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薛茜男 | 微传感器里的大梦想

时间：2024-12-18 16:25来源：www.jiankexinxi.com作者：未知点击：

▲在实验室工作中的薛茜男

全球范围内的时尚性传染病频发，飞速准确地测试病原体携带是控制疫情蔓延、保障公共健康的要紧方法之一。天津大学精密仪器与光电子工程学院段学欣团队率先瞄准病毒快检的迫切需要拓展攻关研究。作为团队骨干成员，薛茜男副教授带领攻关小组即刻响应，日夜奋战，发挥团队自有技术专长，基于生物功能化纳米线制备柔性冠状病毒微传感器，成功开发了可用于呼出气中冠状病毒快检的无线智能口罩。这款口罩重量仅7.6g，体积微小的柔性传感器隐于其中，佩带它时可实时监测呼出气中冠状病毒的含量，并无线预警冠状病毒的感染状况，它适用于居家、乡村医疗及对很多人群中病原体携带的快筛应用场景。研究成就被《生物传感器与生物电子学》（Biosensors Bioelectronics）期刊网站收录于2022年新冠生物传感技术特辑中，这也是世界首例直接用于呼出气冠状病毒测试的智能口罩的报道，一经发表遭到学术界和产业界的广泛关注，并先后被《科技日报》《健康报》等多家媒体报道。

薛茜男坦言，智能口罩的成功研发，源于对生化微传感器研究多年的积累。从参与开发国内首款糖化血红蛋白手持式仪表到应对现场血钾微传感器完成第三方评估，从与行业合作成功完成非接触管道油质监测贴片到创先提出柔性穿着打扮微波生物传感芯片，从开发国际首款气溶胶冠状病毒智能口罩到拓展环境病原体测试，在生化微传感器研究上薛茜男历程了一路向上的成长。让成就落地开花，走向社会、服务大众，是薛茜男的科研目的，为此，她愿一次次奔赴科研的星辰大海。

找寻科研兴趣点

十余年间，国内微传感器技术范围发生的快速变化，薛茜男从我们的视角也捕捉到一些片段。“我在读研究生时，国内学者极少能有机会在传感器范围的国际盛会报告我们的成就。近10年来，大家在顶会上发表成就已不是稀奇的事情，参会也成了博士生毕业必须具备的条件，而且参会的感受也不同了，中国人多了，讲我们的东西更自信了。更勉励人心的是，十多年前大家把传感器国际大会开在了中国，我的导师夏善红研究员就是大会主席，我有幸做了志愿者，当时很骄傲，这正是国内传感器范围进步历史中的一个标志性事件。”

薛茜男就是在微传感器技术发展趋势逐日高涨的背景下，一步步找到了我们的科研方向，并在每一个科研节点上留下了自己扎实的脚印。

薛茜男本科在天津医科大学习生物医学工程专业求学，这是一个偏多接触医疗仪器的专业方向，在跟随老师做课题时，她发现电子类的常识会更多被用到，而且自己也比较善于。因对电子有兴趣，决定读研究生时她考试报名了中国科学院电子学研究所，在传感技术国家重点实验室硕博连读，由此开启了她在微传感器研究范围的科研的道路。

传感技术国家重点实验室是国内传感技术范围最早打造的国家重点实验室之一，也是较早拓展微传感器研究的科研机构。在国内微传感技术范围基础应用研究上发挥引领骨干用途的实验室求学，薛茜男获得了飞速成长，也在参与科研实践中，结合我们的专长找寻科研兴趣点。

有之前在医疗仪器上的常识积累，薛茜男感到在此方向微传感器有非常大的应用潜力，也由此确定了她后来偏生化的方向，关注健康测试、疾病诊断、环境病原体测试的科研侧重点。

开发国内首款糖化血红蛋白手持式仪表，是薛茜男博士毕业课题的一部分，是她跟随导师做的第一个关于生化微传感器的课题，也是她的基础知识课题。课题组中边超研究员是她初入科研的引路人，而导师夏善红严谨的科研作风和老一代科学家的工作热情深刻激起了她投身科研的兴趣与信心。工作后薛茜男承担的第一个项目，因与管道油质监测有关，则让聚焦健康监测的她，获得了在其他方向做生化微监测的不同体验。“任何课题的突破，其实都是铺垫已久的结果，有所进展才能被范围关注，获得大伙的认同，继而支持研究再深入地做下去，这样推进科研不断向前，这是一个非常勉励人的过程。”在一次次迎战难点的过程中，薛茜男也深深知道了厚积薄发、步履不停对科研的意义。

