微傳感器里的大夢想

全球范圍內的流行性傳染病頻發，迅速準確地檢測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。天津大學精密儀器與光電子工程學院段學欣團隊率先瞄準病毒快檢的迫切需求開展攻關研究。作為團隊骨干成員，薛茜男副教授帶領攻關小組即刻響應，日夜奮戰，發揮團隊自有技術專長，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。這款口罩重量僅7.6g，體積微小的柔性傳感器隱于其中，佩戴它時可實時監測呼出氣中冠狀病毒的含量，并無線預警冠狀病毒的感染情況，它適用于居家、鄉村醫療及對大量人群中病原體攜帶的快篩應用場景。研究成果被《生物傳感器與生物電子學》（Biosensors amp; Bioelectronics）期刊收錄于2022年新冠肺炎生物傳感技術特輯中，這也是世界首例直接用于呼出氣冠狀病毒檢測的智能口罩的報道，一經發表受到學術界和產業界的廣泛關注，并先后被《科技日報》《健康報》等多家媒體報道。

薛茜男坦言，智能口罩的成功研發，來自于對生化微傳感器研究多年的積累。從參與開發國內首款糖化血紅蛋白手持式儀表到應急現場血鉀微傳感器完成第三方評估，從與行業合作成功完成非接觸管道油質監測貼片到創先提出柔性穿戴微波生物傳感芯片，從開發國際首款氣溶膠冠狀病毒智能口罩到開展環境病原體檢測，在生化微傳感器研究上薛茜男經歷了一路向上的成長。讓成果落地開花，走向社會、服務大眾，是薛茜男的科研目標，為此，她愿一次次奔赴科研的星辰大海。

找尋科研興趣點

十余年間，我國微傳感器技術領域發生的飛速變化，薛茜男從自己的視角也捕捉到一些片段。“我在讀研究生時，國內學者很少能有機會在傳感器領域的國際盛會報告自己的成果。近10年來，我們在頂會上發表成果已不是稀奇的事情，參會也成了博士生畢業的必備條件，而且參會的感受也不一樣了，中國人多了，講自己的東西更自信了。更激勵人心的是，十多年前我們把傳感器國際大會開在了中國，我的導師夏善紅研究員就是大會主席，我有幸做了志愿者，當時非常驕傲，這正是國內傳感器領域發展歷史中的一個標志性事件。”

薛茜男就是在微傳感器技術發展勢頭逐日高漲的背景下，一步步找到了自己的科研方向，并在每個科研節點上留下了自己扎實的腳印。

薛茜男本科在天津醫科大學生物醫學工程專業求學，這是一個偏多接觸醫療儀器的專業方向，在跟隨老師做課題時，她發現電子類的知識會更多被用到，而且自己也比較擅長。因對電子感興趣，決定讀研究生時她報考了中國科學院電子學研究所，在傳感技術國家重點實驗室碩博連讀，由此開啟了她在微傳感器研究領域的科研之路。

傳感技術國家重點實驗室是我國傳感技術領域最早建立的國家重點實驗室之一，也是較早開展微傳感器研究的科研機構。在我國微傳感技術領域基礎應用研究上發揮引領骨干作用的實驗室求學，薛茜男獲得了迅速成長，也在參與科研實踐中，結合自己的專長找尋科研興趣點。

有之前在醫療儀器上的知識積累，薛茜男感到在此方向微傳感器有很大的應用潛力，也由此確定了她后來偏生化的方向，關注健康檢測、疾病診斷、環境病原體檢測的科研側重點。

開發國內首款糖化血紅蛋白手持式儀表，是薛茜男博士畢業課題的一部分，是她跟隨導師做的第一個關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，而導師夏善紅嚴謹的科研作風和老一代科學家的工作熱情深刻激發了她投身科研的興趣與信心。工作后薛茜男承擔的第一個項目，因與管道油質監測相關，則讓聚焦健康監測的她，獲得了在其他方向做生化微監測的不同體驗。“任何課題的突破，其實都是鋪墊已久的結果，有所進展才能被領域關注，獲得大家的認可，繼而支持研究再深入地做下去，如此推動科研不斷向前，這是一個很激勵人的過程。”在一次次迎戰難題的過程中，薛茜男也深深了解了厚積薄發、步履不停對科研的意義。

