复旦大学团队研发新设备，核酸检测只需 5 分钟

在新冠肺炎疫情尚未结束的如今，为了能正常地出行，核酸检测成了常事。目前新冠病毒核酸检测主要是利用鼻咽拭子，采用荧光定量 PCR ，也就是聚合酶链式反应（PCR）技术进行，检测时间通常在 2-24 小时。

▲图片来自：浙江省人民政府

日渐增长的出行需求与仍在继续的疫情，并不算短的检测时间，让新冠病毒核酸检测面临着不小的压力。因此在保证结果准确度的情况下，要让检测更为迅速。

近期，复旦大学刘云圻、魏大程等所在的研究团队在期刊《Nature Biomedical Engineering》（《自然》杂志子刊，自然生物医学工程）发表了一项研究结果。开发出的新型冠检测设备和方法，可在 5 分钟内得到核酸检测结果，且准确率更高。

在目前常见的聚合酶链式反应（PCR）检测方式，需要将新型冠状病毒核酸（RNA）逆转录为 DNA，因此在核酸检测中，如果病毒浓度过低，就会影响检测结果的准确性。

▲图片来自：人民网

复旦大学研究团队发表的文章中提到，微机电系统（MEMS）有高度集成、小型、廉价和高效的特点，具有商业化的可行性。但基于 MEMS、NEMS 和 FET 的生物传感器在某些情况下很难保持敏感性。

因此，复旦大学的研究团队研发了一种基于 MolEMS（分子机电系统）的晶体管传感芯片。他们提出的 MolEMS（分子机电系统），是一种通过 DNA 分子自组装而成，通过外电场驱动，能精准调控分子识别和信号转化过程的微型装置。

▲MolEMS 和 MolEMS g-FET，图片来自：Nature Biomedical Engineering

在实践中，大多数生物传感器无法在生物流体中实现超高灵敏度。MolEMS 的独特结构可以进行超精确的生物检测，能够实现高效的生物识别和信号转导，从而拥有超高的灵敏度。

研究结果还提到，SARS-CoV-2（新型冠状病毒）RNA 大约有 30,000 个核苷酸，并且测量临床样本会有更高的生物学复杂性，患者之间的差异以及样本收集和制备程序也有不确定性。

MolEMS 检测核酸样本不需要复杂耗时的核酸提取和扩增过程，能够直接检测鼻咽拭子样本中的 SARS-CoV-2 RNA。诊断 COVID-19 的时间约为 0.1-4 分钟，平均为 60 秒。

研究人员使用 MolEMS g-FET 组装了 COVID-19 测试系统，用于现场和床旁检测。测试系统由 MolEMS g-FET 集成测试模块和主系统两部分组成。为了避免不同样品之间的交叉干扰，一个模块用于测试一个样品。

▲SARS-CoV-2 核酸检测，图片来自：Nature Biomedical Engineering

只需更换 MolEMS 测试模块，即可将主系统重复用于多项测试。该系统的操作分为三个步骤：第一步是将测试模块与主系统连接，通过 USB、Wifi 或蓝牙将电脑或智能手机与测试系统连接。第二步是打开覆盖测试模块 PDMS 井的密封。第三步是将测试样品添加到 PDMS 井中，并从计算机或智能手机读取结果。

就研究结果来看，与 MEMS 和 NEMS 相比，MolEMS 降低了成本、体积和重量，并允许进行分子水平的操作。并且操作简单，灵敏度和特异性高还便携。出现假阴性和假阳性的概率极低，还比 PCR 检测更快。

▲超灵敏生物检测和长期稳定性，图片来自：Nature Biomedical Engineering

便携系统进一步发展后，利用它可以在机场、诊所和当地急诊部门甚至在家中进行现场和床旁检测。有助于提高核酸检测效率，减缓病毒的传播。

值得一提的是，MolEMS 的开发还可以在几分钟内实现对其他疾病的超精确诊断，而无需通常需要数小时或数天的目标纯化、扩增或培养。除了生物传感之外，MolEMS 的设计原理还可用于设计其他更高精度的机电设备和功能系统。