微傳感器里的大夢(mèng)想

全球范圍內(nèi)的流行性傳染病頻發(fā)，迅速準(zhǔn)確地檢測(cè)病原體攜帶是控制疫情蔓延、保障公共健康的重要手段之一。天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院段學(xué)欣團(tuán)隊(duì)率先瞄準(zhǔn)病毒快檢的迫切需求開展攻關(guān)研究。作為團(tuán)隊(duì)骨干成員，薛茜男副教授帶領(lǐng)攻關(guān)小組即刻響應(yīng)，日夜奮戰(zhàn)，發(fā)揮團(tuán)隊(duì)自有技術(shù)專長(zhǎng)，基于生物功能化納米線制備柔性冠狀病毒微傳感器，成功開發(fā)了可用于呼出氣中冠狀病毒快檢的無線智能口罩。這款口罩重量?jī)H7.6g，體積微小的柔性傳感器隱于其中，佩戴它時(shí)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)呼出氣中冠狀病毒的含量，并無線預(yù)警冠狀病毒的感染情況，它適用于居家、鄉(xiāng)村醫(yī)療及對(duì)大量人群中病原體攜帶的快篩應(yīng)用場(chǎng)景。研究成果被《生物傳感器與生物電子學(xué)》（Biosensors amp; Bioelectronics）期刊收錄于2022年新冠肺炎生物傳感技術(shù)特輯中，這也是世界首例直接用于呼出氣冠狀病毒檢測(cè)的智能口罩的報(bào)道，一經(jīng)發(fā)表受到學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注，并先后被《科技日?qǐng)?bào)》《健康報(bào)》等多家媒體報(bào)道。

薛茜男坦言，智能口罩的成功研發(fā)，來自于對(duì)生化微傳感器研究多年的積累。從參與開發(fā)國(guó)內(nèi)首款糖化血紅蛋白手持式儀表到應(yīng)急現(xiàn)場(chǎng)血鉀微傳感器完成第三方評(píng)估，從與行業(yè)合作成功完成非接觸管道油質(zhì)監(jiān)測(cè)貼片到創(chuàng)先提出柔性穿戴微波生物傳感芯片，從開發(fā)國(guó)際首款氣溶膠冠狀病毒智能口罩到開展環(huán)境病原體檢測(cè)，在生化微傳感器研究上薛茜男經(jīng)歷了一路向上的成長(zhǎng)。讓成果落地開花，走向社會(huì)、服務(wù)大眾，是薛茜男的科研目標(biāo)，為此，她愿一次次奔赴科研的星辰大海。

找尋科研興趣點(diǎn)

十余年間，我國(guó)微傳感器技術(shù)領(lǐng)域發(fā)生的飛速變化，薛茜男從自己的視角也捕捉到一些片段。“我在讀研究生時(shí)，國(guó)內(nèi)學(xué)者很少能有機(jī)會(huì)在傳感器領(lǐng)域的國(guó)際盛會(huì)報(bào)告自己的成果。近10年來，我們?cè)陧敃?huì)上發(fā)表成果已不是稀奇的事情，參會(huì)也成了博士生畢業(yè)的必備條件，而且參會(huì)的感受也不一樣了，中國(guó)人多了，講自己的東西更自信了。更激勵(lì)人心的是，十多年前我們把傳感器國(guó)際大會(huì)開在了中國(guó)，我的導(dǎo)師夏善紅研究員就是大會(huì)主席，我有幸做了志愿者，當(dāng)時(shí)非常驕傲，這正是國(guó)內(nèi)傳感器領(lǐng)域發(fā)展歷史中的一個(gè)標(biāo)志性事件?！?/p>

薛茜男就是在微傳感器技術(shù)發(fā)展勢(shì)頭逐日高漲的背景下，一步步找到了自己的科研方向，并在每個(gè)科研節(jié)點(diǎn)上留下了自己扎實(shí)的腳印。

薛茜男本科在天津醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)求學(xué)，這是一個(gè)偏多接觸醫(yī)療儀器的專業(yè)方向，在跟隨老師做課題時(shí)，她發(fā)現(xiàn)電子類的知識(shí)會(huì)更多被用到，而且自己也比較擅長(zhǎng)。因?qū)﹄娮痈信d趣，決定讀研究生時(shí)她報(bào)考了中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所，在傳感技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室碩博連讀，由此開啟了她在微傳感器研究領(lǐng)域的科研之路。

