為了防止疫情傳播，口罩和核酸越來越成為日常生活的一部分。如果有一種口罩，能全天候自動檢測周圍環境的病毒濃度，一旦有感染風險，會在10分鐘內發出警示，你想擁有嗎？
上海同濟大學材料科學家方寅等人在《Matter》期刊上發表了一篇文章，他們的研究成果是可以在10分鐘內檢測到環境中的新冠病毒的生物電子面罩。
這種面罩為什麼比做核酸快這麼多？又用到了哪些原理？
一、哪些方法能夠檢測新冠病毒
常見的檢測方法有四種：
實時熒光定量PCR，就是我們常說的核酸檢測，李永樂老師曾經講過核酸檢測的原理（如何向孩子解釋核酸檢測的原理？），簡單來說就是提取出病毒的RNA進行逆轉錄，得到特定的cDNA片段，通過PCR擴增技術增加目標cDNA的數量，再用熒光探針標示出目標cDNA，統計達到某種熒光強度需要擴增的次數，即CT值，以此來判斷樣本中的病毒濃度。
CT值小於37，說明原樣本中的病毒濃度高，結果呈陽性。
CT值大於40，說明原樣本中的病毒濃度低，或者根本不存在，結果呈陰性。
CT值在37-40之間，被稱為疑似陽性，需要重新進行檢測。
等溫擴增技術，在酶的作用下實現恆溫擴增RNA或DNA的效果，它在資源有限的環境中可以替代實時熒光定量PCR，但需要更專業的設備和技術。
下一代測序技術（Next-generationsequencing，NGS），能將樣本分解成片段庫，每個片段獨立擴增測序，再拼接在一起生成基因組的讀取結果，減少了測序的時間和成本，但這種方法對精密儀器和專業知識要求極高。
免疫學檢測方法，通過檢測病毒的特異性蛋白來識別病毒的存在，我們見到的抗原試劑盒用的就是這種原理。但這種檢測方法敏感性較差，很多研究人員想使用新型生物傳感器來提高靈敏度。我們今天要聊的生物電子口罩，就是一種基於電解質柵控電晶體的生物傳感裝置。
口罩的呼吸閥中裝載著檢測元件，檢測元件的主體部分是IGTs（Ion-gatedtransistors 電解質柵控電晶體），你可以把它看作一個更高級的電阻，它的電阻隨著離子反應發生可逆的變化，這樣一來，一旦電晶體上發生了生物或化學變化，電壓與電流就會受到影響，我們就能從電學資料做出判斷。
想要把這種檢測元件要戴在人的臉上，需要滿足很多限制條件：
外觀上，體積要小，彈性要大，經得起多次彎折；
性能要穩定，不受溫度、溼度、彎折次數等無關環境因素影響；
檢測要靈敏，空氣或液滴中微小的病毒濃度變化都不能漏掉；
介電層的材料要穩定、要對人體無害、不影響電晶體性能的發揮；
無法對病毒進行預處理，也無法保證樣品的純淨度，要面對複雜的氣體狀況；
……
在諸多限制下，方寅等人也受到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金項目、上海市科委等的支持，最終調試出滿足這些要求的PIL-IGT元件，並模擬檢驗了在室內和室外兩種空氣傳播模式下的檢測效果。
二、PIL-IGT的檢測效果
不同病毒的識別
PIL-IGT元件有三個通道，不同通道的電極上固定著可以識別不同病毒的特異性適體。
C-1通道固定的是H1N1適體
C-2 通道固定的是新冠適體
C-3通道固定的是H5N1適體
當暴露在含有不同病毒的氣體中時，三個通道的電壓、電流變化如下：
接觸H1N1病毒時，C-1通道（橙色）的電壓與電流明顯變動；
接觸新冠病毒時，C-2通道（綠色）的電壓與電流明顯變動；
接觸H5N1病毒時，C-3通道（藍色）的電壓與電流明顯變動；
接觸到對照組的蛋白時，三個通道的電壓、電流幾乎沒有變化。
這證明了PIL-IGT元件設計的三條通道完全可以「認出」對應的病毒，且互不干擾，後續只要改變通道上的適體，還能檢測其他的呼吸道病毒。
不同場景模擬檢測
不管是新冠病毒，還是H1N1和H5N1病毒，大部分情況都是通過飛沫或氣溶膠傳播的。實驗環境中，用霧化器產生的氣體模擬開放環境，用密閉空間內流經過病毒溶液的載氣模擬室內環境，來檢驗PIL-IGT元件對氣體的檢測效果。
含有新冠病毒的霧化氣體檢測結果
在霧化氣體的檢測中，不同濃度的新冠病毒對應著不同顏色的曲線。反過來說，當檢測元件暴露在空氣中時，這些曲線的資料也可以幫我們判斷霧化氣中的病毒的濃度。
含有新冠病毒的載氣氣體檢測結果
在載氣的檢測中，不同的病毒濃度對應的曲線也有清晰的差別。
我們可以發現，圖中所繪製的病毒濃度最低已經到了0.1fg/ml，fg是什麼概念呢？
1g=1000mg
1mg=1000μg
1μg=1000ng
1ng=1000pg
1pg=1000fg
對新冠病毒檢測達到0.1fg/ml，的確是非常非常靈敏的程度了。
而對於H1N1和H5N1病毒，檢測的最低濃度也達到10fg/ml。
霧化氣體狀態下，H1N1病毒與H5N1病毒的檢測曲線
載氣氣體狀態下，H1N1病毒與H5N1病毒的檢測曲線
雖然對新冠病毒的檢測濃度已經靈敏到0.1fg/ml，但保證檢測準確，還是需要捕捉到足夠的樣本。方寅等人設計的PIL-IGT元件所能檢測的最小液滴是0.3μl，人們日常活動中打噴嚏、咳嗽、談話過程產生的液滴體積是這個數值的幾十倍，所以不會因為檢測樣本的問題影響結果準確性。
三、物聯網警報系統
最後一步，只需要通過物聯網系統將資料上傳伺服器，就可以在APP端查看監控情況了。檢測元件實時監控輸電壓和電流的變化，每隔10分鐘判斷空氣中病毒濃度，一旦病毒濃度超過某個設定值，觸發警報，人們可以快速做出反應。
作者方寅說，在通風不良的地方，新冠感染幾率更高，生物電子面罩對病毒的檢測也更加有效。人們還能與醫療機構共享結果，為疫情控制提供重要資訊。如果未來產生了新的呼吸道病毒，改變通道適體就能檢測新的病毒。這樣的口罩你想擁有嗎？
方寅等人發表的文章中給出了實驗程序、材料製備方法、資料和程式碼等，感興趣的小夥伴可以掃碼閱讀或點選原文連結↓
作者簡介：流瑾茉籬，特約撰稿人，畢業於北京師範大學。
