天津大学:智能口罩可直接检测呼气中的病毒

该智能口罩可广泛用于机场、海关、医院等对潜在的病毒感染者的快速筛查,口罩佩戴者或管理员能够通过手机、平板电脑等智能终端安全地获取信息,快速做出决策。

目前仍在爆发的新型冠状病毒(COVID-19)已经在全球范围内影响了数亿人的生活。现有的检测方法主要依赖鼻咽拭子采集,再进行核酸检测,这些操作均需要专业的人员和实验室,聚集的采样方式会增加受检测人群及医护人员的感染风险。如何能够在更方便安全的情况下进行呼吸道病毒的检测,甚至疑似患者可以方便的自行检测,是当前病毒检测领域的主要问题。

近期,天津大学微纳机电系统实验室,段学欣教授课题组报道了一款可以直接对人体呼出气进行检测是否含有冠状病毒病原体的智能口罩,相关成果以“An Intelligent Face Mask Integrated with High Density Conductive Nanowire Array for Directly Exhaled Coronavirus Aerosols Screening”为题发表在国际权威杂志Biosensors & Bioelectronics上。该论文的第一作者为天津大学青年教师薛茜男和硕士生阚心远,通讯作者为段学欣教授。

在这项工作中,课题组设计并开发了一款集成微纳传感器的智能口罩,针对呼出气中病毒含量低的问题,该传感器由排列精密的纳米线阵列构成,纳米线的线宽与间距与目标病毒颗粒物的尺寸相匹配,通过原位惨杂可特异性捕获冠状病毒的生物高分子材料。这些底层分子及器件结构的设计有效提高了传感器对纳米尺度病毒颗粒物的捕获效率。针对人体呼出气的复杂性和口罩结构的特殊性,传感器采用三明治结构的柔性封装技术,外层采用亲水多孔材料,有效防止湿度及呼出气中其它颗粒物的干扰,同时可以起到富集病毒抗原的作用。传感器采用免疫传感的原理,捕获的病毒抗原可以引起传感器的阻抗信号改变。在核心器件基础上,课题组进一步开发了包括A/D转换器、运算放大器和无线传输单元在内的小型阻抗电路。通过集成的电学系统,检测结果可以实时无线的传输到智能手机APP上,直观的显示病毒检测结果。作为可穿戴“及时检测”系统(POC),整个系统的重量仅为7.6g,完全不影响口罩佩戴的舒适性。

实验结果表明,该智能口罩可以在短短5分钟内分辨出雾化样本中的冠状病毒气溶胶模拟物(猪传染性胃肠炎病毒),检测极限达到7 pfu/mL,对照同样大小腺病毒的检测结果,传感器显示出对冠状病毒较好的选择性。另外,传感器中的纳米线阵列通过纳米印刷方式制造,具备低成本和可大规模制造的潜力。考虑到纳米线传感器尺寸小、响应快速以及超低功耗等特点,该款小型阻抗病毒气溶胶传感器具有直观、安全、简单、非侵入性、适用于广泛的人群、易于储存且价格低廉等优势。该智能口罩可广泛用于机场、海关、医院等对潜在的病毒感染者的快速筛查,无线通信系统使口罩佩戴者或管理员能够通过手机、平板电脑等智能终端安全地获取信息,快速做出决策。若检测结果呈阳性,佩戴者可进行进一步检查以确认是否感染。

a)、纳米传感器设计示意图;b)、病毒感应机制c)、智能口罩的整体架构

本工作首次开发了可以用于检测呼出气中病原体的智能口罩,使用该智能口罩不需要训练有素的医务人员,可以在任何时间段及任何地方进行,检测病毒的同时也防止其通过气溶胶传播。该抗原检测POC装置不依赖于靶点扩增,可实现快速、方便地筛选大量携带冠状病毒的人群。对已确诊的阳性感染者可进一步进行常规RT-PCR检测,从而减轻了PCR检测全部疑似病例的繁重工作量。智能口罩适用于海关、机场、医院等需要快速筛查的场景,特别是可以解决因大量疑似病例涌入而造成的医疗资源饱和的问题。同时,作为一款通用的检测装置,可以通过更换不同的抗体实现对呼出气中其它病原体的检测,缩短确诊周期,提高被试人员舒适性,在控制大流行病方面有着很重要的意义。

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