光學、光子學在對抗新冠病毒中的應用

隨著新冠病毒在世界範圍內擴散，患者、技術人員和科學家在對抗導致這種疾病的病毒時，都依賴於最新的分子分析儀器。這些儀器中嵌入的光學和光子技術（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）起著至關重要的作用。

無論在醫院還是在實驗室中，光學技術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，可靠的疾病進展監控，甚至可能對被汙染的表麵進行消毒。在過去的幾十年中，我們人類開發了這些使能技術，其應用範圍從電信到機器和夜視等。現在，它們又在與新冠病毒的戰鬥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之一，因為該疾病症狀的廣泛差異使篩查工作變得複雜且艱難。監測體表溫度升高是最常用的初步方法，這也是監控發燒的最準確方法。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備具有明顯的安全優勢。

現在，許多臨床醫生依靠基於紅外線的溫度計來測量額頭溫度。這些成像和現場測量測溫設備為醫務人員與患者提供了更安全和有效的非接觸式屏障。這些溫度計基於單個檢測器或基於MEMS的微輻射熱計或半導體二極管檢測器的陣列——在遠紅外光譜區域（8至14 μm）敏感的熱傳感器，並檢測出身體溫度高於正常溫度的人黑體輻射強度的變化。

分子診斷

如果患者發燒或出現其他典型的病毒感染症狀（喉嚨痛、幹咳、肌肉酸痛、乏力），那麽他需要進行進一步的分子診斷測試。這種基於實時逆轉錄聚合酶鏈反應(RT-PCR)的技術，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。再者，光學技術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是通過在樣本中複製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序列結合。探針被熒光染料分子標記。

RT-PCR儀器。

然後使用酶複製結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。如果存在靶核酸序列，則每個循環將其擴增兩倍。

光學技術將“實時”置於RT-PCR中。隨著擴增酶產生重複拷貝，熒光分子被釋放到緩衝溶液中。在每個循環後實時測量總熒光，對於陽性樣品，隨著擴增子數量的增加而增加。通過測量熱循環過程中的強度積累，可以檢測到病毒，並可以估算存在的病毒數量（病毒載量）。

實時RT-PCR儀器采用窄帶可見激光二極管或LED作為激發源，並采用帶有窄帶通光學濾波器的半導體二極管或光電倍增器進行檢測。這些儀器是全自動的，通常可以在不到一個小時的時間內並行處理96或384個樣品。

在“TaqMan”實時聚合酶鏈式反應中，一種帶有熒光分子和猝滅劑的核酸探針分子附著在被複製的DNA或RNA片段上。通過每一輪擴增，熒光分子被釋放到緩衝液中，並與淬滅劑分離，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技術是當今可用的最靈敏、最特異性的分子分析技術之一。這種檢測對於跟蹤和控製新冠病毒的傳播至關重要。但是，該方法的總體靈敏度可能會受到樣品收集和製備過程效率的限製。存在於采樣組織中的病毒數量（比如個體之間的差異以及病毒在每個患者體內的進展）也可能是限製因素。

目前估計這種方法的假陰性率約為30％。重複檢測可以降低這一比例，這就是為什麽許多醫院在患者康複之後將其分類為非傳染性患者之前需要進行兩到三次連續的實時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誌。中國的醫護人員報告說，這種方法可以檢測出大量被感染的個體，他們的RT-PCR讀數為陰性，然而，隻有在疾病發展的後期，一旦出現肺部損傷情況，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。

氧飽和設備使用以兩種不同波長發射的發光二極管，波長通常在665 nm和894 nm左右。氧飽和度百分數由這兩個波長下的吸收率測得。這些電池供電的設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並已產生免疫反應。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免疫吸附測定（ELISA）的技術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，在病毒表麵上發現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）結合，並在含有固定抗原的表麵上孵育。對新冠病毒抗原具有特異性的任何抗體均會與靶標結合並固定在光學窗口的表麵。未結合的非特異性抗體被洗掉。

然後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，從而在樣品中產生顏色變化。該酶與多個底物分子反應，從而放大信號。然後，通過樣品底物的熒光或吸收指示劑的多光譜成像，可以檢測並定量血清中的病毒抗體。

即使此次疫情已經過去，這種方法仍可用於衡量病毒在社群中的傳播程度、測量個體免疫反應的持續時間，並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複過來且對病毒具有保護性免疫反應的醫務工作者。一旦免疫被確認，這些人員就可以安全地恢複與受感染患者的合作。

ELISA原理圖，用於測量新冠病毒患者樣品中特定抗體的存在。該技術依賴於樣品的比色變化，該變化是由與SARS-CoV-2病毒特異抗體相連的酶產生的。

疫苗和滅菌

光學設備也是最常見的高通量基因測序儀器的核心技術。它們通常使用高量子效率、超高分辨率多光譜相機同時繪製數億個目標DNA分子的序列，並且可以在短短幾個小時內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，因為新冠病毒在其複製階段偶爾會發生突變。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域的感染並追蹤感染的起源。

病毒基因組的高通量測序還可以確定病毒中的蛋白質，並為合成疫苗確定合適的靶點，以安全刺激免疫反應。在過去的20年中，這項技術有了很大的進步，這在很大程度上要歸功於人類基因組計劃，它將成為開發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域的“武器”：表麵消毒。大多數病毒和細菌對紫外線非常敏感，特別是在UV-C光譜區域（200-280 nm）中，這會導致RNA突變，而RNA是病毒複製所必需的。最近，在該光譜區域發射的UV LED的開發方麵已經取得了很大的進步。已經開發出發射數百毫瓦的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淨化某些表麵。最近的實驗室結果表明，在大約1分鍾的暴露時間內，足以通過位於汙染表麵上方約1米的1W平均功率設備殺死細菌和病毒。紫外線發光二極管對感染SARS-CoV-2病毒表麵的淨化效果正在進一步測試當中。

未來需求

隨著全球健康麵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的技術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，醫學焦點將轉向熱點地區新冠病毒複發的早期檢測和隔離，這將對診斷和淨化技術提出新的挑戰。而這些挑戰為光學和光子技術帶來了新機遇——光學與光子技術具有低成本、高速、靈敏和特異的優勢，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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