傳感技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室是我國(guó)傳感技術(shù)領(lǐng)域最早建立的國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室之一，也是較早開展微傳感器研究的科研機(jī)構(gòu)。在我國(guó)微傳感技術(shù)領(lǐng)域基礎(chǔ)應(yīng)用研究上發(fā)揮引領(lǐng)骨干作用的實(shí)驗(yàn)室求學(xué)，薛茜男獲得了迅速成長(zhǎng)，也在參與科研實(shí)踐中，結(jié)合自己的專長(zhǎng)找尋科研興趣點(diǎn)。

有之前在醫(yī)療儀器上的知識(shí)積累，薛茜男感到在此方向微傳感器有很大的應(yīng)用潛力，也由此確定了她后來偏生化的方向，關(guān)注健康檢測(cè)、疾病診斷、環(huán)境病原體檢測(cè)的科研側(cè)重點(diǎn)。

開發(fā)國(guó)內(nèi)首款糖化血紅蛋白手持式儀表，是薛茜男博士畢業(yè)課題的一部分，是她跟隨導(dǎo)師做的第一個(gè)關(guān)于生化微傳感器的課題，也是她的入門課題。課題組中邊超研究員是她初入科研的引路人，而導(dǎo)師夏善紅嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲凶黠L(fēng)和老一代科學(xué)家的工作熱情深刻激發(fā)了她投身科研的興趣與信心。工作后薛茜男承擔(dān)的第一個(gè)項(xiàng)目，因與管道油質(zhì)監(jiān)測(cè)相關(guān)，則讓聚焦健康監(jiān)測(cè)的她，獲得了在其他方向做生化微監(jiān)測(cè)的不同體驗(yàn)?！叭魏握n題的突破，其實(shí)都是鋪墊已久的結(jié)果，有所進(jìn)展才能被領(lǐng)域關(guān)注，獲得大家的認(rèn)可，繼而支持研究再深入地做下去，如此推動(dòng)科研不斷向前，這是一個(gè)很激勵(lì)人的過程?！痹谝淮未斡瓚?zhàn)難題的過程中，薛茜男也深深了解了厚積薄發(fā)、步履不停對(duì)科研的意義。

成功開發(fā)智能口罩

所有經(jīng)歷，都是成長(zhǎng)，從不同經(jīng)歷中薛茜男汲取到了不同的養(yǎng)分，也獲得了不一樣的視野。

博士畢業(yè)后，在中國(guó)民航大學(xué)適航學(xué)院開始的第一份工作，培養(yǎng)了薛茜男對(duì)民航領(lǐng)域問題的敏銳度，因?yàn)閷?duì)一些問題有不同的感受，繼而引出她后來針對(duì)這些問題的課題攻關(guān)。而后來到天津大學(xué)工作，精密測(cè)試技術(shù)與儀器全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為她提供的一流硬件支持和前輩對(duì)她的引領(lǐng)，又成為薛茜男解決問題的堅(jiān)實(shí)后盾。

薛茜男坦言，在科研中，看似是一個(gè)問題的解決，但同時(shí)這也為更多問題的解決提供了鑰匙。團(tuán)隊(duì)用納米軟刻蝕技術(shù)制備生物納米陣列傳感器的成功實(shí)現(xiàn)，就是一個(gè)這樣的例子。

用納米軟刻蝕技術(shù)制備生物納米陣列傳感器是針對(duì)微傳感器尺寸小、信號(hào)弱難題提出的解決方案。薛茜男介紹：“我們平常用的溫度計(jì)或者傳感探頭，它們的直徑至少是在厘米級(jí)范圍內(nèi)，將它們變成微米級(jí)尺寸，傳感器的性能如果不進(jìn)行相應(yīng)提高，那么它接收信號(hào)的能力會(huì)變?nèi)?。為提高接收信?hào)的能力，我們想到的辦法是在傳感器的敏感端用納米技術(shù)做增強(qiáng)。原來的傳感器單純就是一個(gè)平面，而納米顆粒本身是一個(gè)球體，在一個(gè)平面上加一個(gè)納米顆粒，就實(shí)現(xiàn)了傳感器信號(hào)接收端表面積的指數(shù)倍增加。因?yàn)槲覀円獧z測(cè)的是病原體，考慮到與病原體的尺寸匹配，就進(jìn)一步做出了納米陣列傳感器，像用漁網(wǎng)捕魚，細(xì)密的漁網(wǎng)能捕到小魚，根據(jù)目標(biāo)病原體的大小，調(diào)整納米陣列的間距，病原體就很容易被抓到?！?/p>

