春节期间，准备回家过年的人都面临着目的地48小时内核酸阴性报告的防疫要求。各个核酸检测点门口都排起长队，寒风中瑟瑟发抖的人们不禁思考：为什么出报告就不能再快一点呢？为什么不能像常规验血一样半个小时取报告呢？
核酸检测真的已经在全速冲刺，并且还在努力改进，变得越来越快。
01
核酸检测到底检了点啥？
首先，核酸不是什么新名词。它是生物体内的遗传物质，一共两大类：DNA和RNA。核酸保存遗传信息的方式也挺一根筋的：用几个不同的分子从头到尾往下“写”，而且一共只用四个字母。如果是DNA的话，用A、T、C、G写，写成2排；如果是RNA的话，用A、U、C、G写，写成1排；仿佛某种四进制密码。
图源：wiki
PS：如果您家里有选了生物的高考考生，可以让TA告诉您这A,T,C,G分别代表了什么含氮碱基，这里因不影响理解不作详细解释。
这些生物密码不是随便瞎编的，通过分析它们的顺序人们能得知许多事情。比如：有些密码跟身份证一样每个人身上都不尽相同，刑警以此来确定凶手是法外狂徒张三而不是背锅的李四。有些密码在亲属间有相似性，可以用来确定孩子是自己的而不是充话费送的。
还有一部分密码在同一物种体内是一致的，用以保证龙生龙，凤生凤，人生人，且生下来的人绝大多数情况下还是两个眼睛两条腿，鼻子下面长着嘴。通过检测这类密码，人们可以倒推一些事情——例如：只要抓到了某种序列，那该核酸序列的拥有者一定是人类，无论他怎样声称自己是天仙下凡青蛇成精都不好使，他就是人类。
新冠病毒也一样，只要检测到特定的核酸序列的存在，那它就是新冠病毒，而不是其他微生物或人体细胞内的核酸。核酸检测就是要想办法把这段特定的“身份密码”抓出来。
02
保姆级核酸检测
技术原理解释
尽管核酸是一种“大分子”，它的长度计量单位还是纳米级的。人为一条一条去看上面写了啥肯定不可能，仪器也很难对单个分子产生反应。因而核酸检测为了抓到病毒身份密码存在的证据，会使用一种叫荧光定量RT-PCR的特殊技术。先给采集来的样本做一次灭活以免病毒伺机作妖，再用以下几个步骤逼它招供：
提取核酸
核酸检测的目标只有核酸，病毒自己用来装核酸的方便兜子蛋白质壳子不要，大家被采集点小姐姐一起捅下来的鼻涕泡食物残渣等也不要。
为了精准把核酸抓出来，有好几种方法可以用。比较常用的方法是“一步法”和“磁珠法”。
操作简便，快速又经济的方法是一步法：将核酸释放剂和样本在PCR管中混合，室温静置10分钟，加入核酸释放剂让病毒裂开，再上离心柱一阵狂甩，让蛋白质等不需要的东西与核酸分离，再把上层清液里的核酸捞去检测。即可获得适用于荧光PCR检测的核酸，将需要多次离心或是加热的繁琐传统方法改变成为了简单便捷的一步操作，耗时极短，大大提高检测效率。但缺点是漏检率较高。
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还有一种很巧妙的方法叫磁珠法：往溶液里面扔点能跟核酸黏在一起亲亲我我的小圆珠，等它们抱紧核酸后，利用磁力把小圆珠吸住固定，其他不要的东西都冲走。然后再想办法强拆CP让小圆珠松手（通常是改变溶液特性，如PH值等），那样就可以得到纯纯的核酸了。
图源：wiki
核酸扩增与检测
把核酸都抓出来之后，就该看看到底有没有新冠病毒核酸特有的“密码”了。毕竟样本里很可能还有点其他微生物或者人体自身细胞带来的核酸，它们若是不干坏事的良好市民，就不能冤枉它们报假警。
检查的方式有点像对暗号，一些特殊的引物与探针被加到试剂里，引物大喊“天王盖地虎”，这时候谁答应一句“宝塔镇河妖”谁就是新冠病毒。不吱声的或者乱答“我是二百五”的就是其他无辜核酸。一旦听见正确的答句，探针就会扔出一个荧光信号，表示找到了坏蛋。
“天王盖地虎”是人类的密语，要跟病毒核酸对暗号就得找到对面能懂的“语言”。
去哪儿找呢，DNA大麻花大家都见过吧？喏，两条链子扭在一起，中间是一些五颜六色，彩啦吧唧的玩意儿。这里想强调的重点是，DNA示意图里的彩色小横线并不是随便乱画的。如前方所说，这些代表碱基的小横线一共就四种，名字缩写是A,T,C,G。并且他们成双成对，A的对面一定是T，C的对面一定是G。
图源：wiki
这就是核酸用来记录信息的“语言”，只要知道了其中一条链“写”了啥，另一条就能匹配出来。于是工作就变得简单起来：
引物：CCCTGTGGGTTTTACACTTAA
病毒：GGGACACCCAAAATGTGAATT
探针：就是它！！！
可惜的是，单个病毒核酸交代出暗号密码后，发出的信号太微弱了。仪器：大点声！我听不见！荧光信号在哪儿呢？我没看见。
好吧，一个荧光点不行，成千上万个不停出现，总能捕捉到到了。通过聚合酶链式反应，人们可以逼迫被检测的DNA不停复制出一模一样的副本，1条变2条，2条变4条。再一遍一遍反复对暗号后，探针就会一次又一次确认到病毒并释放出荧光信号，指数级增加，从而被仪器检测到。
