基于SERS的拉曼光谱技术或将替代PCR检测新冠？

近日，美国约翰·霍普金斯大学的一项检测新冠病毒（SARS-CoV-2）的科学成果引发了拉曼光谱圈的热议。文章中描述，这是一个基于大面积纳米压印光刻技术、表面增强拉曼光谱学（SERS）和机器学习技术（Machine learning）的传感器，可快速、准确地检测新冠病毒，仅需25分钟即可得到结果，准确率高达92%——与 PCR 测试的准确性相当。这种传感器不需要样品制备或复杂的操作技能，特别适用于大规模群体检测，与现有的测试方法相比具有强大的优势。该研究成果使用到的是HORIBA的拉曼光谱仪器，文章发表在Nano Letters上[1]。小编查到，该团队2021年还在medRxiv杂志上发表了文章，当时该项技术的检测准确率为83%[2]。

新冠病毒的检测通常使用RT-PCR，尽管检验的准确性很高，但需要复杂的样本制备，多次的温度变化，出具结果仍需数小时甚至数天。而这项新技术几乎与 PCR 检验一样敏感，同时又与快速抗原检验一样方便。但该技术仍存在无法区分SARS-CoV-2、H1N1以及变种病毒等的问题。据悉，该团队目前正在寻求专利许可和商业化的机会。

约翰·霍普金斯大学的Ishan Barman 和 David Gracias专家

使用HORIBA XploRA INV多功能拉曼及成像光谱仪

据相关报道，目前已经有不少基于SERS方法检测新冠病毒的科研成果产出，小编也搜集了部分知名期刊上发表的一些文章，整理了相关内容以及其中涉及到的光谱仪器，如有遗漏需添加请留言。

国外的研究团队在近期发表了哪些文章呢？

新加坡南洋理工大学的研究团队日前设计出一款基于表面增强拉曼散射（SERS）的呼气分析模组，可在5分钟内完成新冠病毒的筛查，文章中描述，这是比鼻咽拭子和聚合酶链式反应（PCR）检测更优的方案。此项研究成果已发表于ACS Nano杂志[3]。

该呼气分析模组包含了搭载三组SERS探针分子的芯片，SERS探针分子附着于银纳米立方体上。当被测者向设备呼气10秒，呼气中的新冠病毒生物标志物会与传感器发生化学反应。然后，将呼吸分析仪装入便携式拉曼光谱仪中，再根据SERS信号的变化对反应后的化合物进行表征。实验结果表明，假阳性率为0.1%，假阴性率为3.8%，这与实验室PCR检测的准确性相当。

加拿大蒙特利尔理工学院的研究人员开发了一种基于激光拉曼光谱的新型无试剂检测技术，发表在Journal of Biomedical Optics上[4]。与使用咽拭子的PCR技术不同，该技术采用唾液样本，更加安全且无创。研究人员根据分子的特征拉曼指纹光谱来感知和识别样品。COVID-19能引起唾液成分的化学变化，基于此，研究小组分析了33个COVID-19阳性样本与513个COVID-19阴性唾液样本，将获得的拉曼光谱整理成实例学习模型。这种方法的结果表明准确率约为80%。

作者称：“这种无标签方法克服了RT-PCR测试的许多限制。我们正在努力将其商业化，作为一个更快的、强大的、低成本的系统，并可能具有更高的准确性。” 该研究成果中使用到了雷尼绍（Renishaw）的inVia™共聚焦拉曼显微镜，如下图所示。

雷尼绍 inVia™ InSpect共焦显微拉曼光谱仪

早在2020年12月的时候，美国北亚利桑那大学（NAU）的物理学家和材料科学家Miguel José Yacamán带领团队使用单分子表面增强拉曼光谱（SM-SERS）开发针对SARS-CoV-2的新测试技术。这是一种基于物理而非生化试剂的冠状病毒新测试技术，该技术可以克服当时试剂盒和测试功效短缺带来的挑战。该项目获得了美国国家科学基金会快速响应研究（RAPID）资助计划的20万美元资助。（未查到该团队的相关成果，如有了解，可留言联系小编。）

以上均为国外的科研团队使用SERS方法针对SARS-CoV-2的测试方法，国内也有很多团队都在进行相关的研究，并产出成果。（本文将尽量按照文章发布顺序进行排列）

清华大学环境学院张大奕团队开发了一种采用表面增强拉曼散射(SERS)结合多变量分析的方法，该成果发布在Water Research上[5]。这是一个搭载了ACE2（angiotensin-converting enzyme 2）修饰的SERS传感器的便携式拉曼光谱设备，在不进行任何预处理(如提取RNA)的情况下，能在5分钟内检测出SARS-CoV-2。文章中使用的是探头上放置了ACE2@SN-SERS衬底（苏州一清环保科技有限公司）的卓立汉光Finder Edge手持式拉曼光谱仪。

卓立汉光 便携手持式拉曼光谱仪Finder Edge

中国科学院上海硅酸盐研究所黄政仁团队杨勇研究员自新冠疫情爆发以来，一直进行着基于SERS诊断新冠病毒的研究。与安徽省疾病预防控制中心、上海交通大学仁济医院、华南理工大学、日本名古屋工业大学及美国纽约市立学院科研人员合作，联合开发了一种新冠病毒表面增强拉曼散射(SERS)传感器及快速检测新技术，研究成果发表在Nano-Micro Letters[6]。该工作给出了灭活新冠病毒及其表面刺突蛋白(S)、核衣壳蛋白(N)各自独立的标准Raman光谱以及峰位归属理论分析，对于SERS研究领域进一步开展病毒检测研究具有重要指导价值。通过机器学习手段建立了病毒信号诊断标准和方法，其对SARS-CoV-2病毒最佳检测限优于100 copies/mL，检测时间少于5分钟，这对新冠病毒现场临床检测具有重要意义。

