当你喉咙痛、流鼻涕时，最近兴起的快速居家检测技术让你更容易判断自己是感染了新冠，还是只是轻微的春季过敏。然而，尽管这些居家检测快速又方便，但其灵敏度通常低于医生办公室的检测，这意味着即使你已经被感染，也可能得到阴性结果。
一项新技术可能解决这个问题。加州大学伯克利分校的研究人员开发出一种低成本的生物传感技术，可使居家快速检测对新冠病毒的灵敏度提高100倍。该技术还可用于检测其他危及生命的疾病，例如前列腺癌和败血症。
这项诊断技术结合了自然蒸发过程“咖啡环效应”、等离子体光学技术和人工智能算法，在几分钟内即可高精度地检测疾病生物标志物。
“这项简单却高效的技术能在比传统诊断方法短得多的时间内提供高度准确的结果，”刚刚完成微机电系统和纳米工程博士学位的Kamyar Behrouzi说道。“我们的研究为更经济、更易获取的诊断方法铺平了道路，尤其是在资源有限的地区。”
这项技术的细节最近发表在《自然通讯》（Nature Communications）期刊上。
结合咖啡环与纳米颗粒
仔细观察咖啡或葡萄酒的污渍，你会发现污渍边缘往往比中心更深。这是由于一种称为“咖啡环效应”的物理现象：当液滴蒸发时，液体内部会产生一种将悬浮颗粒推向边缘的流动。如果这些颗粒带有颜色，如咖啡和葡萄酒中的颗粒，那么污渍边缘就会比中心更深。
2020年，Behrouzi正在开发一种检测新冠的生物传感器时，注意到实验溶液的液滴在干燥后会留下环状污渍。他意识到，这种咖啡环效应可以用来浓缩新冠病毒颗粒，从而更容易检测。
“我们发现，可以利用这种咖啡环效应制造出比我们最初设想的更好的东西，”Behrouzi说。
这项快速检测技术使用了被称为等离子纳米颗粒的微小颗粒，它们能以独特方式与光相互作用。检测时，用户首先将含有疾病相关蛋白的液体（例如口腔或鼻腔拭子样本）滴在膜上。随着液体蒸发，任何存在的疾病生物标志物都会在“咖啡环”中被浓缩。然后，用户再滴上含有等离子纳米颗粒的第二滴液体，这些纳米颗粒经过设计，能够与疾病生物标志物结合。
如果存在生物标志物，纳米颗粒会在特定模式下聚集，从而改变光与膜的相互作用方式。这种变化可以通过肉眼或AI驱动的智能手机应用检测到。
该技术在不到12分钟内就能得出结果，检测新冠的灵敏度是现有快速检测方法的100倍。
“我们通过这种方法能够检测到的关键蛋白之一是败血症的生物标志物。败血症是一种危及生命的炎症反应，通常由细菌感染引发，尤其在50岁以上人群中发展迅速，”研究资深作者、加州大学伯克利分校机械工程杰出教授Liwei Lin表示。“每一小时都很关键，但通过培养细菌来确定感染源通常需要几天时间。我们的技术可以帮助医生在10到15分钟内检测败血症。”
研究人员已经制造出一个家庭检测套件原型，类似于现有的新冠居家检测工具，其中包括3D打印组件，帮助用户准确放置样本和等离子纳米颗粒滴。
“在新冠疫情期间，我们依赖居家检测来判断是否感染，”Lin说。“我希望我们的技术能让人们更容易、更方便地在家中定期筛查如前列腺癌等疾病。”
研究的其他合著者包括加州大学伯克利分校的Zahra Khodabakhshi Fard、Chun-Ming Chen、Peisheng He和Megan Teng。
更多信息：
Kamyar Behrouzi 等人，Plasmonic coffee-ring biosensing for AI-assisted point-of-care diagnostics，《自然通讯》（2025）。DOI: 10.1038/s41467-025-59868-y
期刊信息：
《自然通讯》（Nature Communications）
提供单位：加州大学伯克利分校（University of California - Berkeley）
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