設(shè)計(jì)傳感界面底層結(jié)構(gòu)，調(diào)控納米粒子親疏水性，制備均勻分散納米超靈敏傳感界面，異質(zhì)集成微系統(tǒng)、微電極，薛茜男及其團(tuán)隊(duì)在納米軟刻蝕技術(shù)制備生物納米陣列傳感器實(shí)現(xiàn)高度準(zhǔn)直的生物分子有序排列，蛋白指標(biāo)檢測(cè)下限達(dá)到aM量級(jí)［aM量級(jí)即阿托米（attomolar）量級(jí)，是一個(gè)極小的濃度單位，用于表示非常低濃度的物質(zhì)］。成果先后發(fā)表在《生物傳感器與生物電子學(xué)》（Biosensors amp; Bioelectronics）、《納米級(jí)視野》（Nanoscale Horizons）、《先進(jìn)材料界面》（Advanced Materials Interfaces）等高水平期刊上。

納米軟刻蝕技術(shù)制備生物納米陣列傳感器取得成功時(shí)，薛茜男沒想到這會(huì)為一款口罩的研發(fā)做了準(zhǔn)備。新型冠狀病毒疫情開始后，一時(shí)間大街小巷人人以口罩護(hù)面，害怕被病毒感染。進(jìn)入機(jī)場(chǎng)、醫(yī)院等重要公共場(chǎng)所，也須持有核酸檢測(cè)報(bào)告，以證明未被病毒感染。提起病毒人人小心翼翼，花費(fèi)大量時(shí)間做檢測(cè)，給生活、工作帶來諸多不便。

將社會(huì)現(xiàn)實(shí)與自身科研情況結(jié)合，薛茜男和團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人段學(xué)欣將研發(fā)智能穿戴口罩的想法拿出來討論，并決定做相關(guān)探索?！皞鞲衅魑覀円呀?jīng)做到芯片級(jí)，但兼容到口罩，為了佩戴舒適，我們首先考慮的是如何將芯片做柔性處理，這個(gè)問題的解決讓我們邁出了研發(fā)智能口罩的第一步，此后又繼續(xù)做了進(jìn)一步推進(jìn)。”薛茜男說。

薛茜男攻關(guān)小組設(shè)計(jì)并開發(fā)的這款集成微納傳感器的智能口罩，針對(duì)呼出氣中病毒含量低的問題，通過底層分子及器件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)有效提高了傳感器對(duì)納米尺度病毒顆粒物的捕獲效率。針對(duì)人體呼出氣的復(fù)雜性和口罩結(jié)構(gòu)的特殊性，傳感器采用三明治結(jié)構(gòu)的柔性封裝技術(shù)，外層采用親水多孔材料，有效防止?jié)穸燃昂舫鰵庵衅渌w粒物的干擾，同時(shí)可以起到富集病毒抗原的作用。傳感器采用免疫傳感的原理，捕獲的病毒抗原可以引起傳感器的阻抗信號(hào)改變。在核心器件基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步開發(fā)了包括A/D轉(zhuǎn)換器、運(yùn)算放大器和無線傳輸單元在內(nèi)的小型阻抗電路。通過集成的電學(xué)系統(tǒng)，檢測(cè)結(jié)果可以實(shí)時(shí)無線地傳輸?shù)街悄苁謾C(jī)App上，直觀顯示病毒檢測(cè)結(jié)果。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這款智能口罩可以在短短5分鐘內(nèi)分辨出霧化樣本中的冠狀病毒氣溶膠模擬物，對(duì)照同樣大小腺病毒的檢測(cè)結(jié)果，傳感器顯示出對(duì)冠狀病毒較好的選擇性。另外，傳感器中的納米線陣列通過納米印刷方式制造，具備低成本和可大規(guī)模制造的潛力?？紤]到納米線傳感器尺寸小、響應(yīng)快速及超低功耗等特點(diǎn)，這款小型阻抗病毒氣溶膠傳感器具有直觀、安全、簡(jiǎn)單、非侵入性、適用于廣泛的人群、易于儲(chǔ)存且價(jià)格低廉等優(yōu)勢(shì)。這款智能口罩可廣泛用于機(jī)場(chǎng)、海關(guān)、醫(yī)院等對(duì)潛在的病毒感染者的快速篩查，無線通信系統(tǒng)使口罩佩戴者或管理員能夠通過手機(jī)、平板電腦等智能終端安全地獲取信息，快速做出決策。若檢測(cè)結(jié)果呈陽性，佩戴者可進(jìn)一步檢查以確認(rèn)是否感染。

