看隐形战斗下，快速检测新型冠状病毒的方法-抗原检测（胶体金法）

01 引言

冠状病毒是有着线性单链结构尺寸大约为80~120 nm的一类RNA病毒，在大自然中十分常见，因其微观形态像一顶皇冠一样而得名。2019年12月，我国武汉出现了多例肺炎病例，患者初始症状表现为发热、干咳、乏力。医生在对这些患者的治疗过程中，从患者标本中发现了一种病毒，研究证实其为冠状病毒。由于此前人类从未发现过该基因组序列的冠状病毒，科学家将它称之为新型冠状病毒，由感染该病毒导致的肺炎，被称为“新型冠状病毒肺炎”，简称“新冠肺炎”，世卫组织（WHO）对其英文命名为Corona Virus Disease 2019，简称（COVID-19）[1]。

图 1 新型冠状病毒入侵人体肺部（图片来源于网络）

由于新冠病毒传播速度很快，自爆发以来，立刻便成为了世界密切关注的紧急公共卫生事件。该病毒传播范围已遍及世界各地，爆发至今，已有数百万人被夺去了生命，人类陷入了一场隐形战争中，在我国人与命运共同体理念的号召下，在党的坚强领导下，我国人民积极投身于这场看不见的战斗中，创造了一个又一个抗疫奇迹。随着人类对该病毒的认识逐渐深入，疫苗也从无到有，但新冠病毒并不安分守己，它的变异毒株给世界防疫不断带来新的挑战。在我国时至今日，仍有部分地区有着小规模疫情的发生，防疫任务仍然艰巨。针对该病毒的有效检测十分重要，每次当有疫情发生时，无数医护人员以及志愿者走上前线，为广大群体开展大规模核酸检测，每每看到有医护人员因长时间核酸检测而晕倒脱水的报道时，内心心疼感动，不禁思考有没有一种快速且方便的检测新冠病毒的方法，而答案是有的，下面就走进我们今天的科普内容，一起去认识一下这种快速检测新型冠状病毒的方法-抗原检测（胶体金法）。

图 2 医护人员为百姓开展核酸检测（图片来源于网络）

02 新冠病毒的化学成分以及微观形貌

首先，我们先一起了解一下新型冠状病毒的概念以及它的化学成分。新型冠状病毒2019 (COVID-19) ，它也被称为严重急性呼吸系统综合症冠状病毒2(SARS-CoV-2)，它属于β-冠状病毒科一种有包膜结构的RNA 病毒，其结构如图3所示。

大量报道的病例表明，感染该病毒会使人患上严重的肺炎并且对人体呼吸系统造成伤害，感染患者往往呼吸不畅并伴有发热症状，严重患者甚至需要机械呼吸和ICU综合治疗。

从化学结构来看，新型冠状病毒由一些小分子P（磷脂）和蛋白质分子通过分子间作用力（离子键、氢键）结合形成，如图3A所示，新型冠状病毒表面的环状球形结构（包膜）即是由许多磷脂小分子通过分子间作用力结合而形成的磷脂双分子层，通过对小分子磷脂的局部放大来看，如图3B所示，它们有着类似于人体的形状，由磷脂酸胆碱（极性基团）组成的头部亲水，可通过分子间作用力紧密结合，而由甘油酸脂（碳氢长链）组成的双腿则疏水，疏水力可将它们紧紧的拉在一起，形成一层“头朝外腿朝内”的磷脂单分子层（包膜外侧），而类似的是另一层磷脂小分子也以这样的排列方式形成了磷脂单分子层（包膜内侧）。

除此之外，如图3A所示，这些磷脂小分子的层间还插入了一些蛋白质分子，它们分别是刺突蛋白（简称S蛋白）、膜蛋白（简称M蛋白）、套膜蛋白（简称E蛋白）、RNA+核壳蛋白（简称N蛋白），这些蛋白质分子有些是亲水的有些是两性的，在包膜表面亲水的蛋白质分子可与磷脂小分子亲水的头部相结合，而一些两性的蛋白质分子可以穿透磷脂双分子层，包膜外侧的是有着极性侧链的氨基酸，内侧则是一些有着非极性侧链的氨基酸结构，包膜可将病毒的遗传物质RNA包裹其中。简单来讲，用一个数学公式表达新型冠状病毒则可以表示为：n(P+S+M+E+N)= COVID-19（n特指各类分子的数目）。

图 3 (A) 冠状病毒的结构模型以及蛋白质分子和病毒包膜的磷脂双层结构[1]；(B) 磷脂分子结构[2]；

2020年，美国国家过敏和传染病研究所（NIAID）清晰地拍摄出了新型冠状病毒（SARS-CoV-2）的电子显微镜图像[3]，在将其数字化着色后，人们可以直观地看到新型冠状病毒的微观形貌。如图4（A、B、C）所示。

A                                                                         B                                                                     C

