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隨著新冠病毒在世界范圍內(nèi)擴(kuò)散，患者、技術(shù)人員和科學(xué)家在對(duì)抗導(dǎo)致這種疾病的病毒時(shí)，都依賴于最新的分子分析儀器。這些儀器中嵌入的光學(xué)和光子技術(shù)（例如高量子效率的多光譜相機(jī)、可見(jiàn)光激光二極管和LED、紅外輻射熱計(jì)陣列、窄帶濾光片和寬帶多光譜光譜儀）起著至關(guān)重要的作用。

無(wú)論在醫(yī)院還是在實(shí)驗(yàn)室中，光學(xué)技術(shù)都可以對(duì)潛在感染者進(jìn)行快速的初步篩查，提供更準(zhǔn)確的分子診斷，可靠的疾病進(jìn)展監(jiān)控，甚至可能對(duì)被污染的表面進(jìn)行消毒。在過(guò)去的幾十年中，我們?nèi)祟?lèi)開(kāi)發(fā)了這些使能技術(shù)，其應(yīng)用范圍從電信到機(jī)器和夜視等。現(xiàn)在，它們又在與新冠病毒的戰(zhàn)斗中扮演著挽救生命的角色。

安全篩查

在阻止新冠病毒大流行上，如何在早期篩查出感染者是主要挑戰(zhàn)之一，因?yàn)樵摷膊“Y狀的廣泛差異使篩查工作變得復(fù)雜且艱難。監(jiān)測(cè)體表溫度升高是最常用的初步方法，這也是監(jiān)控發(fā)燒的最準(zhǔn)確方法。但是，考慮到新冠病毒的致病性，采用紅外成像攝相機(jī)遠(yuǎn)程同步拍攝和測(cè)量人群的非接觸式設(shè)備具有明顯的安全優(yōu)勢(shì)。

現(xiàn)在，許多臨床醫(yī)生依靠基于紅外線的溫度計(jì)來(lái)測(cè)量額頭溫度。這些成像和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量測(cè)溫設(shè)備為醫(yī)務(wù)人員與患者提供了更安全和有效的非接觸式屏障。這些溫度計(jì)基于單個(gè)檢測(cè)器或基于MEMS的微輻射熱計(jì)或半導(dǎo)體二極管檢測(cè)器的陣列——在遠(yuǎn)紅外光譜區(qū)域（8至14 μm）敏感的熱傳感器，并檢測(cè)出身體溫度高于正常溫度的人黑體輻射強(qiáng)度的變化。

分子診斷

如果患者發(fā)燒或出現(xiàn)其他典型的病毒感染癥狀（喉嚨痛、干咳、肌肉酸痛、乏力），那么他需要進(jìn)行進(jìn)一步的分子診斷測(cè)試。這種基于實(shí)時(shí)逆轉(zhuǎn)錄聚合酶鏈反應(yīng)(RT-PCR)的技術(shù)，使用靈敏的光譜方法，從患者的鼻或咽拭子中檢測(cè)出極少量的病毒遺傳物質(zhì)。再者，光學(xué)技術(shù)是疾病檢測(cè)必不可少的組成部分。

診斷過(guò)程需要大量的樣品處理，首先要從病人身上采集標(biāo)本。實(shí)時(shí)RT-PCR是通過(guò)在樣本中復(fù)制特定的核酸序列來(lái)工作的，使用的探針——核酸引物——選擇性地與新冠病毒中的RNA序列結(jié)合。探針被熒光染料分子標(biāo)記。

RT-PCR儀器。

然后使用酶復(fù)制結(jié)合到探針上的核酸序列。在37°C至95°C之間將樣品進(jìn)行約40次熱循環(huán)。如果存在靶核酸序列，則每個(gè)循環(huán)將其擴(kuò)增兩倍。

光學(xué)技術(shù)將“實(shí)時(shí)”置于RT-PCR中。隨著擴(kuò)增酶產(chǎn)生重復(fù)拷貝，熒光分子被釋放到緩沖溶液中。在每個(gè)循環(huán)后實(shí)時(shí)測(cè)量總熒光，對(duì)于陽(yáng)性樣品，隨著擴(kuò)增子數(shù)量的增加而增加。通過(guò)測(cè)量熱循環(huán)過(guò)程中的強(qiáng)度積累，可以檢測(cè)到病毒，并可以估算存在的病毒數(shù)量（病毒載量）。

實(shí)時(shí)RT-PCR儀器采用窄帶可見(jiàn)激光二極管或LED作為激發(fā)源，并采用帶有窄帶通光學(xué)濾波器的半導(dǎo)體二極管或光電倍增器進(jìn)行檢測(cè)。這些儀器是全自動(dòng)的，通常可以在不到一個(gè)小時(shí)的時(shí)間內(nèi)并行處理96或384個(gè)樣品。

