激光协会
首页 > 产业交流平台

光学、光子学在对抗新冠病毒中的应用

发布时间:2020-04-19 来源:激光制造网LaserfairCom

随着新冠病毒在世界范围内扩散,患者、技术人员和科学家在对抗导致这种疾病的病毒时,都依赖于最新的分子分析仪器。这些仪器中嵌入的光学和光子技术(例如高量子效率的多光谱相机、可见光激光二极管和LED、红外辐射热计阵列、窄带滤光片和宽带多光谱光谱仪)起着至关重要的作用。



无论在医院还是在实验室中,光学技术都可以对潜在感染者进行快速的初步筛查,提供更准确的分子诊断,可靠的疾病进展监控,甚至可能对被污染的表面进行消毒。在过去的几十年中,我们人类开发了这些使能技术,其应用范围从电信到机器和夜视等。现在,它们又在与新冠病毒的战斗中扮演着挽救生命的角色。


安全筛查

在阻止新冠病毒大流行上,如何在早期筛查出感染者是主要挑战之一,因为该疾病症状的广泛差异使筛查工作变得复杂且艰难。监测体表温度升高是最常用的初步方法,这也是监控发烧的最准确方法。但是,考虑到新冠病毒的致病性,采用红外成像摄相机远程同步拍摄和测量人群的非接触式设备具有明显的安全优势。


现在,许多临床医生依靠基于红外线的温度计来测量额头温度。这些成像和现场测量测温设备为医务人员与患者提供了更安全和有效的非接触式屏障。这些温度计基于单个检测器或基于MEMS的微辐射热计或半导体二极管检测器的阵列——在远红外光谱区域(8至14 μm)敏感的热传感器,并检测出身体温度高于正常温度的人黑体辐射强度的变化。


分子诊断

如果患者发烧或出现其他典型的病毒感染症状(喉咙痛、干咳、肌肉酸痛、乏力),那么他需要进行进一步的分子诊断测试。这种基于实时逆转录聚合酶链反应(RT-PCR)的技术,使用灵敏的光谱方法,从患者的鼻或咽拭子中检测出极少量的病毒遗传物质。再者,光学技术是疾病检测必不可少的组成部分。


诊断过程需要大量的样品处理,首先要从病人身上采集标本。实时RT-PCR是通过在样本中复制特定的核酸序列来工作的,使用的探针——核酸引物——选择性地与新冠病毒中的RNA序列结合。探针被荧光染料分子标记。


微信图片_20200419180252.jpg
RT-PCR仪器。

然后使用酶复制结合到探针上的核酸序列。在37°C至95°C之间将样品进行约40次热循环。如果存在靶核酸序列,则每个循环将其扩增两倍。


光学技术将“实时”置于RT-PCR中。随着扩增酶产生重复拷贝,荧光分子被释放到缓冲溶液中。在每个循环后实时测量总荧光,对于阳性样品,随着扩增子数量的增加而增加。通过测量热循环过程中的强度积累,可以检测到病毒,并可以估算存在的病毒数量(病毒载量)。


实时RT-PCR仪器采用窄带可见激光二极管或LED作为激发源,并采用带有窄带通光学滤波器的半导体二极管或光电倍增器进行检测。这些仪器是全自动的,通常可以在不到一个小时的时间内并行处理96或384个样品。


微信图片_20200419180302.jpg

在“TaqMan”实时聚合酶链式反应中,一种带有荧光分子和猝灭剂的核酸探针分子附着在被复制的DNA或RNA片段上。通过每一轮扩增,荧光分子被释放到缓冲液中,并与淬灭剂分离,从而可以通过荧光实时检测目标基因序列(例如新冠病毒的基因序列)的扩增。


实时RT-PCR技术是当今可用的最灵敏、最特异性的分子分析技术之一。这种检测对于跟踪和控制新冠病毒的传播至关重要。但是,该方法的总体灵敏度可能会受到样品收集和制备过程效率的限制。存在于采样组织中的病毒数量(比如个体之间的差异以及病毒在每个患者体内的进展)也可能是限制因素。


目前估计这种方法的假阴性率约为30%。重复检测可以降低这一比例,这就是为什么许多医院在患者康复之后将其分类为非传染性患者之前需要进行两到三次连续的实时RT-PCR阴性试验的原因。


追踪疾病进展

除了分子诊断,新冠病毒患者肺部成像也被证明了对使用高分辨率计算机断层扫描(CT)扫描检测病毒感染非常敏感。临床医生寻找肺损伤的迹象,如肺组织中的“磨毛玻璃”样或体液积聚作为肺炎的标志。中国的医护人员报告说,这种方法可以检测出大量被感染的个体,他们的RT-PCR读数为阴性,然而,只有在疾病发展的后期,一旦出现肺部损伤情况,这种方法才能检测到。


