新冠疫情讓病毒氣溶膠的危害性婦孺皆知，病毒經(jīng)氣溶膠傳播不僅難以控制，而且不易檢測。青促會數(shù)理分會、工程與裝備分會以及生命科學分會的成員深度交叉，通過一種旋風撞擊的方式來高效采集氣溶膠中的病毒顆粒，隨后的臨床定量核酸檢測結(jié)果分析顯示該方法能夠?qū)Σ坏陀诿亢辽?span style="overflow-wrap: break-word;padding: 0px">1個病毒拷貝的病人呼氣進行檢出，該方法檢測過程只需要病人不超過5分鐘的吹氣。結(jié)果近期在醫(yī)學前沿雜志Frontiers in Medicine上發(fā)表[1]。該方法未來有望被集成為實時空氣病毒含量的傳感器，作為空調(diào)或空氣凈化系統(tǒng)的一部分，像溫度與PM2.5指數(shù)一樣指示特定病毒濃度。 
共同的挑戰(zhàn)病原體經(jīng)氣溶膠傳播能導致呼吸系統(tǒng)感染的大規(guī)模爆發(fā)，是人類社會面臨的重大威脅[2]。狡猾的新冠病毒讓過半的感染者并不呈現(xiàn)明顯癥狀，比如體溫升高，但卻具備經(jīng)空氣等渠道的傳染性，給檢測與防控帶來巨大挑戰(zhàn)。咽拭子等基因檢測對新冠感染個體的檢出率較高，但不能應用于評價公共環(huán)境中空氣的感染程度。對于空氣環(huán)境感染風險的檢測，目前的做法是人工氣溶膠采樣和送實驗室檢測，但存在人員感染風險，而且采樣與運輸過程周期長、不確定性大。 新技術方案相比呼出氣溶膠檢測的兩種常用技術，即濾膜法[3]、與冷凝法[4]，最新研究結(jié)果所采用的技術是旋風撞擊液相采集原理[1][5]，即讓氣溶膠顆粒經(jīng)過旋風流道后能從各個方向以較大的有效面積沖擊采集液，達到與干凈空氣分離的效果，該技術不僅能實現(xiàn)氣溶膠顆粒的高效富集，而且容易通過微流控管道跟后續(xù)的核酸檢測模塊集成。 該技術的實現(xiàn)過程如圖1所示，旋風采集器由進氣口、出氣口、三維旋風導流結(jié)構(gòu)、盛2-3毫升采集液的采集管組裝而成，其中旋風導流結(jié)構(gòu)由3D打印而成。根據(jù)應用需要，新技術有針對呼氣的吹入模式、與針對環(huán)境氣溶膠采樣的自吸入模式兩種。通過多相流體力學仿真結(jié)果顯示，兩種模式下對顆粒直徑在100納米以上的氣溶膠都有95%的采集效率。 
實驗室檢測結(jié)果
根據(jù)文章報道，新技術在臨床試驗之前經(jīng)過了系統(tǒng)的實驗室測試。研究人員在生物安全通風柜中，使用假病毒的氣溶膠發(fā)生器來設定模擬環(huán)境的污染程度，研究旋風采集器在不同的設定濃度、采集時間和采集間距下的采集性能，采集效果由后續(xù)的熒光定量逆轉(zhuǎn)錄聚合酶鏈式反應(RT-PCR)檢測分析得出，具體實驗過程請看該文的方法介紹部分[1]。 實驗室測試結(jié)果如圖2所示，在靠近發(fā)生器噴嘴10厘米處，通過30分鐘的采集，可以進行每毫升發(fā)生器溶液中10個假病毒濃度的檢出，根據(jù)該文補充材料(Supplementary Figure 2)，由發(fā)生器揮發(fā)率與采集器的抽氣速率換算成氣溶膠濃度限值約每升空氣1個病毒。當固定發(fā)生器病毒濃度在中等水平時，即每毫升假病毒溶液中包含1萬拷貝時（換算成空氣氣溶膠病毒濃度約每毫升10個病毒），改變采集時間結(jié)果顯示最短10秒能夠?qū)崿F(xiàn)有效檢出。綜合采集時間與被檢測氣溶膠病毒濃度，該研究工作公開了新方法的時間與濃度乘積檢測閾值為1.5秒拷貝每毫升。實驗室研究結(jié)果還發(fā)現(xiàn)靠近發(fā)生器噴嘴80厘米以外，在中等釋放濃度下，采集器入口處的病毒濃度將低到難以檢出。 