“使用這款智能口罩不需要訓(xùn)練有素的醫(yī)務(wù)人員，可以在任何時(shí)間段及任何地方進(jìn)行，檢測(cè)病毒的同時(shí)也防止其通過氣溶膠傳播?？乖瓩z測(cè)裝置不依賴于靶點(diǎn)擴(kuò)增，可實(shí)現(xiàn)快速、方便地篩選大量攜帶冠狀病毒的人群，特別是可以解決因大量疑似病例涌入而造成的醫(yī)療資源飽和的問題?！?/p>

薛茜男介紹，為開發(fā)呼出氣新冠病毒快速檢測(cè)智能口罩，從2020年起，團(tuán)隊(duì)就持續(xù)地與一些機(jī)構(gòu)開展合作，也獲得了一些項(xiàng)目的支持。在廣東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目支持下，團(tuán)隊(duì)與廣州賽特、疾控中心及當(dāng)?shù)蒯t(yī)院合作進(jìn)行批量臨床測(cè)試，在隔離病房中病患500人次配合穿戴測(cè)試準(zhǔn)確度達(dá)94%?！皩?shí)驗(yàn)充分從技術(shù)上論證了研發(fā)成果的可行性。在病原體流行的大背景下，我們的技術(shù)可推廣用于大量人群的病毒攜帶初篩，因?yàn)樽鳛橐豢钔ㄓ玫臋z測(cè)裝置，我們的裝置可以通過更換不同的抗體實(shí)現(xiàn)對(duì)呼出氣中其他病原體的檢測(cè)，縮短確診周期，提高被試人員舒適性，在控制大流行病方面有著很重要的意義。我們也正在推進(jìn)更廣泛的流行病毒快檢穿戴智能裝置的開發(fā)，甚至我們還將研究延伸到了環(huán)境病原體的檢測(cè)中?！毖缒姓f。

科研讓生活更便捷

疫情期間，往返各個(gè)國(guó)家和城市變得非常困難，薛茜男坦言，研發(fā)智能口罩的初衷是為了方便旅客出行，但口罩只是一個(gè)載體，可穿戴的便攜式檢測(cè)，用其他形式亦可實(shí)現(xiàn)。在做相關(guān)科研布局時(shí)，國(guó)家自然科學(xué)基金民航聯(lián)合研究基金發(fā)布了指南，薛茜男團(tuán)隊(duì)關(guān)注到其中有一條與民航機(jī)艙環(huán)境公共衛(wèi)生安全有關(guān)。

這個(gè)項(xiàng)目是針對(duì)病原體傳播在民航公共衛(wèi)生突發(fā)事件應(yīng)急中的快檢快篩技術(shù)研究。因之前的工作經(jīng)歷，薛茜男對(duì)民航領(lǐng)域的情況有所了解，團(tuán)隊(duì)在病原體檢測(cè)上也有積累，而且也一直與民航領(lǐng)域的科研團(tuán)隊(duì)有合作，于是聯(lián)合申請(qǐng)了這個(gè)項(xiàng)目。