在“TaqMan”實(shí)時(shí)聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)中，一種帶有熒光分子和猝滅劑的核酸探針?lè)肿痈街诒粡?fù)制的DNA或RNA片段上。通過(guò)每一輪擴(kuò)增，熒光分子被釋放到緩沖液中，并與淬滅劑分離，從而可以通過(guò)熒光實(shí)時(shí)檢測(cè)目標(biāo)基因序列（例如新冠病毒的基因序列）的擴(kuò)增。

實(shí)時(shí)RT-PCR技術(shù)是當(dāng)今可用的最靈敏、最特異性的分子分析技術(shù)之一。這種檢測(cè)對(duì)于跟蹤和控制新冠病毒的傳播至關(guān)重要。但是，該方法的總體靈敏度可能會(huì)受到樣品收集和制備過(guò)程效率的限制。存在于采樣組織中的病毒數(shù)量（比如個(gè)體之間的差異以及病毒在每個(gè)患者體內(nèi)的進(jìn)展）也可能是限制因素。

目前估計(jì)這種方法的假陰性率約為30％。重復(fù)檢測(cè)可以降低這一比例，這就是為什么許多醫(yī)院在患者康復(fù)之后將其分類(lèi)為非傳染性患者之前需要進(jìn)行兩到三次連續(xù)的實(shí)時(shí)RT-PCR陰性試驗(yàn)的原因。

追蹤疾病進(jìn)展

除了分子診斷，新冠病毒患者肺部成像也被證明了對(duì)使用高分辨率計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）掃描檢測(cè)病毒感染非常敏感。臨床醫(yī)生尋找肺損傷的跡象，如肺組織中的“磨毛玻璃”樣或體液積聚作為肺炎的標(biāo)志。中國(guó)的醫(yī)護(hù)人員報(bào)告說(shuō)，這種方法可以檢測(cè)出大量被感染的個(gè)體，他們的RT-PCR讀數(shù)為陰性，然而，只有在疾病發(fā)展的后期，一旦出現(xiàn)肺部損傷情況，這種方法才能檢測(cè)到。

如果病人被診斷出患有新冠病毒，則可以使用氧飽和度計(jì)確定疾病的進(jìn)展和呼吸功能，該氧飽和度計(jì)可測(cè)量血液中氧合血紅蛋白的百分比。隨著疾病的進(jìn)展，呼吸可能變得困難，導(dǎo)致含氧血紅蛋白減少——如果水平降至某些閾值以下，則可能需要補(bǔ)充氧氣或用上呼吸機(jī)。

氧飽和設(shè)備使用以兩種不同波長(zhǎng)發(fā)射的發(fā)光二極管，波長(zhǎng)通常在665 nm和894 nm左右。氧飽和度百分?jǐn)?shù)由這兩個(gè)波長(zhǎng)下的吸收率測(cè)得。這些電池供電的設(shè)備可舒適地夾在手指或腳趾上，提供氧飽和度水平的實(shí)時(shí)測(cè)量。

免疫測(cè)定：ELISA法

光學(xué)儀器還被用來(lái)測(cè)試一個(gè)人是否曾接觸過(guò)新冠病毒并已產(chǎn)生免疫反應(yīng)。這些儀器可以每天自動(dòng)分析成百上千個(gè)樣本，它們使用一種稱為酶聯(lián)免疫吸附測(cè)定（ELISA）的技術(shù)來(lái)測(cè)量患者血清樣本中是否存在新冠病毒特異性抗體。

96孔板酶標(biāo)儀。

在一種典型的檢測(cè)方法中，在病毒表面上發(fā)現(xiàn)的抗原被固定在樣品孔的底部，該孔是光學(xué)透明的。血清樣品中的抗體與酶（通常是辣根過(guò)氧化物酶）結(jié)合，并在含有固定抗原的表面上孵育。對(duì)新冠病毒抗原具有特異性的任何抗體均會(huì)與靶標(biāo)結(jié)合并固定在光學(xué)窗口的表面。未結(jié)合的非特異性抗體被洗掉。

然后將含有酶底物的帶有色度指示劑的溶液添加到樣品孔中，與抗體相連的酶與底物反應(yīng)，從而在樣品中產(chǎn)生顏色變化。該酶與多個(gè)底物分子反應(yīng)，從而放大信號(hào)。然后，通過(guò)樣品底物的熒光或吸收指示劑的多光譜成像，可以檢測(cè)并定量血清中的病毒抗體。

