新冠测试里程碑：生物传感器可能是大规模冠状

作者：张馨予

【智科院导读】科技初创公司争相开发能显示冠状病毒RNA、抗体和抗原存在的芯片。

生物检测芯片，病毒检测的未来趋势

你刺破你的手指或擦拭你的鼻子，然后将微小的液体样本点在一个半导体芯片上。将该芯片插入一个廉价的手持式阅读器，在一分钟左右的时间内，其小屏幕显示出一个结果列表。你的新冠状病毒检测是阴性的，抗体是阳性的。出现错误结果的可能性极低。你被允许进入你公司的大楼或乘坐飞机。

这种快速的、现场的测试现在只是一个梦想。当今可用于查看人们是否感染病毒的大多数测试是使用逆转录聚合酶链式反应（RT-PCR）技术进行的。

何谓实时逆转录-聚合酶链反应？

实时逆转录-聚合酶链反应是一种衍生方法，用于对来自任何病原体（包括病毒）的特定遗传物质的存在情况进行检测。最初，该方法使用放射性同位素标记物来检测目标遗传物质，但后来的改进导致同位素标记物被特殊标记物取代，其中最常见的是荧光染料。有了这项技术，尽管过程仍在进行中，但科学家几乎可以立即看到结果；而常规的实时逆转录-聚合酶链反应只能在最后提供结果。

虽然实时逆转录-聚合酶链反应是目前使用最广泛的冠状病毒检测方法，但许多国家在建立和使用该技术方面仍需要得到支助。

这一过程在样本中寻找特定的RNA序列。在这种测试情况下，我们寻找的是冠状病毒特有的序列。然后它通过添加不同的化学品和循环溶液的温度来反复复制该序列。每个拷贝上都有一个荧光分子；当RNA拷贝积累到足够多时，样品在灯光照射下会发光。然而，这些测试中的大多数需要实验室来处理。必要的化学品供不应求，而且最快的测试，那些在15分钟内产生结果的测试，可能会时常有假阴性的情况。

然后是抗体测试，也称为血清学测试。这些测试只能确定某人过去是否感染过病毒，而不是他们目前是否患病。它们测量病人的免疫系统是否已经开始产生针对某种特定病毒的抗体，使用的是标准抽血或手指刺穿的小样本。血液中的抗体与嵌入试纸的蛋白质结合，当样本沿着试纸滑动时，引发颜色变化，最后显示出结果，其工作原理很像验孕棒。已经推出了100多种冠状病毒的抗体测试，但其准确性各不相同。

较新的活性病毒抗原测试是在鼻拭子样本中寻找冠状病毒特有的尖峰蛋白片段。这些测试的灵敏度低于PCR测试，但结果要快得多。美国食品和药物管理局在5月份刚刚开始批准这些测试。

这些测试都有其权衡之处。那么，要怎样才能做出一个快速、准确和低成本的测试呢？

生物传感器芯片的魅力

Rogue Valley Microdevices公司联合创始人兼首席执行官杰西卡·戈麦斯（Jessica Gomez）说，答案可能来自生物传感器芯片。Rogue Valley Microdevices是一家专门生产微电子机械系统（MEMS）和传感器的晶圆代工厂。她说，该公司正在与几家初创公司合作，争相生产用于冠状病毒测试的生物传感器。

其中两家公司：Cardea Bio和Hememics正在公开谈论他们的工作。他们正在开发的芯片有许多相似之处，也有一些区别。

用于病毒RNA、抗体或抗原检测的生物传感器都依赖于涂有生物材料的半导体电路，该电路将吸引并与样本液体中的相关生物材料结合。当这种结合发生时，电子在电路中的流动明显改变。它们的结构很像硅MOS场效应晶体管，有一个源极和一个漏极，它们之间有一个门。但在传感器中，门是由生物大分子的结合而不是电压信号控制的：生物FET。

生物传感器不需要将任何材料相乘来产生信号，也不需要生物样本经过多个实验室处理步骤。这意味着测试可以非常快，快到在60秒内完成。而且由于一个芯片可以包含多个电路，不同种类的多个测试（病毒RNA、抗体和抗原）可以在同一个芯片上同时运行；唯一的要求是用不同的生物物质作为不同电路的探测器。这可以使该系统寻找各种各样的RNA片段、抗体和抗原，而不仅仅是最有可能的一种。这种方法可以减少错误结果，并提供有关病人健康的额外信息，也许可以同时检测流感和新的冠状病毒。

Cardea公司和Hememics公司正在开发的生物传感器分别依赖于石墨烯和碳纳米管，在这两种情况下都是作为半导体使用。与硅不同，这些材料在与生物液体接触时不会降解。而且它们具有速度优势，在发生的信号变化非常小的情况下，这是一件好事。

Cardea生物的芯片上的Crispr