X 疾病是世界衛(wèi)生組織 (WHO) 于 2018 年創(chuàng)造的術(shù)語(yǔ)，指一種新出現(xiàn)的病原體或具有新獲得大流行潛力的先前已知病原體（Simpson等人，2020）。根據(jù)這一定義，由嚴(yán)重急性呼吸綜合征冠狀病毒 2 (SARS-CoV-2) 引起的 COVID-19 是第一種 X 疾病，但將來(lái)可能還會(huì)出現(xiàn)另一種疾病。對(duì)抗新型病毒的威脅，最有力、最有效的武器是阻止其傳播，其要點(diǎn)是準(zhǔn)確的早期診斷和有效的隔離。家庭檢測(cè)通常通過(guò)智能手機(jī)應(yīng)用程序向公共衛(wèi)生當(dāng)局報(bào)告結(jié)果，是該策略中的一個(gè)關(guān)鍵工具，使個(gè)人能夠在不前往醫(yī)療機(jī)構(gòu)的情況下立即識(shí)別感染，從而降低傳播風(fēng)險(xiǎn)并保存?zhèn)€人防護(hù)設(shè)備。然而，目前的家庭檢測(cè)，無(wú)論是基于抗原檢測(cè)還是等溫?cái)U(kuò)增，都表現(xiàn)出靈敏度的局限性，特別是在無(wú)癥狀個(gè)體中，并且要求用戶適當(dāng)?shù)刈孕胁杉鞘米訕颖尽＋@得優(yōu)質(zhì)樣本仍然是一個(gè)重大挑戰(zhàn)，因?yàn)榱淤|(zhì)樣本通常會(huì)導(dǎo)致結(jié)果不可靠。盡管制造商提供視覺(jué)教具和教學(xué)視頻來(lái)指導(dǎo)用戶，但自我收集的能力隨著年齡的不同而存在很大差異，特別是對(duì)于需要成人幫助以避免因操作不當(dāng)而損壞鼻腔的幼兒。這些挑戰(zhàn)凸顯了迫切需要更強(qiáng)大和用戶友好的家庭檢測(cè)平臺(tái)，以最大限度地減少操作員依賴并提高檢測(cè)準(zhǔn)確性，特別是在無(wú)癥狀感染時(shí)期。因此，理想的呼吸道病毒家庭檢測(cè)平臺(tái)應(yīng)整合以下關(guān)鍵特性：（i）非侵入性且用戶友好的樣本采集，（ii）能夠檢測(cè)癥狀前感染的高靈敏度，（iii）快速檢測(cè)時(shí)間（<10分鐘），（iv）操作簡(jiǎn)單，無(wú)需外源試劑或復(fù)雜的處理步驟，以及（v）無(wú)縫結(jié)果報(bào)告的連接性。

本文推出了 EBCatch，這是一種直接從呼出氣體冷凝物 (EBC) 中對(duì)呼吸道病毒進(jìn)行無(wú)標(biāo)記電化學(xué)檢測(cè)的集成系統(tǒng)。該平臺(tái)結(jié)合了基于半導(dǎo)體的冷凝器，可在 1 分鐘內(nèi)高效收集 EBC，這是一種基于碳納米管的電化學(xué)生物傳感器，具有 ACE2 功能無(wú)需外源試劑或復(fù)雜的樣品預(yù)處理，EBCatch 即可實(shí)現(xiàn)飛克級(jí)靈敏度（假病毒的檢測(cè)限為 1.6 fg/mL，遠(yuǎn)低于 SARS-CoV-2 感染者的 EBC 樣本中的病毒載量），并可在 8 分鐘內(nèi)從樣本采集到讀出結(jié)果，從而證明診斷準(zhǔn)確性很高，靈敏度高達(dá) 95.06%。特異性為 97.30%，總體準(zhǔn)確度為 96.13%，能夠在癥狀前和抗原陰性階段進(jìn)行檢測(cè)。值得注意的是，EBCatch 反應(yīng)不僅反映了病毒載量，還反映了病毒活動(dòng)，為了解感染狀態(tài)和傳播風(fēng)險(xiǎn)提供了寶貴的見(jiàn)解。這種多功能且用戶友好的平臺(tái)代表了家庭呼吸道感染分散式實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的重大進(jìn)步，從而能夠在新出現(xiàn)的疫情爆發(fā)期間進(jìn)行及時(shí)干預(yù)。

EBCatch 的操作流程如圖 1a 所示，并通過(guò)三個(gè)關(guān)鍵步驟進(jìn)行：（1）EBC 收集，該過(guò)程從用戶向連接到半導(dǎo)體制冷模塊的一次性、符合人體工程學(xué)的吸嘴輕輕呼氣開(kāi)始。該系統(tǒng)可有效冷凝呼吸氣溶膠，通?？稍?30 秒內(nèi)產(chǎn)生足夠量的 EBC（約 80 μL）用于分析，最大限度地減少用戶不適以及樣品稀釋或降解的風(fēng)險(xiǎn)，從而克服傳統(tǒng)基于面罩或商業(yè)冷凝器方法的主要局限性。 (2) 無(wú)標(biāo)記電化學(xué)檢測(cè)，將少量 EBC 直接滴入一次性 ACE2 功能化 SPE 中，并通過(guò) i-t 實(shí)時(shí)測(cè)量，無(wú)需試劑，可在 30 秒內(nèi)快速讀出 (3) 通過(guò)專用智能手機(jī)應(yīng)用程序進(jìn)行自動(dòng)分析，使用預(yù)定義閾值對(duì) i-t 結(jié)果進(jìn)行分類，并在 30 秒內(nèi)提供診斷結(jié)果（陽(yáng)性/陰性/重新測(cè)試）。這種從樣本采集到結(jié)果交付的集成工作流程可在 8 分鐘內(nèi)完成，使 EBCatch 成為早期感染篩查（包括無(wú)癥狀窗口期）的實(shí)用解決方案。