即使此次疫情已經(jīng)過(guò)去，這種方法仍可用于衡量病毒在社群中的傳播程度、測(cè)量個(gè)體免疫反應(yīng)的持續(xù)時(shí)間，并研究抗病毒藥物候選物和潛在疫苗的功效。目前，正在使用ELISA鑒定從新冠病毒中康復(fù)過(guò)來(lái)且對(duì)病毒具有保護(hù)性免疫反應(yīng)的醫(yī)務(wù)工作者。一旦免疫被確認(rèn)，這些人員就可以安全地恢復(fù)與受感染患者的合作。

ELISA原理圖，用于測(cè)量新冠病毒患者樣品中特定抗體的存在。該技術(shù)依賴于樣品的比色變化，該變化是由與SARS-CoV-2病毒特異抗體相連的酶產(chǎn)生的。

疫苗和滅菌

光學(xué)設(shè)備也是最常見(jiàn)的高通量基因測(cè)序儀器的核心技術(shù)。它們通常使用高量子效率、超高分辨率多光譜相機(jī)同時(shí)繪制數(shù)億個(gè)目標(biāo)DNA分子的序列，并且可以在短短幾個(gè)小時(shí)內(nèi)對(duì)新冠病毒的完整基因組進(jìn)行測(cè)序。病毒的遺傳序列可能會(huì)因位置而異，因?yàn)樾鹿诓《驹谄鋸?fù)制階段偶爾會(huì)發(fā)生突變。通過(guò)比較從不同位置的患者采集的樣本中的特定突變，可以比較不同地理區(qū)域的感染并追蹤感染的起源。

病毒基因組的高通量測(cè)序還可以確定病毒中的蛋白質(zhì)，并為合成疫苗確定合適的靶點(diǎn)，以安全刺激免疫反應(yīng)。在過(guò)去的20年中，這項(xiàng)技術(shù)有了很大的進(jìn)步，這在很大程度上要?dú)w功于人類(lèi)基因組計(jì)劃，它將成為開(kāi)發(fā)有效的疫苗和抗病毒藥物以對(duì)抗新冠病毒大流行的必不可少的工具。

除分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室之外，光學(xué)器件正在作為另一個(gè)重要領(lǐng)域的“武器”：表面消毒。大多數(shù)病毒和細(xì)菌對(duì)紫外線非常敏感，特別是在UV-C光譜區(qū)域（200-280 nm）中，這會(huì)導(dǎo)致RNA突變，而RNA是病毒復(fù)制所必需的。最近，在該光譜區(qū)域發(fā)射的UV LED的開(kāi)發(fā)方面已經(jīng)取得了很大的進(jìn)步。已經(jīng)開(kāi)發(fā)出發(fā)射數(shù)百毫瓦的LED陣列，其使用壽命超過(guò)1000小時(shí)，電效率約為10％。

這些二極管的陣列可以產(chǎn)生顯著的紫外線功率水平，從而有可能比化學(xué)試劑更有效地凈化某些表面。最近的實(shí)驗(yàn)室結(jié)果表明，在大約1分鐘的暴露時(shí)間內(nèi)，足以通過(guò)位于污染表面上方約1米的1W平均功率設(shè)備殺死細(xì)菌和病毒。紫外線發(fā)光二極管對(duì)感染SARS-CoV-2病毒表面的凈化效果正在進(jìn)一步測(cè)試當(dāng)中。

未來(lái)需求

隨著全球健康面臨這一新型致命的威脅，世界各地的實(shí)驗(yàn)室正在使用由光學(xué)和光子學(xué)界開(kāi)發(fā)的技術(shù)來(lái)幫助阻止病毒擴(kuò)散和拯救生命。在不久的將來(lái)，隨著新冠病毒疾病的傳播減緩，醫(yī)學(xué)焦點(diǎn)將轉(zhuǎn)向熱點(diǎn)地區(qū)新冠病毒復(fù)發(fā)的早期檢測(cè)和隔離，這將對(duì)診斷和凈化技術(shù)提出新的挑戰(zhàn)。而這些挑戰(zhàn)為光學(xué)和光子技術(shù)帶來(lái)了新機(jī)遇——光學(xué)與光子技術(shù)具有低成本、高速、靈敏和特異的優(yōu)勢(shì)，為全球健康做出了重要貢獻(xiàn)。

原文作者：Thomas M. Baer 、Christina E. Baer

本站編輯老王譯自《Optics & Photonics News》

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光學(xué)、光子學(xué)在對(duì)抗新冠病毒中的應(yīng)用

光學(xué)、光子學(xué)在對(duì)抗新冠病毒中的應(yīng)用