科研資訊

我國科學家開發出“微型光電探針”可無線監測深層腦組織含氧量

清華大學、首都醫科大學宣武醫院、北京理工大學等國內多家單位研究人員，經過幾年研究，開發出一種直徑為300 μm 左右的植入式微型光電探針，在自由活動的動物深層腦組織中實現了無線、連續、實時、精準的腦組織氧分壓監測，為深入探索腦組織中的氧氣濃度變化與神經活動和腦疾病狀態的關系提供了有效工具。該成果2024 年1 月24 日在線發表于國際學術期刊《自然·光子學》上。

研究團隊通過設計制備微型薄膜式發光二極管（LED）和光電探測器，結合對氧氣敏感的磷光涂層，加工成高度集成的植入式微型光電探針。“探針所發出的磷光信號對氧氣具有高度敏感性，光強隨氧分壓的增加而減小，腦組織缺氧時會發強光，因此可通過光信號的強弱來測出氧氣濃度，且探針響應時間小于1 s，便于實現動態響應。”論文通信作者之一、清華大學電子工程系副教授盛興說。

此外，研究團隊還開發了微型柔性電路用于無線能量與信號傳輸，配合微型光電探針，實現全植入式的光電氧分壓傳感系統。

研究人員通過微創方式將探針植入嚙齒類動物（小鼠等）腦部，實現了對動物深部腦區的氧分壓無線動態監測，探究腦組織氧分壓的變化規律。在電刺激小鼠海馬腦區誘導癲癇的模型中，也測得癲癇放電后海馬、皮層等不同腦區顯著的乏氧狀態；同步監測癲癇過程中的神經電活動與局部組織氧分壓變化，探索氧氣在腦神經異常活動過程中的作用與機理。

這種新的無線腦組織氧分壓監測的工具和方法具有便捷、精準、實時等優勢，未來有望為患有癲癇、腦腫瘤、腦卒中、顱內創傷等疾病的患者提供健康監護管理。

中科院大連化物所全海深11 000 m 級原位熒光傳感器海試成功

由中國科學院大連化學物理研究所儀器分析化學研究室微型分析儀器研究組研究員耿旭輝、關亞風團隊研制的單/雙通道全海深11 000 m 級原位微生物、有色溶解有機物（CDOM）和葉綠素熒光傳感器，于2023 年10 月28 日至2024 年1 月12 日在“探索一號”菲律賓海公海科考航次中，搭載中國科學院深海科學與工程研究所的深淵原位科學實驗站，在菲律賓海溝開展海試，先后進行了5 次海底試驗，最大潛深7 731 m，測量到了從海平面到海底整個剖面的微生物（色氨酸）、CDOM和葉綠素a 的濃度，與類似海域報道的剖面數據接近，并測到了該海域特有的“雙峰”現象。

此外，兩個傳感器在5 568 m 海底連續停留51 天零7 小時，均工作正常，獲得了有效數據，表明系列全海深11 000 m 級原位熒光傳感器具有優良的長期連續在極端深度深海海底工作穩定性。傳感器已通過110 MPa 耐壓第三方測試。

英國科學家開發機器人能以人類兩倍的速度閱讀盲文

近日，英國劍橋大學研究人員開發了一種機器人傳感器，結合人工智能技術，它可以接近人類讀者兩倍的速度閱讀盲文。這一機器人原本并不是作為盲人輔助技術而開發的，但其高靈敏度使它成為開發機器手或假肢的理想模型。它的靈敏度甚至與人類指尖相當。研究結果發表在新一期《IEEE 機器人與自動化快報》雜志上。

研究人員創造了一種在“指尖”裝有攝像頭的機器人傳感器。考慮到傳感器的滑動動作會導致運動模糊，團隊開發了機器學習算法，以便機器人閱讀器能夠在傳感器嘗試識別字母之前對圖像進行“去模糊”。他們在一組應用了假模糊的清晰盲文圖像上訓練了算法。在算法學會對字母進行去模糊處理后，他們使用計算機視覺模型來檢測和分類每個字符。

一旦算法被合并，研究人員沿著一排盲文字符快速滑動閱讀器進行測試。機器人盲文閱讀器可以每分鐘315 個單詞的速度閱讀，準確度為87%，比人類盲文閱讀快兩倍，準確度也相近。

美、印科學家開發3D 打印電子皮膚具彎曲和感知能力

美國和印度科學家攜手，利用具有可調諧電子和熱生物傳感能力的納米工程水凝膠，借助3D 打印技術，開發出一種新型電子皮膚。新皮膚可像人類皮膚一樣彎曲、拉伸，并具有感知能力，有望應用于機器人、假肢、可穿戴設備、運動和健身、安全系統和人機交互等領域。相關研究論文發表于最新一期《先進功能材料》雜志。

