不挑毒株 灵敏度提升10倍气溶胶新冠病毒监测系统上岗冬奥会

刘苏雅

2022年1月4日，习近平总书记在北京考察2022年冬奥会、冬残奥会筹办备赛工作时强调，当今世界，科技在竞技体育中的作用越来越突出。建设体育强国，必须实现高水平的体育科技自立自强。要综合多学科、跨学科的力量，统筹推进技术研发和技术转化，为我国竞技体育实现更大突破提供有力支撑。

2022年北京冬奥会和冬残奥会，既是冬奥健儿展示风采的顶级舞台，也是先进科技的全球展示平台。在后冬奥时期，“科技冬奥”新技术、新成果和新应用也将成为一笔丰厚遗产，为北京国际科技创新中心建设提供重要助力。

即日起，北京日报推出“科技赋能 助力冬奥”专栏，聚焦“双奥之城”科技新变化，全方位展现科学精神、科技成就与冬奥赛场的碰撞融合和产出的丰硕成果。

气溶胶直径小于100微米，可以被人直接吸入肺部，是新冠肺炎病毒传播的重要途径之一。2021年广州发生的新冠肺炎疫情中，就出现了气溶胶传播现象，但当时针对气溶胶进行新冠病毒检测的有效手段尚未出现。

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，并已在北京冬奥测试赛中成功应用。该系统能够对存在于空气中的生物气溶胶进行收集检测，灵敏度可达常规方法的10倍。

实现全自动一体化检测

为了解决气溶胶检测难题，2020年10月，在北京市委市政府的部署和北京市科委的直接领导下，清华大学医学院生物医学工程系研究员刘鹏联合昌平实验室、北京大学等多家单位，经过8个月的努力，顺利完成了科研攻关。

刘鹏介绍，用于公共空间的生物气溶胶新型冠状病毒监测系统分为两部分：便携式生物气溶胶采样器作为前端收集装置，将在需要检测的场所内工作，开展空气样本采样；自动化全集成高灵敏病毒核酸检测系统则设置在实验室，分析采集到的样本并生成检测报告。

此前，气溶胶采样器已经由北京大学教授要茂盛初步研发成功，随后又经过多次改进升级，更加便携易用。打开生物气溶胶采样器，中间是一个经过特殊设计的空腔，吸入的空气会在其中形成“旋涡”。仪器启动后以每分钟超过400升的流量，将空气气旋引导至装有试剂的检测管中。

“纯空气会被溶液弹开，但空气中包含着的气溶胶、灰尘等物质则会被收集。就像一颗沙粒进入水中，会迅速沉到水底。”北京大学环境学院博士生李心月介绍，该设计能实现气体和气溶胶的分离，让气溶胶在采样管中富集。同时，收集试剂对病毒能起到灭活作用，保证收集到的病毒样本不再具备传染性。

而在检测端，刘鹏带领团队经过大半年的攻关，一个磁带大小的核酸捕获及原位扩增检测芯片被研发出来。芯片采用全封闭设计，采集到样本后，核酸捕获及原位扩增滤膜可从1毫升样本中捕获到80%以上的病毒核酸。随后，实验人员只需将芯片整齐地插入分子诊断检控一体机，仪器便可自动进行核酸扩增及分析，直接生成检测结果，全程不需要人工参与。

灵敏度提升一个数量级

2021年4月，刘鹏和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，对系统进行实际验证。刘鹏团队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，并将样本一分为二，同步进行气溶胶检测和常规检测。结果显示，两种检测方式的吻合度很高，且气溶胶系统的檢出率是现有PCR体系的三倍。

刘鹏说，气溶胶新冠病毒监测系统能实现每毫升20拷贝的灵敏度，而常规方法需要每毫升200至500拷贝才能检出，“可以说，检测灵敏度比现有技术提升了一个数量级”。同时，这套系统也不挑毒株，在进行扩增检测时，刘鹏选择的是新冠病毒不会发生变异的保守序列，即使是最新突变的奥密克戎毒株，同样逃不过系统的检测。

每台采样器在现场工作30分钟，就可以采集到12立方米内的气溶胶颗粒，再经过45分钟的自动化一体检测，即可得出检测结论。从采样开始到将最终结果反馈至防疫部门，全程不超过4小时。

落地冬奥场馆

2021年10月起，这套系统已经在5个冬奥场馆及主媒体中心等场地进行了系统测试验证，并在冬奥测试赛上实现了348例采样。刘鹏说，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。

按照计划，项目组在冬奥会多个场馆布置气溶胶采样器，并设置临时检测站，为冬奥会提供全面气溶胶新冠病毒检测保障。

“我们的技术应用，相当于赛事防疫体系中的一环，起到补充和预警的作用。”刘鹏说，防疫体系包括了日常防控、采样检测、环境消杀等一系列监测手段，空气环境检测属于整体防疫体系的一部分。如果在检测中出现异常，实验室将会及时与防疫部门沟通并采取一系列后续措施。

刘鹏表示，开展新冠病毒监测必然是一个长期过程，他期待这套系统今后能在医院、车站、机场等人流密集的场所落地，及时发现疫情线索。