

【编辑:张旭】