人類皮膚是大腦與外界連接的“橋梁”，通過觸摸、溫度和壓力為人體提供豐富的反饋。而電子皮膚未來有望應用于多個領域，比如，持續監測用戶的運動、體溫、心率和血壓等生命體征的可穿戴設備。

最新研究負責人、得克薩斯農工大學生物醫學工程系教授阿希列什·賈哈沃指出，為創建電子皮膚，必須開發出耐用材料。這些材料應兼具模仿人類皮膚的靈活性，包含生物電傳感能力，以及采用適合可穿戴或植入式設備的制造技術。為此，他們開發出了一種納米工程水凝膠。

研究人員利用二硫化鉬納米中的“原子缺陷”，使其能實現高導電性。這些專門設計的二硫化鉬納米顆粒充當交聯劑，形成水凝膠，并賦予電子皮膚導電性和導熱性。

研究人員在基于水凝膠的系統內引入了“三重交聯”策略。水凝膠更容易處理和操作，解決了3D 打印技術開發電子皮膚遇到的一些問題，有助構建復雜的2D 和3D 電子結構。水凝膠也讓新電子皮膚能更好地順應并黏附在動態、潮濕的生物表面上，而這對醫療保健尤為重要。

謝里夫理工大學研制出用于檢測濕度水平和監測乙醇變化的自供電呼氣傳感器

伊朗謝里夫理工大學的研究人員使用靜電紡絲法合成的聚環氧乙烷/氧化亞銅復合納米纖維（PCNF）作為傳感材料，在呼氣模擬器環境中測量乙醇濃度（1×10-6～200×10-6），并利用集成的接觸分離式摩擦納米發電機（TENG）為自供電的PCNF 呼氣傳感器供電。在相對濕度90% RH 且存在干擾氣體的情況下，基于PCNF 的氣體傳感器檢測5×10-6和200×10-6 乙醇的響應值分別為0.9 和3.2，顯示出良好的結果。這種自供電的呼氣傳感器能夠持續監測肺癌癥狀，并有助于檢查是否符合法定飲酒限制。2024 年1 月18 日，相關研究成果以“Self-powered triboelectric nanogenerator sensor for detecting humidity level and monitoring ethanol variation in a simulated exhalation environment” 為 題 發 表 在Scientific Reports期刊上。

用于為呼氣傳感器供電的集成接觸分離式摩擦納米發電機（CS-TENG）由FTO 玻璃和Kapton 組成，其后面有鋁帶作為背接觸層。集成TENG 供電傳感器的示意圖如下所示。研究人員預測所開發的自供電濕度傳感器與FTO/Kapton TENG 相結合，將在各種頻率下工作，而傳感器的輸出結果不會發生顯著變化。

研究人員在3 種不同的環境中評估了所開發傳感器的性能：高濕度、干燥空氣中的純乙醇蒸汽和90% RH 下不同濃度的乙醇蒸汽（模擬呼出氣體）。通過分析PCNF 和PNF 傳感器在上述環境下電阻的變化來評估傳感信號。與PNF 傳感器相比，PCNF 傳感器在所有測試環境中都表現出優異且一致的傳感信號和響應水平，這主要是由于同時利用了親水性聚環氧乙烷納米纖維和氧化亞銅納米顆粒，從而產生了更多的吸收位點。PCNF 傳感器在90%RH、200×10-6純 乙 醇 和90% RH 下200×10-6乙醇中的響應值分別為9.1、2.5 和3.2。

此外，還研究了基于PCNF 的自供電呼氣傳感器在人體呼出氣體傳感環境中的性能，以在實際應用中測試傳感響應值、響應/恢復時間和可重復性。

總而言之，研究人員采用聚環氧乙烷/氧化亞銅復合納米纖維和FTO/Kapton 摩擦納米發電機作為電源，開發了一種自供電呼氣傳感器，用于檢測人體呼出氣體中的乙醇水平。

值得注意的是，基于PCNF 的傳感器表現出顯著的特性，例如一致的輸出信號、持久的穩定性、優異的選擇性和快速的響應/恢復時間。呼氣傳感器通過提供一種非侵入性的快速診斷工具，有可能徹底改變疾病診斷和監測領域。該呼氣傳感器在各種疾病領域的應用仍在探索中，需要進一步研究以了解該技術的潛力。盡管如此，這種呼氣傳感器的發展代表了一個有前途的研究領域，有可能提高疾病診斷和監測的準確性、速度和便利性。