光譜學用於病毒檢測
光譜學用於病毒檢測
重點:
• 病毒
• 螢光色素
• 測試和篩選
技術:
• 螢光
• 拉曼/表面增強拉曼光譜
• 聚合酶連鎖反應
應用:
• 微量病毒檢測
• 抗體檢測
在本概述中，我們探討 Ocean Insight 可用在病毒檢測的光學感應工具及技術。我們的著重點? 在快速檢測和篩查包括 COVID-19 在內的病毒。
COVID-19 將我們置於一場獨特的戰鬥中，這不是對抗一支實體軍隊或抽象概念，而是對抗一種攻擊各國人民，尤其是我們最脆弱的公民的新型病毒。但我們有多種方法來反擊，包括：
• 社交距離: 通過最小化人與人之間的接觸，我們也能最小化潛在的傳播。
• 施打疫苗: 有了設計良好的疫苗，即使接種了疫苗的人暴露於病毒，他們感染成為顯著感染的機會也能大大減少。
• 治療方式: 如果有人暴露於病毒並確實感染，有效的治療方法可以幫助最小化死亡率和整體嚴重程度。
• 檢測和追蹤: 這些是我們對抗看不見敵人的眼睛，也是我們將在這裡討論的關鍵工具。
病毒檢測以及追蹤
檢測和追蹤在理解病毒傳播的歷史過程中至關重要，這樣未來的傳播就可以被最小化。這使我們能夠考慮到哪些活動和情境具有最大的風險，以及我們中的誰可能最脆弱。當我們知道傳播是如何發生以及在哪裡發生時，我們就可以調整我們的政策和行動。
然而，雖然緩慢的檢測方法在一定程度上可以達到這個目的，但快速的檢測技術將我們更接近恢復正常生活。在體育場、學校、機場或護理院入口部署快速測試系統，可以立即防止我們時常聽到的超級傳染者的發生。
熟悉和更新的病毒檢測技術
這種經過驗證的病毒檢測方式依賴於創新的 PCR (聚合酶鍊式反應) 技術。這種方法使用聚合酶來複製或放大遺傳物質的特定區域(如果存在)。可以設計專門針對 COVID-19 的遺傳密碼的模板；如果這些代碼段存在，它們就會被放大。這個放大過程需要大約 30~40 個熱循環，這通常是 PCR 技術中最耗時的部分。
熱循環完成後有多種方式可以觀察目標的遺傳物質是否存在。這就是應用光譜知識可以幫助確定病毒檢測的地方。
常見的螢光色素，如螢光素及其衍生物，可以進一步形成複合物，只有當它們與目標 COVID-19 的基因片段結合時才會變得螢光。擁有這些獨特的螢光工具後，我們在努力減少測試時間和提高測試靈敏度方面所面臨的下一個障礙是優化螢光檢測。
圖一: Ocean HDX是台體積緊湊且高靈敏的光譜儀，適合熒光測量。
這種類型的微量螢光最常見的方法是穩態寬頻光譜學，而這正是 Ocean HDX 光譜儀和 LSM LED 套件所擅長的（見圖1）。Ocean HDX 在驚人的小巧機身中確立了低光性能的新標準。Ocean HDX 中的專有內部阻隔和其他光學設計技術使得螢光檢測達到了以前僅能由更大更昂貴的系統實現的水平。驅動微量螢光的是 Ocean Insight 的 LSM LED 選項之一，提供高功率和穩定的激發，以產生乾淨且一致的發射信號（見圖2）。
傳統的寬帶光譜方式有著一系列的好處，包括使用一台光譜儀就能同時觀察多種螢光物質的能力，以及開發複雜的數值方式從寬帶趨勢中解捲積所需信號的能力。
圖二: 通過調整LED波長，可以量測到不同激發光波長下的螢光響應。
然而，還有另一種觀察這種螢光信號的方法，即利用螢光染料的快速衰變特性，以時間分辨方式進行觀察。Ocean Insight 通常提供NeoFox 相位螢光系統作為光學氧感測器平台（見圖3），因為我們還開發了氧感應性傳感器化學和支持探針以及組成該平台的貼片元件。
圖三: 雖然NeoFox相位熒光計是為檢測氧敏感熒光化學物質而設計的，但它可以測量醫療診斷中使用的熒光染料的快速衰減特性。
