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如何建立快速、方便、非侵入式、低成本的快篩方法,是抗疫的關鍵之一



發布日期: 2020-04-13-2021-04-13

光電協進會

COVID-19肆虐全球之際,如何建立快速、方便、非侵入式、低成本的快篩方法,是抗疫的關鍵之一。傳統上特定病毒或細菌的檢驗方式包括檢體採樣、進行培養、基因檢查,和血中抗體的檢定,以及電子顯微鏡的觀察等不同程序。但病毒培養困難、抗體也是人逐漸恢復健康時才能測知,所以傳統檢驗的方法緩不濟急,難以量產,無法應付燃眉之急的嚴峻疫情。近年來針對病毒,已經發展出一套檢測技術,而近日來針對新型冠狀,全球各醫療研究單位也紛紛提出幾種檢測方法。

近年來針對病毒的檢測方式是先將病毒的RNA萃取出來,然後進行所謂的“聚合酶連鎖反應”(PCR),將病毒的片段RNA做大量複製,以便做偵測及判讀。PCD所需的檢測時間已從六小時縮短至約四小時。由於PCR是往後DNA研究的重要工作,其發明人Kary B. Mullis博士因而榮獲了1993年的諾貝爾化學獎。

雖然PCR的檢測較為精確,但仍需要數小時的反應時間,恐不敷即時與大量篩檢的需求,於是幾種快篩的方法被發展出來,期望可以在幾分鐘之內可以得到檢測結果,即便可能有失精確度。例如先前光電協進會所介紹的加拿大Simon Fraser大學利用RNA影像技術,發展出名為“芒果”的測試劑,可檢測COVID-19病毒。另外以色列Bar-Ilan大學也發表了一種結合光學和磁性粒子的科技,可將病毒RNA與螢光分子結合,再用雷射照射,以螢光反應做為有無病毒的判讀。該技術號稱僅需檢查唾液,無須採檢到咽喉分泌物,便可在15分鐘內進行分析。上述兩所加拿大和以色列大學皆運用了光學、奈米磁性物與螢光技術來讓病毒呈現蹤跡。

目前檢體必須是由醫護人員做有技巧性地採檢自咽喉的分泌物,此舉無非大大提高了醫護人的風險,而若能以唾液作為檢體,便會大大降低風險,以及簡化檢驗流程。疫情嚴重的歐洲就正開發一種雷射感測器,可以在幾分鐘內從唾液或鼻腔檢測到冠狀病毒。能利用病毒濃度較低的唾液作為檢體,即需要靈敏度非常高的光學檢測技術。

該感測器其實是一個微流體晶片,會將唾液引導到具有抗體的試劑區裡。由於試劑區上有針對病毒的生物接收器(bio-receptor),因此只有冠狀病毒分子沿著微流體被捕獲。捕獲病毒的接收分子會改變其光學折射率,故接著讓雷射光也沿著微流體在感測器中傳播。而若有病毒的話,雷射光會因折射率的變化而改變方向,如下圖所示。

圖 干涉式感測器
干涉式感測器

資料來源:Photonics21, CONVAT

由歐盟計畫Horizon 2020旗下的Photonics21所資助的COVAT團隊原本就在開發這類細菌或病毒及癌細胞的高靈敏度的檢測技術。這種技術僅需要pico摩爾到atto摩爾(pM~aM)範圍濃度的檢體即可,無須放大濃度。Lechuga教授說:“我們的干涉技術專利在生物感測方面是獨一無二的。我們使用的是「雙模波導干涉儀」,它在一個波導中使用了兩個可見光波段的雷射模態,讓這兩個雷射模態在傳播過程中與分析物相互作用,並在波導的末端記錄這兩種模態之間的干涉。其干涉訊號會再由光電偵測器接收並即時進行電訊號處理。”

Lechuga教授強調:“光學感測本來就具靈敏、快速的特性,因此利用光學感測來開發病毒的測試方法,是符合意義。我們的奈米光子臨床生物感測器可以檢測呼吸體液,用於快速診斷和篩選。它可直接檢測樣本,而無需進行PCR或其他耗時的處理。”

我們中研院基因體研究中心也在三月上旬宣布開發出能辨識新冠病毒蛋白質的單株抗體群,將可作為快篩試劑,15至20分鐘就能得知結果,其關鍵也是在抗體試劑能準確辨識出新冠病毒,且不會與其他種病毒混淆。台灣在冠狀病毒的檢測能力可謂已與國際並駕齊驅。