到这里可能会有人发现个小问题：新冠病毒是RNA病毒，RNA只有一条链，这套检测机制不是针对DNA的吗？别担心，逆转录技术会在扩增开始前把单链的病毒RNA转化成双链的cDNA，之后照常分析。
至于为什么不直接复制RNA，是因为RNA单链不稳定，复制时乏校正功能，容易出错。类似于万一把“天王盖地虎”复制成“天王盖壁虎”，接下去就不好办了。
03
所以核酸检测还能再快点吗？
通过原理解释大家可以看到，核酸检测有一套必须按部就班完成的流程，其中每一步都要耗时。尤其是聚合酶链式反应扩增数量的步骤，一旦开机便没办法暂停。后续如果有新一批样本需要检测，不能中途加进去，只能新开一锅。如同电饭煲工作到一半无法半路再加米。
不过为了满足繁重的核酸检测需求，相关人员还是在用多种手段努力让核酸检测变得越来越快。
增加检测设备供应
一台设备来不及做，那么“再来一台”听起来是理所当然的事情，然而核酸检测并不是买几台仪器搬到现场就能开工的。它需要依托能够保证操作安全的实验室，在处理医疗废弃物，空气消毒等方面都有特定的要求。
因而能“凭空”两三天内拔地而起的气膜实验室就成了抗疫一线的救星。去年上半年投入的“猎鹰号”气膜实验室每组每天可以检测超过3万个样本，以便大家及时拿到核酸检测报告。
“猎鹰号”气膜实验室
图源：广州日报
缩短流程时间
优化荧光定量RT-PCR的过程也让核酸检测变得越来越快。例如一些核酸释放剂加入后不需要再采用离心等手段去分离出核酸，而是直接可以进入下一步扩增。
核酸在PCR扩增仪里不停数量翻倍通常要进行95-100分钟，那是为了产生足够多的副本被设备检测到。如果设备的灵敏度提高，那么就可以少做几轮扩增，自然就会缩短时间。
还有一种思路是扩增环节因反应物对温度需求的不同，需要反复升温降温，那么改善导热结构，使每一次升温降温变得更快也能缩短检查时间。去年的中国创新创业大赛中，最快新冠核酸检测仪器可以在30分钟内出检测结果。
中国核酸检测专利申请趋势
（为了增加核酸检测能力，研发人员不停在追求更高效的技术）
图源：21世纪经济频道
主动出击，给空气做核酸检测
即将开幕的2022年北京冬奥会，将会采用一套自主研发的生物气溶胶新冠病毒核酸监测系统，可以检测空气中悬浮的病毒。
这套设备外观与普通的检测仪器似乎区别并不大，实际上却能从样本采集到检验实验室里的步骤（包括前面介绍过的灭活处理、核酸提取、扩增）全都自动化集成完成，45分钟得出检测结果。且仪器灵敏度达到20拷贝/毫升，比常规设备（200-500拷贝/毫升）灵敏了10倍以上。测试赛期间共采集和检测348例标本，检测成功率100%。
但愿冬奥大显身手后，这套系统今后能在医院、车站、机场等人流密集的场所落地，及时发现病毒，助力疫情防控。兴许人们就不用排着队去做检测啦~
新冠疫情总会过去，但这不会是人类最后一次与大规模传播的病毒战斗。未来面对新的致病微生物之时，这些不断革新的技术将帮助人类更好地维持个人健康与社会秩序。
参考文献
[1].李刚,马文丽，生物化学[D]. 北京大学医学出版社，2013
[2]. 余汉忠，牛璐璐等，不同核酸提取方法和新型冠状病毒核酸检测试剂室间 质评结果分析[J]. 临床检验杂志2021年2月，39（2）
[3]. 国家卫生健康委员会办公厅，新型冠状病毒肺炎实验室检测技术指南（第四版），2020
[4]. Rossi, Liane & Costa, Natalia & Silva, Fernanda & Wojcieszak, R.. (2014). ChemInform Abstract: Magnetic Nanomaterials in Catalysis: Advanced Catalysts for Magnetic Separation and Beyond. Green Chemistry. 16. 2906-2933. 10.1039/c4gc00164h.
[5]. 30分钟内出结果，全国最快新冠核酸检测仪器亮相创业大赛，上海市科学技术委员会，2021-09-09，http://stcsm.sh.gov.cn/xwzx/mtjj/20210909/aed248c31ac24a6792d6e2557fe327bd.html
[6]. 中国科学院过程工程研究所，一种自助式核酸检测一体机及微流控芯片[P]. 中国专利，CN214088513U，2021-08-31
编辑：91
鸣谢：上海普陀区中心医院检验科 检验技师 张孟哲 医学博士
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来源：上海科技馆
编辑：藏痴