成功开发智能口罩

所有历程，都是成长，从不同历程中薛茜男汲取到了不一样的养分，也获得了不同的视线。

博士毕业后，在中国民航大学适航学院开始的第一份工作，培养了薛茜男对民航范围问题的敏锐度，由于对一些问题有不一样的感受，继而引出她后来针对这类问题的课题攻关。而后来到天津大学工作，精密测试技术与仪器全国重点实验室为她提供的一流硬件支持和前辈对她的引领，又成为薛茜男解决问题的坚实后盾。

薛茜男坦言，在科研中，看上去是一个问题的解决，但同时这也为更多问题的解决提供了钥匙。团队用纳米软刻蚀技术制备生物纳米阵列传感器的成功达成，就是一个如此的例子。

用纳米软刻蚀技术制备生物纳米阵列传感器是针对微传感器尺寸小、信号弱难点提出的解决方法。薛茜男介绍：“大家平时用的温度计或者传感探头，它们的直径至少是在厘米级范围内，将它们变成微米级尺寸，传感器的性能假如不进行相应提升，那样它接收信号的能力会变弱。为提升接收信号的能力，大家想到的方法是在传感器的敏锐端用纳米技术做增强。原来的传感器单纯就是一个平面，而纳米颗粒本身是一个球体，在一个平面上加一个纳米颗粒，就达成了传感器信号接收端表面积的指数倍增加。由于大家要测试的是病原体，考虑到与病原体的尺寸匹配，就进一步做出了纳米阵列传感器，像用渔网捕鱼，细密的渔网能捕到小鱼，依据目的病原体的大小，调整纳米阵列的间距，病原体就比较容易被抓到。”

设计传感界面底层结构，调控纳米粒子亲疏水性，制备均匀分散纳米超灵敏传感界面，异质集成微系统、微电极，薛茜男及其团队在纳米软刻蚀技术制备生物纳米阵列传感器达成高度准直的生物分子有序排列，蛋白指标测试下限达到aM量级［aM量级即阿托米（attomolar）量级，是一个极小的浓度单位，用于表示很低浓度的物质］。成就先后发表在《生物传感器与生物电子学》（Biosensors Bioelectronics）、《纳米级视线》（Nanoscale Horizons）、《先进材料界面》（Advanced Materials Interfaces）等高水平期刊上。

纳米软刻蚀技术制备生物纳米阵列传感器获得成功时，薛茜男没想到这会为一款口罩的研发做了筹备。新型冠状病毒疫情开始后，一时间大街小巷每人以口罩护面，害怕被病毒感染。进入机场、医院等要紧公共场合，也须持有核酸测试报告，以证明未被病毒感染。提起病毒每人小心翼翼，花费很多时间做测试，给生活、工作带来很多不便。

将社会现实与自己科研状况结合，薛茜男和团队负责人段学欣将研发智能穿着打扮口罩的想法拿出来讨论，并决订做有关探索。“传感器大家已经做到芯片级，但兼容到口罩，为了佩带舒适，大家第一考虑的是怎么样将芯片做柔性处置，这个问题的解决让大家迈出了研发智能口罩的第一步，此后又继续做了进一步推进。”薛茜男说。

▲团队合影

薛茜男攻关小组设计并开发的这款集成微纳传感器的智能口罩，针对呼出气中病毒含量低的问题，通过底层分子及器件结构的设计有效提升了传感器对纳米尺度病毒颗粒物的捕获效率。针对人体呼出气的复杂性和口罩结构的特殊性，传感器使用三明治结构的柔性封装技术，外层使用亲水多孔材料，有效预防湿度及呼出气中其他颗粒物的干扰，同时可以起到富集病毒抗原有哪些用途。传感器使用免疫传感的原理，捕获的病毒抗原可以引起传感器的阻抗信号改变。在核心器件基础上，团队进一步开发了包含A/D转换器、运算放大器和无线传输单元在内的小型阻抗电路。通过集成的电学系统，测试结果可以实时无线地传输到智能手机App上，直观显示病毒测试结果。