如果病人被诊断出患有新冠病毒,则可以使用氧饱和度计确定疾病的进展和呼吸功能,该氧饱和度计可测量血液中氧合血红蛋白的百分比。随着疾病的进展,呼吸可能变得困难,导致含氧血红蛋白减少——如果水平降至某些阈值以下,则可能需要补充氧气或用上呼吸机。


氧饱和设备使用以两种不同波长发射的发光二极管,波长通常在665 nm和894 nm左右。氧饱和度百分数由这两个波长下的吸收率测得。这些电池供电的设备可舒适地夹在手指或脚趾上,提供氧饱和度水平的实时测量。


免疫测定:ELISA法

光学仪器还被用来测试一个人是否曾接触过新冠病毒并已产生免疫反应。这些仪器可以每天自动分析成百上千个样本,它们使用一种称为酶联免疫吸附测定(ELISA)的技术来测量患者血清样本中是否存在新冠病毒特异性抗体。


微信图片_20200419180309.jpg
96孔板酶标仪。

在一种典型的检测方法中,在病毒表面上发现的抗原被固定在样品孔的底部,该孔是光学透明的。血清样品中的抗体与酶(通常是辣根过氧化物酶)结合,并在含有固定抗原的表面上孵育。对新冠病毒抗原具有特异性的任何抗体均会与靶标结合并固定在光学窗口的表面。未结合的非特异性抗体被洗掉。


然后将含有酶底物的带有色度指示剂的溶液添加到样品孔中,与抗体相连的酶与底物反应,从而在样品中产生颜色变化。该酶与多个底物分子反应,从而放大信号。然后,通过样品底物的荧光或吸收指示剂的多光谱成像,可以检测并定量血清中的病毒抗体。


即使此次疫情已经过去,这种方法仍可用于衡量病毒在社群中的传播程度、测量个体免疫反应的持续时间,并研究抗病毒药物候选物和潜在疫苗的功效。目前,正在使用ELISA鉴定从新冠病毒中康复过来且对病毒具有保护性免疫反应的医务工作者。一旦免疫被确认,这些人员就可以安全地恢复与受感染患者的合作。


微信图片_20200419180316.jpg

ELISA原理图,用于测量新冠病毒患者样品中特定抗体的存在。该技术依赖于样品的比色变化,该变化是由与SARS-CoV-2病毒特异抗体相连的酶产生的。


疫苗和灭菌

光学设备也是最常见的高通量基因测序仪器的核心技术。它们通常使用高量子效率、超高分辨率多光谱相机同时绘制数亿个目标DNA分子的序列,并且可以在短短几个小时内对新冠病毒的完整基因组进行测序。病毒的遗传序列可能会因位置而异,因为新冠病毒在其复制阶段偶尔会发生突变。通过比较从不同位置的患者采集的样本中的特定突变,可以比较不同地理区域的感染并追踪感染的起源。


病毒基因组的高通量测序还可以确定病毒中的蛋白质,并为合成疫苗确定合适的靶点,以安全刺激免疫反应。在过去的20年中,这项技术有了很大的进步,这在很大程度上要归功于人类基因组计划,它将成为开发有效的疫苗和抗病毒药物以对抗新冠病毒大流行的必不可少的工具。


除分子生物学实验室之外,光学器件正在作为另一个重要领域的“武器”:表面消毒。大多数病毒和细菌对紫外线非常敏感,特别是在UV-C光谱区域(200-280 nm)中,这会导致RNA突变,而RNA是病毒复制所必需的。最近,在该光谱区域发射的UV LED的开发方面已经取得了很大的进步。已经开发出发射数百毫瓦的LED阵列,其使用寿命超过1000小时,电效率约为10%。


这些二极管的阵列可以产生显著的紫外线功率水平,从而有可能比化学试剂更有效地净化某些表面。最近的实验室结果表明,在大约1分钟的暴露时间内,足以通过位于污染表面上方约1米的1W平均功率设备杀死细菌和病毒。紫外线发光二极管对感染SARS-CoV-2病毒表面的净化效果正在进一步测试当中。


未来需求

随着全球健康面临这一新型致命的威胁,世界各地的实验室正在使用由光学和光子学界开发的技术来帮助阻止病毒扩散和拯救生命。在不久的将来,随着新冠病毒疾病的传播减缓,医学焦点将转向热点地区新冠病毒复发的早期检测和隔离,这将对诊断和净化技术提出新的挑战。而这些挑战为光学和光子技术带来了新机遇——光学与光子技术具有低成本、高速、灵敏和特异的优势,为全球健康做出了重要贡献。

来源:激光制造网LaserfairCom

原文作者Thomas M. Baer 、Christina E. Baer

激光制造网编辑老王译自《Optics & Photonics News》


返回顶部