但 NeoFox 也因其嵌入其他設備而廣受歡迎，通過修改 LED、濾光片和內部設置，將系統優化為定制的檢測平台。通過以 kHz 速率將 LED 作為方波進行 strobing，NeoFox 超靈敏雪崩光電二極管檢測器在 LED 開啟時看到螢光信號增加，但在 LED 關閉時也看到信號衰減。這種衰減時間在微秒到納秒的尺度上觀察，並且可以與測試液中螢光染料的濃度緊密相關，例如小型 PCR 樣本。此方法的好處包括硬件簡化，因為 NeoFox 將所有光學元件和處理電子器件都放在單個外殼中，並且對於樣品顏色和環境光等變量提供良好的抗干擾能力。
拉曼光譜以及微量檢測
雖然 PCR 在基因研究領域取得了巨大的進步，但仍然需要考慮熱循環所帶來的時間限制。Ocean Insight 提供了另一種方法，可以在幾秒鐘內提供即時的病毒檢測答案，而無需進行任何複雜的樣品預處理。這種方法利用拉曼技術，該技術使用激光來驅動可觀察的拉曼散射現象。
拉曼是一種快速、強大的識別技術，基於光子與樣品的分子結構之間罕見的相互作用，專門觀察光子能量水平以量子化的方式增加或減少。這些尖銳的發射信號是一種分析物的固有“指紋”，可以迅速告訴您某種特定物種是否存在。Ocean Insight 在過去十年中提供了多種波長選項的高性能拉曼系統，例如廣受歡迎的 QE-Pro Raman+ 光譜儀，提供了785 nm、638 nm 和 532 nm的配置。只需添加波長適合的雷射和探頭，即可進行基本的拉曼測量。
圖四: SERS基底可以增強拉曼激發以及讓痕量等級的分析物檢測成真。
對於微量檢測，拉曼發射可以通過利用某些金屬來進一步放大，這些金屬“與”所使用的激光頻率相“共振”，依賴一種稱為表面電漿共振（SPR）的效應。通過使用金或銀等金屬的納米粒子或納米結構，分析物可以與這種SPR效應適當接近，從而引起拉曼發射光子的戲劇性放大，這種技術稱為表面增強拉曼光譜學（SERS）。自2014年以來，Ocean Insight 一直是領先的商業 SERS 提供商，提供價格低廉、易於使用的耗材基板（見圖4）。這些方便的5包耗材具有專有的納米粒子配方，嵌入石英基質並安裝在標準玻璃顯微鏡幻燈片上。用戶只需將幾微升樣品加入到含有納米粒子的區域，然後將樣品放置在拉曼探頭下，即可快速檢測微量分析物。
圖五: 依靠高靈敏度拉曼技術，甚至能夠檢測少量的病毒和抗體。
Ocean Insight 和幾個開發商一起合作，包括 Botanisol Analytics (https://bsol. io/)，一家使用拉曼技術來快速 COVID-19 檢測。即使使用現成的組件進行的初步掃描也顯示出對直接病毒碎片和相應抗體的可重復的拉曼活性（見圖5）。雖然這些測量是在相對清潔的樣品液體中進行的，而不是患者獲得的臨床樣本，但研究確立了在檢查“更髒”的真實世界液體時要查找的拉曼活性區域。使用 Ocean Insight 的先進光譜機器學習平台 Ocean Intelligence 進行分析，可以對複雜的生物流體進行徹底和迅速的解析，以提供高度統計信心的正面/負面結果。
圖六: 藉由SERS技術，我們觀測到加入COVID-19抗體後的活性峰值。
與任何發展一樣，你的進展取決於你找到的合作夥伴和你提供的資源。Ocean Insight 在光譜硬件方面具有獨特的專業知識，以及在該硬件上使用正確技術的能力，並且有能力實現前所未有的成就。如果你正在努力大幅提升病毒檢測的水平，以幫助世界控制 COVID-19疫情，我們渴望了解你的願景，以及我們的應用光譜知識如何幫助你實現可能性。