集成 EBCatch 平臺(tái)的示意圖及其用于家庭 EBC 收集和分析的關(guān)鍵性能指標(biāo)。 (a) 家庭測(cè)試集成 EBCatch 程序示意圖，從樣本采集到結(jié)果輸出可在 8 分鐘內(nèi)完成。 (b) EBC 收集器的分解圖，詳細(xì)說(shuō)明了其關(guān)鍵部件，包括 (i) 制冷模塊、(ii) 氣流通道和 (iii) 一次性裝置。 (c) 通過(guò)連續(xù)溫和呼氣收集的 EBC (VEBC) 體積。數(shù)據(jù)表示為平均值±SD（n = 23 個(gè)獨(dú)立樣本）。 (d) 從 20 名陰性志愿者 1 分鐘呼氣期間收集的 VEBC。數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示（n = 每個(gè)志愿者 5 次重復(fù)）。 (e) 3 分鐘內(nèi)從 20 名陰性志愿者和 16 名陽(yáng)性志愿者收集的 VEBC 的比較，n = 120（左）和 96（右）。 (f) 按照 EBC 收集程序，針對(duì)五個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的用戶滿意度調(diào)查評(píng)級(jí)（等級(jí) 1-5）。 (g) 不同采樣深度和技術(shù)的鼻拭子抗原測(cè)試的代表性結(jié)果。 (h) 對(duì)來(lái)自 COVID-19 陽(yáng)性和康復(fù)志愿者的匹配 EBC 和鼻拭子樣本進(jìn)行 qRT-PCR 分析。從確診的 COVID-19 個(gè)體在整個(gè)感染期間收集的連續(xù) EBC 樣本的 (i) qRT-PCR Ct 值和 (j) i-t 響應(yīng)的動(dòng)態(tài)。數(shù)據(jù)表示為平均值±SD (n = 3)。

Fig. 2. Fabrication process and analytical characterization of the ACE2/PBA/SWCNT/SPE sensor via ferricyanide-dependent system. (a) Schematic illustration of the stepwise modification process for fabricating the ACE2/PBA/SWCNT/SPE sensor. (b) CV responses of the electrode in a 5 mM K3[Fe(CN)6]/K4[Fe(CN)6] solution after each modification step. (c) CV curves at various scan rates (0.005–0.2 V/s) and (d) the linear fitting of the peak currents (Ipa and Ipc) versus v1/2 for ACE2/PBA/ SWCNT/SPE. (e) DPV responses and (f) the corresponding calibration curves of the ACE2/PBA/SWCNT/SPE sensor to various concentrations of SP. (g) Long-term stability of the ACE2/PBA/SWCNT/SPE and ACE2/SWCNT/SPE sensors after storage at 4 ?C. Data are presented as mean ± SD (n = 3).

Fig. 4. Fabrication process and analytical characterization of the ACE2/PBA/SWCNT/SPE sensor in PBS for virus detection. (a) CV responses in PBS of the sensors including bare SPE, SWCNT/SPE, PBA/SWCNT/SPE, ACE2/PBA/SWCNT/SPE without or with BSA blocking, ACE2/PBA/SWCNT/SPE (with BSA) in the presence of SP (SP1: 1 μg/mL; SP2: 10 μg/mL). (b) The i-t response curves of the sensor with and without ACE2 functionalization towards SP and PSV. The i-t response curves of the sensor with and without PBASE modification towards (c) SP and (d) PSV. Calibration curves of the ACE2/PBA/SWCNT/SPE sensor for (e) SP and (f) PSV detection. Data are presented as mean ± SD (n = 3). (g) The i-t response curve of the sensor towards SARS-CoV-2, SARS-CoV, and their mixture. (h) Specificity analysis of the sensor towards SARS-CoV-2 and other respiratory viruses (SARS-CoV-2: 1 μg/mL; interferents: 10 μg/mL). (i) Specific responses of sensors functionalized with different receptors (ACE2, ACE, CD26) towards their corresponding target viruses. Data are presented as mean ± SD (n = 3).

Fig. 5. Smartphone-based automated analysis and clinical performance of the EBCatch platform. (a) Software interface of the smartphone app for automated data processing and diagnostic readout. Representative i-t curves and the corresponding classification results for (b) negative, (c) positive, and (d) questionable samples requiring retest. (e) Pie chart showing the proportion of negative and positive participants among the total volunteers. (f) Distribution of infection symptoms among the 16 positive volunteers. (g) Information on the SARS-CoV-2 strain types and the corresponding number of infected individuals. The (I-I0)/I0 response for EBC samples from (h) 20 negative cases and (i) 16 positive cases. Data are presented as mean ± SD (n = 3). (j) Box plot of the (I-I0)/I0 response for negative and positive EBC samples with the diagnostic threshold, n = 60 (left) and 48 (right).

文獻(xiàn)鏈接

https://doi.org/10.1016/j.bios.2026.118721

來(lái)源：生物傳感器