氣溶膠直徑小于100微米，傳播距離達1米以上，可被直接吸入肺部，是新冠肺炎病毒傳播的重要途徑之一。
為了監測空氣中的氣溶膠，清華大學、北京大學、中國醫學科學院病原生物學研究所、昌平實驗室等科研人員開展緊急攻關，聯合研制出公共空間生物氣溶膠新型冠狀病毒監測系統。目前，多台樣本采集器已在冬奧會多個場館“上崗”。
相對于正常方法，監測系統的靈敏度高了一個量級。近日，記者來到北京中關村生命科學園生物氣溶膠檢測實驗室，揭秘如此靈敏的裝置是如何工作的。
30分鐘從密閉空間采集氣溶膠顆粒
氣溶膠是指空氣中長時間懸浮的、直徑一般在100微米以下的微小顆粒物組成的系統，霧和霾都屬于氣溶膠。組分中包含病毒、細菌、真菌、花粉、動植物源性蛋白等微生物的氣溶膠，被稱為“生物氣溶膠”。
據清華大學醫學院研究員劉鵬介紹，氣溶膠顆粒會随着人們呼吸、打噴嚏傳到空氣中，其傳播距離達1米以上，可被直接吸入肺部，是新冠病毒傳播的重要途徑之一。
相較于給人做核酸檢測，給空氣做“核酸檢測”并非易事。“因為氣溶膠樣本體積大，空氣中的病毒載量比較低，遠遠低于從人的咽喉直接采樣，同時，病毒RNA穩定性差，這就要求我們的收集方法要高效，檢測方法要非常靈敏。”劉鵬說。
在位于北京中關村生命科學園的生物氣溶膠檢測實驗室，記者見到了生物氣溶膠新冠病毒核酸監測系統，由便攜式氣溶膠采集器和一體化高靈敏新冠病毒核酸檢測儀兩部分組成。
氣溶膠采集器由北京大學環境學院要茂盛教授團隊研發，外形小巧輕便，适合在熱身室、裁判室等狹小密閉空間使用，30分鐘内可采集12立方米内的氣溶膠顆粒，并收集到采樣管中。
采集管被固定在采集器上。新京報記者 陶冉 攝
清華大學醫學院研究所學生李保戴上手套，将采集管固定在采集器上，向記者示範了這一過程。生物氣溶膠采樣器中間是一個經過特殊設計的空腔，進風口吸入的空氣會在其中形成氣體“旋渦”。儀器啟動後以每分鐘超過400升的流量，将空氣氣旋引導至采集管中，空氣中的氣溶膠等顆粒物會被甩進采集管中。
采集管中裝有4毫升病毒滅活液，一旦氣溶膠内含有病毒将被滅活，以保證采樣及後續檢測人員的安全。
病毒檢測靈敏度是正常方法10倍
采集完成後，輪到“一體化高靈敏新冠病毒核酸檢測儀”登場。
李保用移液槍從濃縮後僅剩2毫升左右溶液的采集管中取出1毫升液體，轉入樣本管中。“剩餘1毫升液體進行樣本留存，一旦出現陽性，可以進行複檢。”樣本管被裝入晶片卡盒中，全封閉插入檢測儀檢測。
1月18日，北京生命科學研究所，從業人員将晶片卡盒放入檢測儀器中。新京報記者 陶冉 攝
卡盒比手掌還小，但内有乾坤。液體經過卡盒下方“頭發絲”一般粗細的流道，流入清華大學劉鵬團隊自主研發的核酸捕獲濾膜中，濾膜将核酸富集在一起，剩餘溶液流入廢液池。核酸從裂解到捕獲的第一步就完成了。
第二步，清洗液也将從流道流過來，對樣本中的雜質和濾膜進行清洗。接下來，反應試劑會流到濾膜的位置，對核酸進行局部原位擴增。通過熒光檢測器讀取，最後的資料将直接顯示在螢幕上，生成檢測結果。
“陰性樣本的曲線雖然會小幅波動，但基本是平的，而陽性樣本的曲線會呈S形上升，和陰性樣本形成明顯區分。”李保說。