成功開發智能口罩

所有經歷，都是成長，從不同經歷中薛茜男汲取到了不同的養分，也獲得了不一樣的視野。

博士畢業后，在中國民航大學適航學院開始的第一份工作，培養了薛茜男對民航領域問題的敏銳度，因為對一些問題有不同的感受，繼而引出她后來針對這些問題的課題攻關。而后來到天津大學工作，精密測試技術與儀器全國重點實驗室為她提供的一流硬件支持和前輩對她的引領，又成為薛茜男解決問題的堅實后盾。

薛茜男坦言，在科研中，看似是一個問題的解決，但同時這也為更多問題的解決提供了鑰匙。團隊用納米軟刻蝕技術制備生物納米陣列傳感器的成功實現，就是一個這樣的例子。

用納米軟刻蝕技術制備生物納米陣列傳感器是針對微傳感器尺寸小、信號弱難題提出的解決方案。薛茜男介紹：“我們平常用的溫度計或者傳感探頭，它們的直徑至少是在厘米級范圍內，將它們變成微米級尺寸，傳感器的性能如果不進行相應提高，那么它接收信號的能力會變弱。為提高接收信號的能力，我們想到的辦法是在傳感器的敏感端用納米技術做增強。原來的傳感器單純就是一個平面，而納米顆粒本身是一個球體，在一個平面上加一個納米顆粒，就實現了傳感器信號接收端表面積的指數倍增加。因為我們要檢測的是病原體，考慮到與病原體的尺寸匹配，就進一步做出了納米陣列傳感器，像用漁網捕魚，細密的漁網能捕到小魚，根據目標病原體的大小，調整納米陣列的間距，病原體就很容易被抓到。”

設計傳感界面底層結構，調控納米粒子親疏水性，制備均勻分散納米超靈敏傳感界面，異質集成微系統、微電極，薛茜男及其團隊在納米軟刻蝕技術制備生物納米陣列傳感器實現高度準直的生物分子有序排列，蛋白指標檢測下限達到aM量級［aM量級即阿托米（attomolar）量級，是一個極小的濃度單位，用于表示非常低濃度的物質］。成果先后發表在《生物傳感器與生物電子學》（Biosensors amp; Bioelectronics）、《納米級視野》（Nanoscale Horizons）、《先進材料界面》（Advanced Materials Interfaces）等高水平期刊上。

納米軟刻蝕技術制備生物納米陣列傳感器取得成功時，薛茜男沒想到這會為一款口罩的研發做了準備。新型冠狀病毒疫情開始后，一時間大街小巷人人以口罩護面，害怕被病毒感染。進入機場、醫院等重要公共場所，也須持有核酸檢測報告，以證明未被病毒感染。提起病毒人人小心翼翼，花費大量時間做檢測，給生活、工作帶來諸多不便。

將社會現實與自身科研情況結合，薛茜男和團隊負責人段學欣將研發智能穿戴口罩的想法拿出來討論，并決定做相關探索。“傳感器我們已經做到芯片級，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，這個問題的解決讓我們邁出了研發智能口罩的第一步，此后又繼續做了進一步推進。”薛茜男說。

薛茜男攻關小組設計并開發的這款集成微納傳感器的智能口罩，針對呼出氣中病毒含量低的問題，通過底層分子及器件結構的設計有效提高了傳感器對納米尺度病毒顆粒物的捕獲效率。針對人體呼出氣的復雜性和口罩結構的特殊性，傳感器采用三明治結構的柔性封裝技術，外層采用親水多孔材料，有效防止濕度及呼出氣中其他顆粒物的干擾，同時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改變。在核心器件基礎上，團隊進一步開發了包括A/D轉換器、運算放大器和無線傳輸單元在內的小型阻抗電路。通過集成的電學系統，檢測結果可以實時無線地傳輸到智能手機App上，直觀顯示病毒檢測結果。

實驗結果表明，這款智能口罩可以在短短5分鐘內分辨出霧化樣本中的冠狀病毒氣溶膠模擬物，對照同樣大小腺病毒的檢測結果，傳感器顯示出對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模制造的潛力。考慮到納米線傳感器尺寸小、響應快速及超低功耗等特點，這款小型阻抗病毒氣溶膠傳感器具有直觀、安全、簡單、非侵入性、適用于廣泛的人群、易于儲存且價格低廉等優勢。這款智能口罩可廣泛用于機場、海關、醫院等對潛在的病毒感染者的快速篩查，無線通信系統使口罩佩戴者或管理員能夠通過手機、平板電腦等智能終端安全地獲取信息，快速做出決策。若檢測結果呈陽性，佩戴者可進一步檢查以確認是否感染。

