导读

“我们想创造一种口罩，可以检测空气中病毒的存在并提醒佩戴者。”同济大学的方寅教授如是说。

口罩已长时间融入我们的日常生活，然而佩戴口罩仅仅能做到自我防护，我们对周围环境的感染风险很可能一无所知。你能想象有一种口罩能够监测空气中的病毒吗？

最近一项研究将监测设备与口罩相结合，发明了一种新型口罩，真正实现了这个看似天马行空的科学童话，为我们带来了无限可能。

这种新型口罩会给未来流行病防治带来什么变化？它又是如何被发明出来的？

钱凝露、徐诗露 | 撰写

新冠疫情让我们意识到，一次咳嗽或打喷嚏，甚至几分钟的交谈，都会产生数千个含有传染性病毒的飞沫，这些飞沫可以作为传播媒介长时间悬浮于空气中，成为呼吸道疾病传播的载体。

最近，上海同济大学一研究团队发明了新型口罩，它可以检测出空气中存在的呼吸道病毒，并通过手机等移动设备向佩戴者发出警报。

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快速高效预警

佩戴口罩不能百分之百让我们远离病毒，空气中的病毒更是看不见摸不着，在感染风险较高的区域，我们很难确保自己是否暴露在充满病毒的环境中。

早在2021年6月，美国科学家团队使用基因编辑（CRISPR）技术成功研发了可穿戴生物传感器，可实时、动态监测目标病原体。这项发明为我们的科学家提供了思路——使用可穿戴设备监测空气中的病毒。

来自同济大学的方寅等6位学者，研发出可检测空气中的病毒并发出警示的新型口罩。这种口罩外置小型传感器，传感器带有“适配体”，像抗体一样可以识别特定病原体的蛋白质，从识别空气中的病毒到提醒使用者只需10分钟的时间。

相关研究研究以“Wearable bioelectronic masks for wireless detection of respiratory infectious diseases by gaseous media”为题，发表在科学杂志《物质》（Matter）上。

值得一提的是，考虑到空气中存在的病毒或许不止一种，研究团队设计了多通道传感器，让这种新型口罩可以同时识别新型冠状病毒、甲型H5N1禽流感病毒和甲型H1N1流感病毒。

也许不久的将来，这种新型口罩或许能在病毒监测领域提供新的思路和方案，帮助长时间暴露在高风险感染区域的医护人员。同样，在人流密集、通风不畅的公共场所，新型口罩也许能通过预警功能，及时扼制疫情的传播。

那么，这种新型口罩是怎么研究出来的，它的原理是什么？

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多种技术融合

实际上，要研究出一款这样的口罩，研究团队需要将电子学领域的离子门控晶体管，与生物学领域的抗体蛋白检测技术等进行融合，他们做了大量的工作和验证实验，才最终研发这种口罩。

简单来讲，其作用原理是，一旦传感器中的适配体识别出空气中病毒的蛋白质，并与之结合，就会产生电信号，这种电信号经过传感器连接的高灵敏离子门控晶体管放大，并通过手机提醒佩戴者。

来自cell.com

在研究伊始，科研人员知道，离子门控晶体管（IGTs）具有输出信号放大效应、机械灵活性、易于制造、小型化等特点，而离子凝胶具有灵敏门控效应，因此研究人员将二者结合，开发了一种小型传感器，它带有能够识别抗体等病原体特异性蛋白的适配体（Aptamer）。

之后研究者运用多个适配子作为生物探针，利用聚离子液体离子门控晶体管（PIL-IGT）分析蛋白靶标，并用三种不同类型的适配子修改了多通道传感器，它们可以同时识别新型冠状病毒（SARS-CoV-2），甲型禽流感（H5N1）以及猪流感（H1N1）病毒上的蛋白。

这些技术融合在一起，就成了这款可以检测空气质量的电子口罩，最后，该口罩与基于无线物联网（IoT-based）的PIL-IGT检测平台——物联网单元（IoT unit）相结合，可用于实时检测周围的气体介质。

为了验证其同时检测三种病毒的性能，研究人员将传感器暴露在不同蛋白的雾化气体中进行检测，并收集了三名健康志愿者的呼吸样本进行试验。

3个物联网单元对志愿者呼吸的反应结果。每一行同一物联网单元对不同志愿者呼吸反应的对比，每一列是同一志愿者呼吸时，不同物联网的反应结果。

来自cell.com

数据表明，模拟组的响应电流值远高于健康对照组，表明在自然呼出的气体中成功识别出了目标病毒。这些结果表明，带有集成物联网单元的便携式生物电子口罩可以在不干扰日常活动的情况下为用户提供实时监控，或还能在感染发生之前发出预警。

这个研究成果对于我们来说，或许是预防新冠感染的有力武器，但是我们会疑惑，10分钟的检测时间对于病毒入侵的速度来讲，是不是偏长了一些？实际上，缩短时间正是研究团队下一步的目标。

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让科技快病毒一步

接下来，研究团队将优化新型口罩中聚合物和晶体管的设计，以缩短检测时间，进一步提高传感器的灵敏度。他们还在研究针对癌症和心血管疾病等多种健康状况的可穿戴设备，收集的数据越丰富，相关疾病诊断和治疗就有希望变得越精确。

当前，医生在诊断和治疗疾病方面严重依赖他们的经验，而收集信息的可穿戴设备或许能够改善这一点，更加直观地呈现患者的健康状态。

在未来，如果一种新的呼吸道病毒出现，研究者只要对这种口罩传感器的设计进行相应的更新，就可以成功检测出新的病毒。这或许能够有效地帮助人类预警和防治未来下一场世界大流行疾病。

转自：“深究科学”微信公众号

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