臨床試驗結(jié)果該研究工作公開了39例臨床研究結(jié)果(含12份健康對照例)，顯示新技術從3例新冠病人的呼氣中檢測到陽性結(jié)果。對陽性樣本的進一步通過標準曲線熒光定量RT-PCR分析得出，在測試的呼氣樣本中存在病毒拷貝數(shù)在一萬拷貝量級，可以估計新方法在通過5分鐘呼氣可檢測限為每毫升呼氣1拷貝。具體實驗過程請看該文的臨床結(jié)果及討論部分。 不得不指出，新方法檢測的36份陰性結(jié)果中，有10例跟咽拭子結(jié)果相反，可能是因為新冠病人在恢復末期呼氣濃度較低導致，具體的原因自然有待更多樣本的臨床醫(yī)學研究。 總結(jié)與展望國內(nèi)的新冠疫情目前已經(jīng)得到非常好的控制，國際疫情相比去年底也開始緩解，這也是該工作沒有獲得大量臨床樣本進行深入研究的客觀原因。固然，本研究工作已讓我們看到新冠病人呼氣中檢測病毒可行，該方法通過自動化集成后不僅有望在公共環(huán)境中不僅可用于個體的快速篩查，還可以對人員密集空間的病毒氣溶膠污染進行早期預警。 該項工作由北京大學第三醫(yī)院感染科、中科院微生物所病原微生物與免疫學重點實驗室、中科院過程所生化工程實驗室、中科院物理所工程師之家、中科院動物所干細胞與生殖生物學國家重點實驗室、首都醫(yī)科大學佑安醫(yī)院感染科、與清華大學能源動力系流體力學重點實驗室一共七家單位合作完成(具體作者與單位如圖3文章標題截屏所示)，得到了國家自然科學基金、中科院創(chuàng)新促進會、中科院文獻情報中心等機構(gòu)的資助或幫助。青促會數(shù)理分會物理所小組第八批青促會成員，文章的最終通訊作者陸俊透露該技術最初來自“工程師之家”微信群的簡短交流，借助中科院青促會搭建的多學科聯(lián)絡平臺，迅速找到該技術實現(xiàn)需要的物理、生化和醫(yī)學的交叉技術人才；并肩協(xié)作約兩個月制成測試樣機，先后展開實驗室模擬測試與臨床試驗，在研究結(jié)果投稿之前提交了相關發(fā)明專利申請；未來將根據(jù)疫情防控需要使病毒氣溶膠實時監(jiān)測技術發(fā)展到新的高度。 
主要文獻[1] Li X, Li J, Ge Q, Du Y, Li G, Li W, Zhang T, Tan L, Zhang R, Yuan X, Zhang H, Zhang C, Liu W, Ding W, Sun L, Chen K, Wang Z, Shen N and Lu J (2021) Detecting SARS-CoV-2 in the Breath of COVID-19 Patients. Front. Med. 8:604392. doi: 10.3389/fmed.2021.604392 [2] Morawska L, Cao J. Airborne transmission of SARS-CoV-2: the world should face the reality. Environ Int. (2020) 139:105730. doi: 10.1016/j.envint.2020.105730 [3] Mitchell AB, Mourad B, Tovey E, Buddle L, Peters M, Morgan L, et al. Spirometry filters can be used to detect exhaled respiratory viruses. J Breath Res. (2016) 10:046002. doi: 10.1088/1752-7155/10/4/046002 [4] Ma J, Qi Z, Chen H, Li X, Zhang Z, Wang H, et al. Coronavirus Disease 2019. Patients in earlier stages exhaled millions of severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 per hour. Clin Infect Dis. (2020) ciaa1283. doi: 10.1093/cid/ciaa1283
[5] Willeke K, Lin X, Grinshpun SA. Improved aerosol collection by combined impaction and centrifugal motion. Aerosol Sci Technol. (1998) 28:439–56. doi: 10.1080/02786829808965536
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