病毒的流行與感染一直是臨床醫學上的重要課題，全球曾多次爆發病毒引發之大規模感染。自2020年1月至今，COVID-19 (SARS-CoV-2)疫情肆虐全球，許多國家因此積極研發快篩技術以及有效的疫苗。有鑑於此發展，成大材料系廖峻德教授帶領的團隊從工程應用的角度，結合奈微米製造技術及表面增顯拉曼散射光譜學資訊的創新設計，以非核酸或抗體的篩檢方法來檢測病毒外(包)膜。經過簡易前處理，即使極微量病毒檢體下，也能達成快速、定性地檢測出COVID-19病毒，預期可以提供快篩COVID-19、其變異種及其它病毒做進一步診斷的參考。

　　常見病毒大小約在30到250奈米，COVID-19病毒約為100奈米。廖教授團隊以「奈米抓奈米」的構想，投入製作奈米構型以捕捉病毒的相關研究，例如：設計出有多個奈米漏斗型孔洞的金屬表面，當病毒掉入後不能離開，即使只有一顆病毒也抓得到(如圖一與圖二所示)。對於陷入奈米構型的病毒或病毒株，經由測得病毒的外(包)膜生化結構，可辨別病毒的存在；經反復檢測，可診斷是何種病毒。其所開發的試片已在H1N1、SARS、流感等病毒的研究上得到驗證；進一步的研究希望能夠有識別出存活、死亡或變異病毒的能力。

圖1 (左) 與圖2 (右)：針對對三種病毒外型及大小陷入奈米漏斗型孔洞結構的SEM (圖1(a)~(c))及示意圖(1(d))。利用特殊波長雷射光與病毒包膜產生特異性拉曼光譜信號的增顯，比對資料庫後可進行快速的定性及初步診斷分析(圖2(a)~(b))。(引用自Sensors and Actuators: B, Vol. 156, No. 1, 471-478, 2011.)

　　目前公認準確的COVID-19病毒檢測的方法有二：(1) 使用核酸片段進行逆轉錄定量聚合酶鏈反應(RT-PCR)，此方法需要樣品預處理和製備過程。在實際檢測之前，特定的引物靶向病毒中的RNA片段，整個過程需要幾個小時。(2) 如果血液中已形成抗體，則抗體測試僅在感染幾天後才會有效。基於此，儘管費時，方法(1)仍然是一般快篩所選擇的方法。表面增顯拉曼散射(SERS)光譜技術屬於非核酸之病毒快篩的方法，已經被證明是一個有效的病毒檢測平台，可檢測微量分析物──從殘餘小分子到大分子，甚至病毒和細菌，特別適用於感染早期無症狀時期(如圖三)。此方法只需製備少量的樣品，無需標定或使用昂貴的試劑與化學品，就能發揮檢測效用──將目標待測物引入具SERS活性的基板表面，在特定波長雷射照射下，使被誘導分子產生振動變化，生成有特徵峰之拉曼散射光譜。由先前研究推知，COVID-19病毒外(包)膜成分中之棘蛋白(pike glycoproteins)與特殊的封套蛋白(envelope protein)的生化結構，對於當前的研究非常重要，而後者是SERS光譜的主要貢獻者。

圖3：學者基於數份已發表報告中的數據來估算時間間隔和病毒檢測率的關係。^a僅在從暴露時間開始主動隨訪患者時，才會進行檢測。^b鼻咽拭子PCR檢出陰性結果比檢出陽性可能性高。(引用自JAMA, Volume 323, No. 22, 2249, June 9, 2020) ^c本技術最適合使用之時機為在症狀開始前，因為病毒量少，目前的標準方法較難檢測到。^d本技術亦適合使用於症狀開始後，因為病毒量增多，目前的標準方法可檢測到。

　　本研究之亮點在於運用奈米構型表面分析出病毒外(包)膜之特殊蛋白質結構中的羧基(carboxylate)與醯胺基(amide)，進而快速篩檢出COVID-19病毒或其是否變異。其定性辨別能力期在一分鐘以內完成；建立特殊光譜資料庫後，更能達到病毒診斷的高辨別率。為了爭取應用層面的最大效益，廖教授團隊的目標在設計並建立一個可移動到目的地的移動式快篩站(如圖四)，並將裝置交付到目的地以在需要時提供服務，或是緊急建置快篩設施。因此，已對相關裝置進行模組規劃。

圖4：(a)移動式快篩站；(b)通過整合快篩區域、光譜分析區域及移動路線，移動式篩選站概念如圖所示。(美國專利臨時申請案號：63/048,213)

　　隨著新冠病毒疫情全球蔓延，世界各國都擔心境外移入帶來的威脅；若能在國際機場或港口、大型活動場所等建置快篩模組或移動式快篩站以就近支援，應可緩解人與人之間的接觸風險並增加相互信任。因應這些挑戰，在過去三個月以來已獲成大醫學院及醫院實驗室的協助，亦有企業有合作意向，正朝著早期投資，試量產和專利共享的方向發展。本技術也正接受醫藥品查驗中心的COVID-19專案諮詢輔導。此外，亦與來自歐盟和英國的專家致信討論本技術的特性，他們贊同並大力支持這項研究，並希望能保持聯繫。越南河內的廠商擬向政府申請資金，引進此技術或所開發的產品。整體而言，儘管本技術目前仍需投入時間及經費來開發，但著眼於未來對於快篩COVID-19或其它新生的病毒，仍具有維護國民健康及經濟活動等的長期策略效益。