文中提到在BSL-2实验室中使用的是如海光电（Oceanhood）的SEED 3000便携式拉曼光谱仪进行SERS实验。

如海光电 SEED3000 便携式拉曼光谱仪

另外，杨勇研究员与安徽省疾病预防控制中心、上海交通大学仁济医院以及中国科学技术大学第一附属医院团队共同合作，在国际权威学术期刊Matter[7]上也发表了文章。该工作开发了一种新型SnS2超敏半导体SERS基底活性材料及新冠病毒传染性诊断新技术。

简单来说，这是一种两步检测法：通过第一步SERS检测，区分出具有极高传染风险的活病毒样本（含S蛋白信号、无RNA信号）；再通过去除RNA和对病毒样本进行裂解后开展第二步SERS检测，可区分出具有一定传染风险的“死活共存”的混合病毒样本（含S蛋白、RNA信号）及不具传染性的死病毒样本（含S蛋白信号、无RNA信号），从而避免了PCR检测技术把环境中已裂解病毒样本误判为阳性的情况。这为判断环境中冷链食品、快递物品、气溶胶等病毒污染物的传染性开辟了新途径，对在当前新冠病毒肆虐局势下避免疫情误判具有重要意义。文中使用到了雷尼绍的inVia Reflex显微拉曼光谱仪。

雷尼绍 inVia Reflex显微拉曼光谱仪

中国工程物理研究院激光聚变研究中心杜凯团队开发了一种基于深度学习的表面增强拉曼光谱技术（SERS）可用于快速和现场检测新冠病毒，该项成果发表在Analytical Chemistry上[8]，相关成果还申请了发明专利：一种基于增强拉曼光谱和神经网络的新型冠状病毒检测方法及系统。该研究中使用到的是雷尼绍Virsa拉曼分析仪。

这是一种基于深度学习的表面增强拉曼光谱技术，可快速在现场检测30名COVID-19确诊患者的咽拭子或痰中SARS-CoV-2抗原。通过实验和理论计算，建立了以SARS-CoV-2刺突蛋白为基础的拉曼数据库。建立的模型对SARS-CoV-2抗原的预测准确率为87.7%。该方法在全球SARS-CoV-2的诊断、监测和控制方面具有很大的潜力。

雷尼绍 Virsa拉曼分析仪

哈尔滨医科大学药学院李洋团队在Chemical Engineering Journal杂志上发表了文章[9]，研究成果是一种基于表面增强拉曼光谱（SERS）的检测平台，通过将溴离子、乙腈和钙离子引入银纳米颗粒增强基底体系，实现对包括SARS-CoV-2在内的多种呼吸道病毒的快速检测。文中提到，对SARS-CoV-2, Human Adenovirus 3, and H1N1这三种病毒的识别可在2分钟内完成。文章使用到的是WITec alpha 300R。

Witec共焦拉曼显微镜 Alpha300R

相较国外，由于国内P3实验室等条件限制以及仪器经费等问题，目前研究范围还不是很广泛。有相关人士称：“国内研究团队也想重复操作唾液检测实验，但是P3实验室规定非常严格，仪器经过消杀程序会影响使用，目前也没有条件把仪器永久放在P3实验室中。”

综上，从目前发布的科研成果上看，基于SERS方法检测新冠病毒SARS-CoV-2的方法具有不少优势，当然也还存在许多不足，目前大多仍停留在科研层面。小编也期待更加方便、快捷，并且检测准确率高的SERS技术能够尽快落实到新冠病毒应用层面上，愿新冠病毒检测更加方便，“大白”稍加轻松，疫情早日结束！

文章链接汇总：

[1] Label-Free Spectroscopic SARS-CoV-2 Detection on Versatile Nanoimprinted Substrates | Nano Letters (acs.org)

[2] Label-Free SARS-CoV-2 Detection on Flexible Substrates | medRxiv

[3] Noninvasive and Point-of-Care Surface-Enhanced Raman Scattering (SERS)-Based Breathalyzer for Mass Screening of Coronavirus Disease 2019 (COVID-19) under 5 min | ACS Nano

[4] Saliva-based detection of COVID-19 infection in a real-world setting using reagent-free Raman spectroscopy and machine learning (spiedigitallibrary.org)

[5] Ultra-fast and onsite interrogation of Severe Acute Respiratory Syndrome Coronavirus 2 (SARS-CoV-2) in waters via surface enhanced Raman scattering (SERS) - ScienceDirect

[6] Human ACE2-Functionalized Gold “Virus-Trap” Nanostructures for Accurate Capture of SARS-CoV-2 and Single-Virus SERS Detection | SpringerLink

[7] Identifying infectiousness of SARS-CoV-2 by ultra-sensitive SnS2 SERS biosensors with capillary effect: Matter (cell.com)

[8] On-Site Detection of SARS-CoV-2 Antigen by Deep Learning-Based Surface-Enhanced Raman Spectroscopy and Its Biochemical Foundations | Analytical Chemistry (acs.org)

[9] Rapid detection of viruses: Based on silver nanoparticles modified with bromine ions and acetonitrile - ScienceDirect