图 4  （A）新冠病毒的冠状微观形貌；（B）SARS-CoV-2（黄色图案），病毒侵略正常细胞；（C）SARS-CoV-2（紫色图案），病毒侵略正常细胞[3]；

03 抗原检测

新冠病毒的传播途径多种多样，最为常见的途径是飞沫传播，此外还有接触传播（密接）以及粪口传播等，所以进行人体新冠病毒的有效检测对人类预防及治疗该病毒引发的疾病具有重要意义。目前，我国新冠病毒的主要检测手段有三类，即人们最熟知的核酸检测以及抗原检测和抗体检测。相比大规模核酸检测，抗原检测操作简单、成本较低，可自行检测不需要专业的医护人员，只需要15-20分钟就可看到检测结果，在我国一些地区已经开始施行，那么抗原检测的原理是什么呢？核酸检测技术（PCR），是在检测过程中根据检测样品中有无新冠病毒的基因组片段来判断是否感染，而抗原检测是根据被测检测样本中有无新冠病毒的蛋白质来判断是否感染，如前文所述，新冠病毒表面有N蛋白和S蛋白，而N蛋白的检测是新冠抗原检测中最为常用的，检测过程所利用的原理大都是测流免疫反应原理，下面我们介绍一类抗原检测方法，即抗原检测（胶体金法）。

04 新冠病毒抗原检测胶体金法

当新冠病毒进入人体后，免疫系统会受到刺激，这时浆细胞会分泌出抗体，而新冠病毒这个侵略者被称为抗原，抗原与抗体之间有着钥匙和锁的关系，二者可特异性结合，其结合过程在人体外也能发生。抗原检测胶体金法，通俗来讲，就是以胶体金为显色介质与抗体结合，胶体金相当于染色剂，使原本肉眼不可见的抗体被染色，胶体金是HAuCl4在还原剂的作用下，发生聚合形成的金纳米颗粒，通过静电作用可形成带负电的胶体金溶液，它可与病毒蛋白质分子（抗原）的正电荷基团紧密结合却不影响病毒蛋白质的活性，由于被标记的抗原与抗体可以特异性结合，所以可通过胶体金试纸条上显色变化来进行新冠病毒的检测。胶体金试纸条的主要组成部分如图5所示。

图 5 胶体金试纸条的组成部分（图片来源于网络）

新冠病毒抗原检测（胶体金法）所采用的的检测技术是免疫层析技术，通过双抗体夹心法原理进行检测。在样品层析过程中，被测样品中新型冠状病毒抗原与胶体金结合的新型冠状病毒N蛋白抗体A特异性识别，在层析作用下，检测液会继续沿着硝酸纤维膜（NC）流动到检测线区域，与硝酸纤维膜上预留的新型冠状病毒N蛋白抗体B结合，随后被测液会沉积在检测线（T线）形成一条红色的色带；与之相反的是，如果被测样品中不含有新型冠状病毒，那么在检测线（T线）就不会出现紫红色的色带。为了测试的完整性，质控线十分重要，不管被测样中有无新型冠状病毒抗原，在质控线（C线）处都会产生一条红色的色带，它可以保证整个检测过程是有效的。若T、C两条线都显色，则患者为阳性，若只有C线显色，则患者为阴性，若T线显色C线不显色或者T、C均不显色则测试无效，整个检测过程可如图6所示。

图 6 胶体金法新冠检测具体流程图（图片来源于金羊网）

虽然，上述检测方法相较于大规模核酸检测有着快速、方便、成本低等优点，但抗原检测敏感度较低仍然是有待解决的问题，当被测样品中新冠病毒颗粒较少数量较低时，可能导致假阴性结果的错判，所以其目前只作为核酸检测的小帮手来进行新冠病毒的检测，准确判断是否感染新冠病毒还需其它手段进行再次确认。

目前，抗原检测胶体金商品化试剂盒已被推广使用，见图7，市场上有多家公司出售抗原检测胶体金试剂盒，如表1所示，该试剂盒具有简单、快捷、方便的优点，普通民众可以非常便捷的实行居家检测，有利于更早发现传染源，未来将作为核酸检测之外人们生活中检测新冠病毒的重要帮手，对于疫情防控具有重要意义。

表 1 抗原检测（胶体金）试剂盒生产厂家

图 7 抗原检测（胶体金法）试剂盒（图片来源于网络）

05 结语

本文在抗疫背景下，对新型冠状病毒这一罪魁祸首的化学组成以及检测方法进行了科普交流，希望对读者有所帮助。截至目前，新冠疫情虽得到有效控制，但仍在局部地区肆虐，给人民生活带来了诸多不便，自2020年至今，因感染新冠病毒离世的人数还在增加，这场抗疫持久战，需要我们每一个人共同努力，戴好口罩、响应政策、积极服务，让疫情的阴霾散去，努力让疫情早日结束。