“使用這款智能口罩不需要訓練有素的醫務人員，可以在任何時間段及任何地方進行，檢測病毒的同時也防止其通過氣溶膠傳播。抗原檢測裝置不依賴于靶點擴增，可實現快速、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療資源飽和的問題。”

薛茜男介紹，為開發呼出氣新冠病毒快速檢測智能口罩，從2020年起，團隊就持續地與一些機構開展合作，也獲得了一些項目的支持。在廣東省重點研發計劃等項目支持下，團隊與廣州賽特、疾控中心及當地醫院合作進行批量臨床測試，在隔離病房中病患500人次配合穿戴測試準確度達94%。“實驗充分從技術上論證了研發成果的可行性。在病原體流行的大背景下，我們的技術可推廣用于大量人群的病毒攜帶初篩，因為作為一款通用的檢測裝置，我們的裝置可以通過更換不同的抗體實現對呼出氣中其他病原體的檢測，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。我們也正在推進更廣泛的流行病毒快檢穿戴智能裝置的開發，甚至我們還將研究延伸到了環境病原體的檢測中。”薛茜男說。

科研讓生活更便捷

疫情期間，往返各個國家和城市變得非常困難，薛茜男坦言，研發智能口罩的初衷是為了方便旅客出行，但口罩只是一個載體，可穿戴的便攜式檢測，用其他形式亦可實現。在做相關科研布局時，國家自然科學基金民航聯合研究基金發布了指南，薛茜男團隊關注到其中有一條與民航機艙環境公共衛生安全有關。

這個項目是針對病原體傳播在民航公共衛生突發事件應急中的快檢快篩技術研究。因之前的工作經歷，薛茜男對民航領域的情況有所了解，團隊在病原體檢測上也有積累，而且也一直與民航領域的科研團隊有合作，于是聯合申請了這個項目。

“實現病原體在機艙環境中的快檢快篩并非易事，機艙里有很多其他指標的反饋，除了病原體，還有溫濕度、氣體質量、水的濁度等，這些因素摻雜進來讓問題變得很復雜。好在，對每一個研究點，我們前期都有積累，而且有民航領域專家參與進來，我們的合作能更好地去解決難題。”薛茜男說。把問題細化，做分工，大家各自推進自己負責的部分，目前項目在按計劃穩步開展中。

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。“人不可能一下子就攀上科研的頂峰，是在攀登的過程中，對這個領域有了足夠的了解，越了解，就越能夠為自己設定切合實際的目標，我一直都是穩中求進。很感謝我遇到的恩師、前輩、領導，他們是我的良師益友，在科研路上是他們為我指引了方向。”薛茜男說。

薛茜男喜歡大學里自由開放的氛圍，科研外，她也承擔了教學任務，為學生教授“傳感器”等學科專業課程。能教授自己擅長的課程，她感到很幸運。她喜歡站在講臺上與同學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生。學生們喜歡她的課堂，讓薛茜男覺得很有成就感。

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

專家簡介

孫瑩，香港科技大學（廣州）人工智能學域助理教授，2017年本科畢業于北京理工大學，2022年畢業于中國科學院計算技術研究所。主要從事的研究方向為可解釋人工智能、數據挖掘及其在社會科學等相關領域的交叉應用。近5年來，孫瑩在《自然·通訊》（Nature Communications）、《自然·城市》（Nature Cities）、《IEEE知識與數據工程匯刊》（IEEE Transactions on Knowledge and Data Engineering）、《ACM智能系統與技術匯刊》（ACM Transactions on Intelligent Systems and Technology）及“ACM SIGKDD知識發現與數據挖掘會議”（ACM SIGKDD Conference on Knowledge Discovery and Data Mining）等學術期刊和會議發表論文30余篇，并申請國內外專利十余項，多項科研成果實現了產品應用轉化，被《中國日報》、光明網等權威媒體廣泛報道。另外，她曾獲中國計算機學會（CCF）博士學位論文激勵計劃，中國科學院朱李月華獎，華為最佳創新合作獎、火花獎，百度獎學金全球20強，3次國家獎學金，國際大學生程序設計競賽（ACM-ICPC）亞洲區域賽季軍、世界總決賽入圍等榮譽。