新冠疫情让病毒气溶胶的危害性妇孺皆知，病毒经气溶胶传播不仅难以控制，而且不易检测。青促会数理分会、工程与装备分会以及生命科学分会的成员深度交叉，通过一种旋风撞击的方式来高效采集气溶胶中的病毒颗粒，随后的临床定量核酸检测结果分析显示该方法能够对不低于每毫升1个病毒拷贝的病人呼气进行检出，该方法检测过程只需要病人不超过5分钟的吹气。结果近期在医学前沿杂志Frontiers in Medicine上发表[1]。该方法未来有望被集成为实时空气病毒含量的传感器，作为空调或空气净化系统的一部分，像温度与PM2.5指数一样指示特定病毒浓度。

共同的挑战

病原体经气溶胶传播能导致呼吸系统感染的大规模爆发，是人类社会面临的重大威胁[2]。狡猾的新冠病毒让过半的感染者并不呈现明显症状，比如体温升高，但却具备经空气等渠道的传染性，给检测与防控带来巨大挑战。咽拭子等基因检测对新冠感染个体的检出率较高，但不能应用于评价公共环境中空气的感染程度。对于空气环境感染风险的检测，目前的做法是人工气溶胶采样和送实验室检测，但存在人员感染风险，而且采样与运输过程周期长、不确定性大。

新技术方案

相比呼出气溶胶检测的两种常用技术，即滤膜法[3]、与冷凝法[4]，最新研究结果所采用的技术是旋风撞击液相采集原理[1][5]，即让气溶胶颗粒经过旋风流道后能从各个方向以较大的有效面积冲击采集液，达到与干净空气分离的效果，该技术不仅能实现气溶胶颗粒的高效富集，而且容易通过微流控管道跟后续的核酸检测模块集成。

该技术的实现过程如图1所示，旋风采集器由进气口、出气口、三维旋风导流结构、盛2-3毫升采集液的采集管组装而成，其中旋风导流结构由3D打印而成。根据应用需要，新技术有针对呼气的吹入模式、与针对环境气溶胶采样的自吸入模式两种。通过多相流体力学仿真结果显示，两种模式下对颗粒直径在100纳米以上的气溶胶都有95%的采集效率。

实验室检测结果

根据文章报道，新技术在临床试验之前经过了系统的实验室测试。研究人员在生物安全通风柜中，使用假病毒的气溶胶发生器来设定模拟环境的污染程度，研究旋风采集器在不同的设定浓度、采集时间和采集间距下的采集性能，采集效果由后续的荧光定量逆转录聚合酶链式反应(RT-PCR)检测分析得出，具体实验过程请看该文的方法介绍部分[1]。

实验室测试结果如图2所示，在靠近发生器喷嘴10厘米处，通过30分钟的采集，可以进行每毫升发生器溶液中10个假病毒浓度的检出，根据该文补充材料(Supplementary Figure 2)，由发生器挥发率与采集器的抽气速率换算成气溶胶浓度限值约每升空气1个病毒。当固定发生器病毒浓度在中等水平时，即每毫升假病毒溶液中包含1万拷贝时（换算成空气气溶胶病毒浓度约每毫升10个病毒），改变采集时间结果显示最短10秒能够实现有效检出。综合采集时间与被检测气溶胶病毒浓度，该研究工作公开了新方法的时间与浓度乘积检测阈值为1.5秒拷贝每毫升。实验室研究结果还发现靠近发生器喷嘴80厘米以外，在中等释放浓度下，采集器入口处的病毒浓度将低到难以检出。

临床试验结果

该研究工作公开了39例临床研究结果(含12份健康对照例)，显示新技术从3例新冠病人的呼气中检测到阳性结果。对阳性样本的进一步通过标准曲线荧光定量RT-PCR分析得出，在测试的呼气样本中存在病毒拷贝数在一万拷贝量级，可以估计新方法在通过5分钟呼气可检测限为每毫升呼气1拷贝。具体实验过程请看该文的临床结果及讨论部分。

不得不指出，新方法检测的36份阴性结果中，有10例跟咽拭子结果相反，可能是因为新冠病人在恢复末期呼气浓度较低导致，具体的原因自然有待更多样本的临床医学研究。

总结与展望

国内的新冠疫情目前已经得到非常好的控制，国际疫情相比去年底也开始缓解，这也是该工作没有获得大量临床样本进行深入研究的客观原因。固然，本研究工作已让我们看到新冠病人呼气中检测病毒可行，该方法通过自动化集成后不仅有望在公共环境中不仅可用于个体的快速筛查，还可以对人员密集空间的病毒气溶胶污染进行早期预警。

该项工作由北京大学第三医院感染科、中科院微生物所病原微生物与免疫学重点实验室、中科院过程所生化工程实验室、中科院物理所工程师之家、中科院动物所干细胞与生殖生物学国家重点实验室、首都医科大学佑安医院感染科、与清华大学能源动力系流体力学重点实验室一共七家单位合作完成(具体作者与单位如图3文章标题截屏所示)，得到了国家自然科学基金、中科院创新促进会、中科院文献情报中心等机构的资助或帮助。青促会数理分会物理所小组第八批青促会成员，文章的最终通讯作者陆俊透露该技术最初来自“工程师之家”微信群的简短交流，借助中科院青促会搭建的多学科联络平台，迅速找到该技术实现需要的物理、生化和医学的交叉技术人才；并肩协作约两个月制成测试样机，先后展开实验室模拟测试与临床试验，在研究结果投稿之前提交了相关发明专利申请；未来将根据疫情防控需要使病毒气溶胶实时监测技术发展到新的高度。

主要文献

[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