KTU mokslininkas Šarūnas Meškinis: kaip greitai aptikti virusą arba fizikiniai prietaisai koronaviruso nustatymui

Šarūnas Meškinis yra Kauno technologijos universiteto Medžiagų mokslo instituto Vakuuminių ir plazminių procesų mokslo laboratorijos vadovas

Susidūrus su virusų ar bakterijų sukeltomis epidemijomis viena pagrindinių problemų yra ligos plitimo stabdymas laiku nustatant užsikrėtusius asmenis. Kuo greičiau ir paprasčiau tai galima padaryti, tuo geriau. Todėl jutikliai – prietaisai, kurių matuojamas fizikinis (pvz., temperatūra, įtampa, srovė) dydis keičiasi aplinkoje esant, tarkime, koronaviruso, tokiais atvejais yra nepamainomi.

Ne išimtis ir dabartinė karūninio viruso COVID-19 pandemija. Visi girdime apie cheminius testus skirtus nustatyti užsikrėtimo šia liga faktą, tačiau čia plačiai naudojami ir įvairūs jutikliai bei fizikinės matavimo sistemos.

Kaip veikia nekontaktinis termometras

Visų pirma būtina paminėti nekontaktinius termometrus. Daugumas mūsų prasidėjus epidemijai nebuvo oro uostuose. Tačiau, įeinant į kai kurias parodas ar kitus patalpose vykusius masinius renginius (kol dar jie nebuvo atšaukti), daugeliui buvo matuota temperatūra prietaisu panašiu į pistoletą.

Nekontaktiniai termometrai, o taip pat ir oro uostuose kartais naudojami daug didesni ir tikslesni termovizoriai žmogaus kūno temperatūrą matuoja netiesiogiai. Registruojamas kūnų šiluminis spinduliavimas. Turbūt daug kam įdomu kaip tai vyksta?

Kaitrinėje lempoje volframinis siūlelis įkaista iki kelių tūkstančių ^oC temperatūros, todėl mes regime kaitrinės lemputės skleidžiamą šviesa. Žmogaus kūno temperatūra yra 36-40^oC ir jis spinduliuoja mūsų akiai nematomą, didesnio bangos ilgio šviesą, vadinama infraraudonąja spinduliuote.

Būtent ją galima stebėti naktinio matymo prietaisais, kurių vaizdus, manau, visi matė bent jau kino filmuose. Šią nematomą žmogaus akiai šviesą registruoja nekontaktinis termometras (termovizorius, naktinio matymo prietaisas), sugerdamas infraraudonuosius spindulius ir paversdamas juos elektriniu signalu.

Paprasčiausi jutikliai, naudojami nekontaktiniuose termometruose, yra termoporos – dviejų vielų, pagamintų iš specialiai parinktų metalų lydinių, taškiniai kontaktai. Reaguojant į sugertą infraraudonąją spinduliuotę keičiasi jų varža.

Sudėtingiausi ir, kartu tiksliausi iš naudojamų jutiklių yra specialios konstrukcijos diodai bei tranzistoriai, kurių charakteristikos keičiasi apšvietus infraraudonąja spinduliuote (paprastai matuojamas srovės padidėjimas).

Ar tai efektyvu?

Kiek efektyvi tokia kontrolė? Apie tai ginčijasi ne tik ją patyrę bei kai kuriais atvejais turėję problemų žmonės, kurių interesai toli nuo šiuolaikinio mokslo problemų.

Ginčai vyksta ir tarp mokslininkų. Neseniai viename iš labiausiai prestižinių tarpdisciplininių mokslo žurnalų „Science“ buvo paskelbti net du straipsniai šia tema. Juose, daugiausia remiantis Ebola ir SARS virusų epidemijų prevencijos patirtimi, teigta, kad nekontaktinis temperatūros matavimas oro uostuose padėjo identifikuoti tik dalį infekuotų asmenų.

Daugelis jų netrukdomi praeidavo šią kontrolę. Be to, matuojant temperatūrą nekontaktiniu būdu, matuojama kūno odos temperatūra, kuri gali būti tiek aukštesnė tiek ir žemesnė už tikrąją žmogaus kūno temperatūrą. Todėl kai kurie žmonės (taip pat ir Lietuvoje) susidūrė ir su netikrais aliarmais. Jeigu keleiviai naudojo karštį mažinančius vaistus, jie taip pat galėjo sėkmingai praeiti tokią kontrolę. Pagaliau jeigu ligos simptomai dar nepasireiškė, nekontaktinis kūno temperatūros matavimas irgi nepadės.

