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

無論在醫(yī)院還是在實驗室中，光學技術(shù)都可以對潛在感染者進行快速的初步篩查，提供更準確的分子診斷，可靠的疾病進展監(jiān)控，甚至可能對被污染的表面進行消毒。在過去的幾十年中，我們?nèi)祟愰_發(fā)了這些使能技術(shù)，其應(yīng)用范圍從電信到機器和夜視等?，F(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，因為該疾病癥狀的廣泛差異使篩查工作變得復(fù)雜且艱難。監(jiān)測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遠程同步拍攝和測量人群的非接觸式設(shè)備具有明顯的安全優(yōu)勢。

現(xiàn)在，許多臨床醫(yī)生依靠基于紅外線的溫度計來測量額頭溫度。這些成像和現(xiàn)場測量測溫設(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。這些溫度計基于單個檢測器或基于MEMS的微輻射熱計或半導(dǎo)體二極管檢測器的陣列——在遠紅外光譜區(qū)域（8至14 μm）敏感的熱傳感器，并檢測出身體溫度高于正常溫度的人黑體輻射強度的變化。

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），那么他需要進行進一步的分子診斷測試。這種基于實時逆轉(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出極少量的病毒遺傳物質(zhì)。再者，光學技術(shù)是疾病檢測必不可少的組成部分。

診斷過程需要大量的樣品處理，首先要從病人身上采集標本。實時RT-PCR是通過在樣本中復(fù)制特定的核酸序列來工作的，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之間將樣品進行約40次熱循環(huán)。如果存在靶核酸序列，則每個循環(huán)將其擴增兩倍。

光學技術(shù)將“實時”置于RT-PCR中。隨著擴增酶產(chǎn)生重復(fù)拷貝，熒光分子被釋放到緩沖溶液中。在每個循環(huán)后實時測量總熒光，對于陽性樣品，隨著擴增子數(shù)量的增加而增加。通過測量熱循環(huán)過程中的強度積累，可以檢測到病毒，并可以估算存在的病毒數(shù)量（病毒載量）。

實時RT-PCR儀器采用窄帶可見激光二極管或LED作為激發(fā)源，并采用帶有窄帶通光學濾波器的半導(dǎo)體二極管或光電倍增器進行檢測。這些儀器是全自動的，通?？梢栽诓坏揭粋€小時的時間內(nèi)并行處理96或384個樣品。

在“TaqMan”實時聚合酶鏈式反應(yīng)中，一種帶有熒光分子和猝滅劑的核酸探針分子附著在被復(fù)制的DNA或RNA片段上。通過每一輪擴增，熒光分子被釋放到緩沖液中，并與淬滅劑分離，從而可以通過熒光實時檢測目標基因序列（例如新冠病毒的基因序列）的擴增。

實時RT-PCR技術(shù)是當今可用的最靈敏、最特異性的分子分析技術(shù)之一。這種檢測對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受到樣品收集和制備過程效率的限制。存在于采樣組織中的病毒數(shù)量（比如個體之間的差異以及病毒在每個患者體內(nèi)的進展）也可能是限制因素。

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

追蹤疾病進展

除了分子診斷，新冠病毒患者肺部成像也被證明了對使用高分辨率計算機斷層掃描（CT）掃描檢測病毒感染非常敏感。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志。中國的醫(yī)護人員報告說，這種方法可以檢測出大量被感染的個體，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確定疾病的進展和呼吸功能，該氧飽和度計可測量血液中氧合血紅蛋白的百分比。隨著疾病的進展，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，則可能需要補充氧氣或用上呼吸機。

氧飽和設(shè)備使用以兩種不同波長發(fā)射的發(fā)光二極管，波長通常在665 nm和894 nm左右。氧飽和度百分數(shù)由這兩個波長下的吸收率測得。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時測量。

免疫測定：ELISA法

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

96孔板酶標儀。

在一種典型的檢測方法中，在病毒表面上發(fā)現(xiàn)的抗原被固定在樣品孔的底部，該孔是光學透明的。血清樣品中的抗體與酶（通常是辣根過氧化物酶）結(jié)合，并在含有固定抗原的表面上孵育。對新冠病毒抗原具有特異性的任何抗體均會與靶標結(jié)合并固定在光學窗口的表面。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。該酶與多個底物分子反應(yīng)，從而放大信號。然后，通過樣品底物的熒光或吸收指示劑的多光譜成像，可以檢測并定量血清中的病毒抗體。

即使此次疫情已經(jīng)過去，這種方法仍可用于衡量病毒在社群中的傳播程度、測量個體免疫反應(yīng)的持續(xù)時間，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)過來且對病毒具有保護性免疫反應(yīng)的醫(yī)務(wù)工作者。一旦免疫被確認，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

光學設(shè)備也是最常見的高通量基因測序儀器的核心技術(shù)。它們通常使用高量子效率、超高分辨率多光譜相機同時繪制數(shù)億個目標DNA分子的序列，并且可以在短短幾個小時內(nèi)對新冠病毒的完整基因組進行測序。病毒的遺傳序列可能會因位置而異，因為新冠病毒在其復(fù)制階段偶爾會發(fā)生突變。通過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，以安全刺激免疫反應(yīng)。在過去的20年中，這項技術(shù)有了很大的進步，這在很大程度上要歸功于人類基因組計劃，它將成為開發(fā)有效的疫苗和抗病毒藥物以對抗新冠病毒大流行的必不可少的工具。

除分子生物學實驗室之外，光學器件正在作為另一個重要領(lǐng)域的“武器”：表面消毒。大多數(shù)病毒和細菌對紫外線非常敏感，特別是在UV-C光譜區(qū)域（200-280 nm）中，這會導(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的開發(fā)方面已經(jīng)取得了很大的進步。已經(jīng)開發(fā)出發(fā)射數(shù)百毫瓦的LED陣列，其使用壽命超過1000小時，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，從而有可能比化學試劑更有效地凈化某些表面。最近的實驗室結(jié)果表明，在大約1分鐘的暴露時間內(nèi)，足以通過位于污染表面上方約1米的1W平均功率設(shè)備殺死細菌和病毒。紫外線發(fā)光二極管對感染SARS-CoV-2病毒表面的凈化效果正在進一步測試當中。

未來需求

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

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、光子學在對抗新冠病毒中的應(yīng)用

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