为了防止疫情传播，口罩和核酸越来越成为日常生活的一部分。如果有一种口罩，能全天候自动检测周围环境的病毒浓度，一旦有感染风险，会在10分钟内发出警示，你想拥有吗？
上海同济大学材料科学家方寅等人在《Matter》期刊上发表了一篇文章，他们的研究成果是可以在10分钟内检测到环境中的新冠病毒的生物电子面罩。
这种面罩为什么比做核酸快这么多？又用到了哪些原理？
一、哪些方法能够检测新冠病毒
常见的检测方法有四种：
实时荧光定量PCR，就是我们常说的核酸检测，李永乐老师曾经讲过核酸检测的原理（如何向孩子解释核酸检测的原理？），简单来说就是提取出病毒的RNA进行逆转录，得到特定的cDNA片段，通过PCR扩增技术增加目标cDNA的数量，再用荧光探针标示出目标cDNA，统计达到某种荧光强度需要扩增的次数，即CT值，以此来判断样本中的病毒浓度。
  • CT值小于37，说明原样本中的病毒浓度高，结果呈阳性。
  • CT值大于40，说明原样本中的病毒浓度低，或者根本不存在，结果呈阴性。
  • CT值在37-40之间，被称为疑似阳性，需要重新进行检测。
等温扩增技术，在酶的作用下实现恒温扩增RNA或DNA的效果，它在资源有限的环境中可以替代实时荧光定量PCR，但需要更专业的设备和技术。
下一代测序技术（Next-generationsequencing，NGS），能将样本分解成片段库，每个片段独立扩增测序，再拼接在一起生成基因组的读取结果，减少了测序的时间和成本，但这种方法对精密仪器和专业知识要求极高。
免疫学检测方法，通过检测病毒的特异性蛋白来识别病毒的存在，我们见到的抗原试剂盒用的就是这种原理。但这种检测方法敏感性较差，很多研究人员想使用新型生物传感器来提高灵敏度。我们今天要聊的生物电子口罩，就是一种基于电解质栅控晶体管的生物传感装置。
口罩的呼吸阀中装载着检测元件，检测元件的主体部分是IGTs（Ion-gatedtransistors 电解质栅控晶体管），你可以把它看作一个更高级的电阻，它的电阻随着离子反应发生可逆的变化，这样一来，一旦晶体管上发生了生物或化学变化，电压与电流就会受到影响，我们就能从电学数据做出判断。
想要把这种检测元件要戴在人的脸上，需要满足很多限制条件：
  • 外观上，体积要小，弹性要大，经得起多次弯折；
  • 性能要稳定，不受温度、湿度、弯折次数等无关环境因素影响；
  • 检测要灵敏，空气或液滴中微小的病毒浓度变化都不能漏掉；
  • 介电层的材料要稳定、要对人体无害、不影响晶体管性能的发挥；
  • 无法对病毒进行预处理，也无法保证样品的纯净度，要面对复杂的气体状况；
  • ……
在诸多限制下，方寅等人也受到了国家重点研发计划、国家自然科学基金项目、上海市科委等的支持，最终调试出满足这些要求的PIL-IGT元件，并模拟检验了在室内和室外两种空气传播模式下的检测效果。
二、PIL-IGT的检测效果
不同病毒的识别
PIL-IGT元件有三个通道，不同通道的电极上固定着可以识别不同病毒的特异性适体。
C-1通道固定的是H1N1适体
C-2 通道固定的是新冠适体
C-3通道固定的是H5N1适体
当暴露在含有不同病毒的气体中时，三个通道的电压、电流变化如下：
接触H1N1病毒时，C-1通道（橙色）的电压与电流明显变动；
接触新冠病毒时，C-2通道（绿色）的电压与电流明显变动；
接触H5N1病毒时，C-3通道（蓝色）的电压与电流明显变动；
接触到对照组的蛋白时，三个通道的电压、电流几乎没有变化。
这证明了PIL-IGT元件设计的三条通道完全可以“认出”对应的病毒，且互不干扰，后续只要改变通道上的适体，还能检测其他的呼吸道病毒。
不同场景模拟检测
不管是新冠病毒，还是H1N1和H5N1病毒，大部分情况都是通过飞沫或气溶胶传播的。实验环境中，用雾化器产生的气体模拟开放环境，用密闭空间内流经过病毒溶液的载气模拟室内环境，来检验PIL-IGT元件对气体的检测效果。
含有新冠病毒的雾化气体检测结果
在雾化气体的检测中，不同浓度的新冠病毒对应着不同颜色的曲线。反过来说，当检测元件暴露在空气中时，这些曲线的数据也可以帮我们判断雾化气中的病毒的浓度。
含有新冠病毒的载气气体检测结果
在载气的检测中，不同的病毒浓度对应的曲线也有清晰的差别。
我们可以发现，图中所绘制的病毒浓度最低已经到了0.1fg/ml，fg是什么概念呢？
1g=1000mg
1mg=1000μg
1μg=1000ng
1ng=1000pg
1pg=1000fg
对新冠病毒检测达到0.1fg/ml，的确是非常非常灵敏的程度了。
而对于H1N1和H5N1病毒，检测的最低浓度也达到10fg/ml。
雾化气体状态下，H1N1病毒与H5N1病毒的检测曲线
载气气体状态下，H1N1病毒与H5N1病毒的检测曲线
虽然对新冠病毒的检测浓度已经灵敏到0.1fg/ml，但保证检测准确，还是需要捕捉到足够的样本。方寅等人设计的PIL-IGT元件所能检测的最小液滴是0.3μl，人们日常活动中打喷嚏、咳嗽、谈话过程产生的液滴体积是这个数值的几十倍，所以不会因为检测样本的问题影响结果准确性。
三、物联网警报系统
最后一步，只需要通过物联网系统将数据上传服务器，就可以在APP端查看监控情况了。检测元件实时监控输电压和电流的变化，每隔10分钟判断空气中病毒浓度，一旦病毒浓度超过某个设定值，触发警报，人们可以快速做出反应。
作者方寅说，在通风不良的地方，新冠感染几率更高，生物电子面罩对病毒的检测也更加有效。人们还能与医疗机构共享结果，为疫情控制提供重要信息。如果未来产生了新的呼吸道病毒，改变通道适体就能检测新的病毒。这样的口罩你想拥有吗？
方寅等人发表的文章中给出了实验程序、材料制备方法、数据和代码等，感兴趣的小伙伴可以扫码阅读或点击原文链接↓
作者简介：流瑾茉篱，特约撰稿人，毕业于北京师范大学。

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