所有這一系列步驟，隻需要45分鐘，全程不需要人工參與。檢測儀内可以安裝8個晶片卡盒，同時對8個樣本進行檢測，提高檢測效率。
檢測儀采用微流控平台結合新型核酸提取與擴增技術，使新冠病毒的檢測靈敏度達到20拷貝/毫升，比正常方法靈敏10倍。
20拷貝每毫升是什麼概念？劉鵬舉例解釋，新冠病毒檢測會采集咽拭子，檢測試管溶液中病毒的濃度。使用正常的實時熒光定量PCR方法進行檢測，需要每毫升有200-500個病毒才能檢測出來。使用氣溶膠病毒檢測儀，靈敏度達到每毫升20個病毒，是正常方法的10倍，提升了一個量級。
晶片卡盒，卡盒最右側為樣本管。新京報記者 陶冉 攝
8個月完成緊急研發
監測系統研發難度大，但過程隻用了8個月。
2020年10月，清華大學、北京大學、中國醫學科學院病原生物學研究所、昌平實驗室等科研人員開展緊急攻關，聯合研制公共空間生物氣溶膠新型冠狀病毒監測系統。
李保至今記得那段“很拼”的日子。“我和師兄李尚霖做實驗做到淩晨1、2點是常态，劉鵬老師周末和節假日也幾乎不休息。一有資料結果，我們經常大半夜就讨論起來。”
2021年4月，系統進入實際驗證。劉鵬團隊帶着氣溶膠新冠病毒監測系統進入地壇醫院，開展新冠病毒樣本實地采集。他們采集了病人的鼻咽拭子、唾液、呼出的氣體和病房中的氣溶膠樣本，同步進行氣溶膠檢測和正常檢測。超過100例樣本的臨床測試驗證結果顯示，系統陽性檢出率達到現有實時熒光定量PCR體系檢出率的三倍。
為了推動這項技術在北京冬奧上的應用，北京市科委組織專家對技術進行論證。研發團隊按照專家意見在P3實驗室進行了實驗驗證，證明了氣溶膠采集的安全性。
用于冬奧賽事防疫 起到預警作用
在正式“上崗”冬奧會之前，系統已經在制冰期和冬奧測試活動中顯露身手。
2021年10月起，系統陸續在首都體育館、五棵松冰上中心、國家速滑館、“水立方”、國家體育館和主媒體中心等場地進行測試與應用。據劉鵬介紹，為確定生物安全，團隊采用了負壓帳篷加生物安全櫃的模式，兼顧時效性和安全性。截至2021年12月初，共檢測348例氣溶膠标本，證明了氣溶膠檢測的可行性。
冬奧期間，預計有100多台樣本采集器将在冬奧會多個場館“上崗”，臨時檢測站也将設定多台檢測儀。從采樣到接樣運輸再到檢測出結果，整個過程将不超過4個小時。
“我們的技術應用，相當于整個防疫體系中的一環，起到補充和預警的作用。”劉鵬介紹，如果在檢測中發現了弱陽性或陽性樣本，實驗室将立即與防疫部門溝通，盡快啟動環境消殺及人員檢測、追蹤等一系列防疫流程。
聲音
截至目前，在冬奧場景先後測試和使用了200多項技術，已确定賽時應用70餘項，其中20餘項在技術先進性和應用展示度方面極具代表性。
目前，新冠肺炎疫情在全球仍未得到完全遏制，科學防疫成為辦好這屆冬奧會的重要前提。我們通過組織科技防疫技術攻關、專家論證、現場測試等形式，在體溫監測、環境消毒、病原體檢測等環節，推進多項技術成果應用，切實發揮科技對北京冬奧會疫情防控的支撐作用，全力保障賽事安全。 ——北京市科委、中關村管委會冬奧專班負責人 楊鵬宇
新京報記者 張璐 攝影記者 陶冉
編輯 朱麗華 張磊 校對 楊許麗