实验结果表明，这款智能口罩可以在短短5分钟内分辨出雾化样本中的冠状病毒气溶胶模拟物，对照同样大小腺病毒的测试结果，传感器显示出对冠状病毒较好的选择性。另外，传感器中的纳米线阵列通过纳米印刷方法制造，拥有低本钱和可大规模制造的潜力。考虑到纳米线传感器尺寸小、响应迅速及超低功耗等特征，这款小型阻抗病毒气溶胶传感器具备直观、安全、简单、非侵入性、适用于广泛的人群、易于储存且价格低廉等优势。这款智能口罩可广泛用于机场、海关、医院等对潜在的病毒感染者的迅速筛查，无线通信系统使口罩佩带者或管理员可以通过手机、平板电脑等智能终端安全地获得信息，迅速做出决策。若测试结果呈阳性，佩带者可进一步检查以确认是不是感染。

“用这款智能口罩无需练习有素的医务职员，可以在任何时间段及任何地方进行，测试病毒的同时也预防其通过气溶胶传播。抗原测试装置不依靠于靶点扩增，可达成迅速、便捷地筛选很多携带冠状病毒的人群，尤其是可以解决因很多疑似病例涌入而导致的医疗资源饱和的问题。”

薛茜男介绍，为开发呼出气新冠肺炎病毒迅速测试智能口罩，从2020年起，团队就持续地与一些机构拓展合作，也获得了一些项目的支持。在广东重点研发计划等项目支持下，团队与广州赛特、疾控中心及当地医院合作进行批量临床测试，在隔离病房中病患500人次配合穿着打扮测试准确度达94%。“实验充分从技术上论证了研发成就的可行性。在病原体时尚的大背景下，大家的技术可推广用于很多人群的病毒携带初筛，由于作为一款通用的测试装置，大家的装置可以通过更换不一样的抗体达成对呼出气中其他病原体的测试，缩短确诊周期，提升被试职员舒适性，在控制大时尚病方面有着非常重要的意义。大家也正在推进更广泛的时尚病毒快检穿着打扮智能装置的开发，甚至大家还将研究延伸到了环境病原体的测试中。”薛茜男说。

科研让生活更便捷

疫情期间，往返每个国家和城市变得很不简单，薛茜男坦言，研发智能口罩的初衷是为了便捷旅客出行，但口罩只不过一个载体，可穿着打扮的便携式测试，用其他形式亦可达成。在做有关科研布局时，国家自然科学基金民航联合研究基金发布了指南，薛茜男团队关注到其中有一条与民航机舱环境公共卫生安全有关。

这个项目是针对病原体传播在民航公共卫生突发事件应对中的快检快筛技术研究。因之前的工作历程，薛茜男对民航范围的状况知道一些，团队在病原体测试上也有积累，而且也一直与民航范围的科研团队有合作，于是联合申请了这个项目。

“达成病原体在机舱环境中的快检快筛并不是易事，机舱里有不少其他指标的反馈，除去病原体，还有温湿度、气体水平、水的浊度等，这类原因掺杂进去让问题变得非常复杂。好在，对每个研究点，大家前期都有积累，而且有民航范围专家参与进去，大家的合作能更好地去解决难点。”薛茜男说。把问题细化，做分工，大伙各自推进自己负责的部分，现在项目在按计划稳步拓展中。

科研无坦途，但回顾我们的科研路，薛茜男坦言，她好像没遇见过太棘手的问题。“人不可能一下子就攀上科研的顶峰，是在攀登的过程中，对这个范围有了足够的认知，越知道，就越可以为自己设定符合实质的目的，我一直都是稳中求进。非常感谢我遇见的恩师、前辈、领导，他们是我的良师益友，在科研路上是他们为我引导了方向。”薛茜男说。

薛茜男喜欢大学里自由开放的环境，科研外，她也承担了教学任务，为学生教授“传感器”等学科专业课程。能教授自己善于的课程，她感到非常幸运。她喜欢站在讲台上与同学们推荐自己在科研上多年的积累，想用我们的热情感染学生。学生们喜欢她的课堂，让薛茜男感觉非常有收获感。

谈起将来的科研计划，薛茜男觉得生化微传感器研究，是一个极具探索潜能的大课题。她说：“手持式仪表，可以迅速进行疾病诊断；智能牙套，可用来做唾液的监测；贴肤装置，可以做汗液测试。在传感技术研究上，大家面对着同样的难点，但要开发成不一样的形貌，可能需要解决的问题种类又有所不同。但最后的目的，还是期望大家开发的东西真的能被用到，真的能为生活带来便捷。”

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