Britų mokslininkai pabandė įvertinti nekontaktinio temperatūros matavimo efektyvumą identifikuojant COVID-19 virusu užsikrėtusius žmones, keliaujančius lėktuvais. Pasirodė, kad tokia kontrolė gali aptikti 53% sergančių keleivių. Pagrindinė problema – COVID-19 asmenys, kurių liga dar yra inkubaciniame periode.

Tad nekontaktinis temperatūros matavimas oro uostuose negali sustabdyti COVID-19 sergančių patekimo į šalį (arba orlaivį). Tačiau tai yra priemonė, kuri leidžia gana paprastai ir greitai nustatyti pusę sergančiųjų, tad taip galima sulėtinti epidemijos plitimą.

Kaip matome, nekontaktinis temperatūros matavimas yra tik dalinė priemonė. Tačiau skubiai ieškoma efektyvesnių būdų. Užsikrėtęs COVID-19 virusu žmogus gali užkrėsti kitus pats visai nejausdamas jokių ligos simptomų.

Reaguotų į virusus ore

Atsižvelgdami į tai, Misūrio mokslo ir technologijų universiteto (Missouri S&T) mokslininkai bando problemą spręsti iš esmės. Jie kuria matavimo sistemą, kuri reaguotų į ore esančius virusus. Kitaip tariant, jie naudoja elektroninės nosies principą. Elektroninė nosis yra sudaryta iš daugelio jutiklių, kurių matuojamas fizikinis dydis keičiasi ant jutiklio aktyvaus sluoksnio (arba į patį sluoksnį) patekus tam tikrų dujų atomams arba biologinėms molekulėms.

Jų kuriamą prietaisą planuojama naudoti oro uostuose, integruojant į bendrą keleivių patikros sistemą. Tai ištisa matavimo sistema susidedant iš dviejų dalių. Pirmoji jų, padedanti atsirinkti visus galimai COVID-19 užsikrėtusius keleivius, yra palyginti paprastas prietaisas, susidedantis iš į šviesolaidį patalpintų dviejų veidrodžių.

Mikrobangų dažnis, kuriam esant atspindys nuo tokios sistemos bus maksimalus, priklauso nuo atstumo tarp veidrodžių ir nuo medžiagos esančios tarp tų veidrodžių savybių. Keleivis iškvepia per burną į specialų vamzdį, kuriame patalpintas minėtas šviesolaidinis jutiklis. Tarp veidrodžių patekus kartu su oru iškvėptiems skysčio lašeliams, keisis mikrobangų rezonansinis dažnis – dažnis kai stebimas maksimalus atspindys. Pagal šiuos pokyčius bus nustatyti įtartini atvejai. Toliau įtartiems keleiviams reikės dar kartą išvėpti ir kartu su oru iškvėpti skysčio lašeliai bus analizuojami sudėtingesniu prietaisu – masių spektrometru.

Spektrometre mėginiai suskaidomi į atskirus atomus bei molekules ir jonizuojami. Tada matuojama jonų masė ir pagal šiuos matavimus greitai gaunama informacija apie bandinio sudėtį.

Tikimasi, kad Missouri S&T universiteto mokslininkų kuriamas prietaisas gebės identifikuoti visus sergančius COVID-19 asmenis. Tačiau tai bus didelis, brangus ir sudėtingas įrenginys.

Sukurtos elektrinės nosys

Kitiems virusams aptikti yra sukurtos daug mažesnės elektroninės nosys. Tarkime, Teksaso universiteto Arlingtone ir Niujorko valstijos universiteto mokslininkų sukurtas nešiojamas gripo viruso detektorius. Čia patį jutiklį sudaro trys labai maži volframo oksido elementai, kurių varža kinta saveikaujant su atitinkamų dujų molekulėmis. Virusas registruojamas netiesiogiai.

Matuojama kai kurių organinių medžiagų, kurių kiekis žmogaus organizme padidėja sergant gripui, koncentracija iškvėptame ore. Žmonės užsikrėtę gripo virusu nustatomi pagal padidėjusią šių medžiagų koncentraciją.

Mokslinių tyrimų intensyvumą vienoje ar kitoje srityje labai didina itin aktualios problemos atsiradimas. Šiuo metu tokia itin aktuali problema yra karūninio viruso COVID-19 pandemija. Tad šalia šiai ligai gydyti skirtų vaistų bei skiepų galima tikėtis ir greito naujų diagnostinių prietaisų atsiradimo.