從采集到結果公布，最快需要2小時，這是目前通用的新冠病毒核酸檢測需要的時間。日前，復旦大學高分子科學系魏大程團隊研發出一種新型檢測方法，只需4分鐘，核酸檢測就能出結果。未來核酸檢測，即測即走或將成為可能。

北京時間2月8日，這一成果以《在未擴增樣本中快速、超靈敏機電檢測離子、生物分子和新冠病毒RNA》（Rapidandultrasensitiveelectromechanicaldetectionofions,biomoleculesandSARS-CoV-2RNAinunamplifiedsamples）為題，發表在生物工程領域頂刊《自然生物醫學工程》（NatureBiomedicalEngineering）上。

從2小時到4分鐘，這一研究是如何實現時間的飛躍？基本原理、未來應用如何？

不需要復雜操作，約0.1-4分鐘內可檢測到新冠病毒

“您好，請出示48小時核酸檢測證明。”

疫情期，往返城市間，這是我們聽到最多的話。從鼻咽拭子采樣結束到可以在手機上查看核酸報告，至少需要等待2-4小時。大部分人出行前都要提前預留一天，或者提前半天進行核酸檢測。

近日，復旦大學魏大程團隊研發一種新型傳感器，通過微電子技術分析拭子中的遺傳物質，可以在4分鐘的時間內檢測到新冠病毒核酸。除檢測速度快之外，還具有靈敏度高、操作簡單、便于攜帶特點。基于此種核酸檢測方式，即測即走或將成為可能。

基于逆轉錄聚合酶鏈反應（下文簡稱：qRT-PCR）核酸檢測是篩查新冠陽性患者的“金標準”。作為一種用于放大擴增特定的脫氧核糖核酸（下文簡稱：DNA）片段的分子生物學技術，它最大的特點是能將微量的DNA數量大幅增加。但qRT-PCR的預處理和擴增過程增加了檢測時間，需要2–4小時，檢測過程也需要熟練的技術人員、特定的實驗室和設備。

基于此，魏大程團隊提出了分子機電系統（MolEMS），這是一種DNA分子自組裝而成，通過外電場驅動，能精準調控分子識別和信號轉化過程的微型裝置。簡單而言，其工作原理就是將通過識別和轉化，將檢測中的化學信號轉變為電信號。

(a)微/納米機電系統示意圖；(b)分子機電系統示意圖；(c-e)基于分子機電系統的晶體管傳感器及芯片圖片；(g-f)傳感芯片的共聚焦熒光顯微鏡和原子力顯微鏡表征圖片

運用新方法，通過傳統的鼻咽拭子采集樣本后，樣本中新冠病毒核酸的某一基因片段與組裝到石墨烯場效應晶體管上的分子機電系統，會發生特異性作用，分子機電系統“抓”住病毒核酸，外電場驅動柔性適配體懸臂發生運動，傳感過程更加接近晶體管溝道，顯著提升靈敏度。檢測結果可直接從電學響應中讀出，不需要復雜操作，在4分鐘內就可以檢測到新冠病毒。即，晶體管中有電信號反應，則樣本呈新冠陽性。

現有的qRT-PCR檢測通過加入探針和熒光化學物質，來檢測病毒，要得到顯著的熒光信號，1-2小時的分子擴增不可避免。而晶體管自身的信號放大的特點，省去了復制擴增的步驟，可以迅速識別，得到檢測結果，實現檢測時間的飛躍。

qRT-PCR檢測之所以需要擴增，是因為臨床樣本中核酸濃度與病毒載量非常低。新的檢測方式卻有超靈敏性，團隊使用病毒轉運培養基連續稀釋樣本中提取的病毒核酸，在低濃度下，qRT-PCR檢測已變得無能為力；而新設備在病毒轉運培養基中濃度降至約0.02拷貝/微升時仍可以檢測到病毒。

對臨床案例進行實驗，得出結果與傳統核酸檢測方法一致

兩種核酸檢測方式工作流程圖

在測試新設備的實驗中，團隊測試了33個來自核酸檢測呈陽性的新冠感染者的鼻咽拭子樣本、23個來自發燒但核酸檢測呈陰性的患者樣本，以及來自健康志愿者的25個樣本。所有臨床樣本加熱釋放核酸，然后直接進行測試，無需核酸提取或擴增。

結果顯示，新設備與qRT-PCR檢測結果一致。檢測不但準確，而且還比傳統核酸檢測的速度快得多。

如何保證檢測的準確性？魏大程說：“結果的準確性首先需要標準化的器件制造工藝，保證傳感器性能一致。另外，如何防止污染物干擾也非常重要。污染物與晶體管表面結合，會干擾信號。分子機電系統的剛性底座有助于避免污染物的非特異性吸附，使污染物遠離晶體管表面并保持探針分子活性。”

研究最快5年落地，在家完成核酸檢測或成可能

系統用于檢測的晶體管，可通過半導體工藝加工制造，方便集成到便攜式系統中，“隨著器件尺寸的減小和大批量生產會帶來成本的降低。”一旦開發成功，這種檢測設備可以方便攜帶，實現在機場、診所和當地急診室，甚至在家中完成現場測試。

“研究成果不能只停留在學術論文層面，進一步應用于產品的技術才有意義。”

與現有幾種核酸檢測方式對比圖

對研究成果最快多久能夠進入臨床落地，魏大程表示，研究處于理論驗證階段，走向產業化還有一段路，預計最快5年內能夠落地。現階段團隊已與一些單位和企業積極開展交流合作。

除新冠病毒檢測外，該技術還有可能對其他疾病進行快速的精確診斷，不再需要通常意義上，花費數小時或數天才能完成的目標物純化、擴增或培養。“我們也在做一些其他生物標志物的研究，比如如何準確檢測癌癥標志物。”

跨學科合作，結出好成果

魏大程團隊長期致力于研究新型晶體管材料、器件及其在生物、化學和光電傳感等領域的應用。疫情期間，團隊開始思考如何發揮自身優勢，將所研究的晶體管材料應用于新冠病毒的檢測中。自2020年開展研究以來，團隊先后在《納米快報》（NanoLetters）、《美國化學會志》（JournaloftheAmericanChemicalSociety）發表多篇相關文章。

這項研究何以可能？魏大程認為，這離不開跨學科的交叉合作。他在以往就有過和物理、電子相關學科交叉研究的經歷，“比如，我的學科背景是化學，但是現實中面臨的問題不能只是一個簡單的化學問題，可能和多個學科相關。因此，只有不同領域間的交叉，才能出好的結果，才能解決實際問題。”

“研究的內容涵蓋物理、電子、材料、生物、醫學等多個學科”。在這項研究中，復旦大學材料科學系、分子材料與器件實驗室劉云圻院士為實驗的開展與測試提供了指導。醫學方面，團隊與上海市公共衛生臨床中心朱召芹主任合作。

對研究中遇到的困難，魏大程笑著說：“做研究都會遇到困難，更重要的是學會怎么解決。發現問題，不斷優化，不斷學習新知識，才能取得更好的結果。”

在他看來，科學研究就是要經歷起時間的考驗。“目前，團隊也在此項研究的基礎上進行技術的更新和改進，希望通過跨學科合作，逐步將研究落地。”