“實(shí)現(xiàn)病原體在機(jī)艙環(huán)境中的快檢快篩并非易事，機(jī)艙里有很多其他指標(biāo)的反饋，除了病原體，還有溫濕度、氣體質(zhì)量、水的濁度等，這些因素?fù)诫s進(jìn)來讓問題變得很復(fù)雜。好在，對(duì)每一個(gè)研究點(diǎn)，我們前期都有積累，而且有民航領(lǐng)域?qū)＜覅⑴c進(jìn)來，我們的合作能更好地去解決難題。”薛茜男說。把問題細(xì)化，做分工，大家各自推進(jìn)自己負(fù)責(zé)的部分，目前項(xiàng)目在按計(jì)劃穩(wěn)步開展中。

科研無坦途，但回顧自己的科研路，薛茜男坦言，她似乎沒遇到過太棘手的問題?！叭瞬豢赡芤幌伦泳团噬峡蒲械捻敺?，是在攀登的過程中，對(duì)這個(gè)領(lǐng)域有了足夠的了解，越了解，就越能夠?yàn)樽约涸O(shè)定切合實(shí)際的目標(biāo)，我一直都是穩(wěn)中求進(jìn)。很感謝我遇到的恩師、前輩、領(lǐng)導(dǎo)，他們是我的良師益友，在科研路上是他們?yōu)槲抑敢朔较颉！毖缒姓f。

薛茜男喜歡大學(xué)里自由開放的氛圍，科研外，她也承擔(dān)了教學(xué)任務(wù)，為學(xué)生教授“傳感器”等學(xué)科專業(yè)課程。能教授自己擅長(zhǎng)的課程，她感到很幸運(yùn)。她喜歡站在講臺(tái)上與同學(xué)們分享自己在科研上多年的積累，愿意用自己的熱情感染學(xué)生。學(xué)生們喜歡她的課堂，讓薛茜男覺得很有成就感。

談起未來的科研計(jì)劃，薛茜男認(rèn)為生化微傳感器研究，是一個(gè)極具探索潛能的大課題。她說：“手持式儀表，可以快速進(jìn)行疾病診斷；智能牙套，可用來做唾液的監(jiān)測(cè)；貼膚裝置，可以做汗液檢測(cè)。在傳感技術(shù)研究上，我們面對(duì)著同樣的難題，但要開發(fā)成不同的形貌，可能需要解決的問題類型又有所不同。但最終的目標(biāo)，還是希望我們開發(fā)的東西真正能被用到，真正能為生活帶來便捷。”

專家簡(jiǎn)介

孫瑩，香港科技大學(xué)（廣州）人工智能學(xué)域助理教授，2017年本科畢業(yè)于北京理工大學(xué)，2022年畢業(yè)于中國(guó)科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所。主要從事的研究方向?yàn)榭山忉屓斯ぶ悄?、?shù)據(jù)挖掘及其在社會(huì)科學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域的交叉應(yīng)用。近5年來，孫瑩在《自然·通訊》（Nature Communications）、《自然·城市》（Nature Cities）、《IEEE知識(shí)與數(shù)據(jù)工程匯刊》（IEEE Transactions on Knowledge and Data Engineering）、《ACM智能系統(tǒng)與技術(shù)匯刊》（ACM Transactions on Intelligent Systems and Technology）及“ACM SIGKDD知識(shí)發(fā)現(xiàn)與數(shù)據(jù)挖掘會(huì)議”（ACM SIGKDD Conference on Knowledge Discovery and Data Mining）等學(xué)術(shù)期刊和會(huì)議發(fā)表論文30余篇，并申請(qǐng)國(guó)內(nèi)外專利十余項(xiàng)，多項(xiàng)科研成果實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品應(yīng)用轉(zhuǎn)化，被《中國(guó)日?qǐng)?bào)》、光明網(wǎng)等權(quán)威媒體廣泛報(bào)道。另外，她曾獲中國(guó)計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)（CCF）博士學(xué)位論文激勵(lì)計(jì)劃，中國(guó)科學(xué)院朱李月華獎(jiǎng)，華為最佳創(chuàng)新合作獎(jiǎng)、火花獎(jiǎng)，百度獎(jiǎng)學(xué)金全球20強(qiáng)，3次國(guó)家獎(jiǎng)學(xué)金，國(guó)際大學(xué)生程序設(shè)計(jì)競(jìng)賽（ACM-ICPC）亞洲區(qū)域賽季軍、世界總決賽入圍等榮譽(yù)。