——记天津大学精密仪器与光电子工程学院副教授薛茜男

李 莉  曹笑轩　　

　　全球范围内的流行性传染病频发，迅速准确地检测病原体携带是控制疫情蔓延、保障公共健康的重要手段之一。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求开展攻关研究。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，佩戴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情况，它适用于居家、乡村医疗及对大量人群中病原体携带的快筛应用场景。研究成果被《生物传感器与生物电子学》（Biosensors & Bioelectronics）期刊收录于2022年新冠肺炎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检测的智能口罩的报道，一经发表受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，来自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急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戴微波生物传感芯片，从开发国际首款气溶胶冠状病毒智能口罩到开展环境病原体检测，在生化微传感器研究上薛茜男经历了一路向上的成长。让成果落地开花，走向社会、服务大众，是薛茜男的科研目标，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，我国微传感器技术领域发生的飞速变化，薛茜男从自己的视角也捕捉到一些片段。“我在读研究生时，国内学者很少能有机会在传感器领域的国际盛会报告自己的成果。近10年来，我们在顶会上发表成果已不是稀奇的事情，参会也成了博士生毕业的必备条件，而且参会的感受也不一样了，中国人多了，讲自己的东西更自信了。更激励人心的是，十多年前我们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，当时非常骄傲，这正是国内传感器领域发展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势头逐日高涨的背景下，一步步找到了自己的科研方向，并在每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，她发现电子类的知识会更多被用到，而且自己也比较擅长。因对电子感兴趣，决定读研究生时她报考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领域的科研之路。

　　传感技术国家重点实验室是我国传感技术领域最早建立的国家重点实验室之一，也是较早开展微传感器研究的科研机构。在我国微传感技术领域基础应用研究上发挥引领骨干作用的实验室求学，薛茜男获得了迅速成长，也在参与科研实践中，结合自己的专长找寻科研兴趣点。

　　有之前在医疗仪器上的知识积累，薛茜男感到在此方向微传感器有很大的应用潜力，也由此确定了她后来偏生化的方向，关注健康检测、疾病诊断、环境病原体检测的科研侧重点。

　　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，也是她的入门课题。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发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，因与管道油质监测相关，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，有所进展才能被领域关注，获得大家的认可，继而支持研究再深入地做下去，如此推动科研不断向前，这是一个很激励人的过程。”在一次次迎战难题的过程中，薛茜男也深深了解了厚积薄发、步履不停对科研的意义。

成功开发智能口罩

　　所有经历，都是成长，从不同经历中薛茜男汲取到了不同的养分，也获得了不一样的视野。

　　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领域问题的敏锐度，因为对一些问题有不同的感受，继而引出她后来针对这些问题的课题攻关。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，看似是一个问题的解决，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实现，就是一个这样的例子。

　　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、信号弱难题提出的解决方案。薛茜男介绍：“我们平常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，传感器的性能如果不进行相应提高，那么它接收信号的能力会变弱。为提高接收信号的能力，我们想到的办法是在传感器的敏感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，就实现了传感器信号接收端表面积的指数倍增加。因为我们要检测的是病原体，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，根据目标病原体的大小，调整纳米阵列的间距，病原体就很容易被抓到。”

　　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实现高度准直的生物分子有序排列，蛋白指标检测下限达到aM量级［aM量级即阿托米（attomolar）量级，是一个极小的浓度单位，用于表示非常低浓度的物质］。成果先后发表在《生物传感器与生物电子学》（Biosensors & Bioelectronics）、《纳米级视野》（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取得成功时，薛茜男没想到这会为一款口罩的研发做了准备。新型冠状病毒疫情开始后，一时间大街小巷人人以口罩护面，害怕被病毒感染。进入机场、医院等重要公共场所，也须持有核酸检测报告，以证明未被病毒感染。提起病毒人人小心翼翼，花费大量时间做检测，给生活、工作带来诸多不便。

　　将社会现实与自身科研情况结合，薛茜男和团队负责人段学欣将研发智能穿戴口罩的想法拿出来讨论，并决定做相关探索。“传感器我们已经做到芯片级，但兼容到口罩，为了佩戴舒适，我们首先考虑的是如何将芯片做柔性处理，这个问题的解决让我们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。

　　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高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，传感器采用三明治结构的柔性封装技术，外层采用亲水多孔材料，有效防止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的作用。传感器采用免疫传感的原理，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括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，检测结果可以实时无线地传输到智能手机App上，直观显示病毒检测结果。

　　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检测结果，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式制造，具备低成本和可大规模制造的潜力。考虑到纳米线传感器尺寸小、响应快速及超低功耗等特点，这款小型阻抗病毒气溶胶传感器具有直观、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快速筛查，无线通信系统使口罩佩戴者或管理员能够通过手机、平板电脑等智能终端安全地获取信息，快速做出决策。若检测结果呈阳性，佩戴者可进一步检查以确认是否感染。

　　“使用这款智能口罩不需要训练有素的医务人员，可以在任何时间段及任何地方进行，检测病毒的同时也防止其通过气溶胶传播。抗原检测装置不依赖于靶点扩增，可实现快速、方便地筛选大量携带冠状病毒的人群，特别是可以解决因大量疑似病例涌入而造成的医疗资源饱和的问题。”

　　薛茜男介绍，为开发呼出气新冠病毒快速检测智能口罩，从2020年起，团队就持续地与一些机构开展合作，也获得了一些项目的支持。在广东省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人次配合穿戴测试准确度达94%。“实验充分从技术上论证了研发成果的可行性。在病原体流行的大背景下，我们的技术可推广用于大量人群的病毒携带初筛，因为作为一款通用的检测装置，我们的装置可以通过更换不同的抗体实现对呼出气中其他病原体的检测，缩短确诊周期，提高被试人员舒适性，在控制大流行病方面有着很重要的意义。我们也正在推进更广泛的流行病毒快检穿戴智能装置的开发，甚至我们还将研究延伸到了环境病原体的检测中。”薛茜男说。

科研让生活更便捷

　　疫情期间，往返各个国家和城市变得非常困难，薛茜男坦言，研发智能口罩的初衷是为了方便旅客出行，但口罩只是一个载体，可穿戴的便携式检测，用其他形式亦可实现。在做相关科研布局时，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急中的快检快筛技术研究。因之前的工作经历，薛茜男对民航领域的情况有所了解，团队在病原体检测上也有积累，而且也一直与民航领域的科研团队有合作，于是联合申请了这个项目。

　　“实现病原体在机舱环境中的快检快筛并非易事，机舱里有很多其他指标的反馈，除了病原体，还有温湿度、气体质量、水的浊度等，这些因素掺杂进来让问题变得很复杂。好在，对每一个研究点，我们前期都有积累，而且有民航领域专家参与进来，我们的合作能更好地去解决难题。”薛茜男说。把问题细化，做分工，大家各自推进自己负责的部分，目前项目在按计划稳步开展中。

　　科研无坦途，但回顾自己的科研路，薛茜男坦言，她似乎没遇到过太棘手的问题。“人不可能一下子就攀上科研的顶峰，是在攀登的过程中，对这个领域有了足够的了解，越了解，就越能够为自己设定切合实际的目标，我一直都是稳中求进。很感谢我遇到的恩师、前辈、领导，他们是我的良师益友，在科研路上是他们为我指引了方向。”薛茜男说。

　　薛茜男喜欢大学里自由开放的氛围，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。能教授自己擅长的课程，她感到很幸运。她喜欢站在讲台上与同学们分享自己在科研上多年的积累，愿意用自己的热情感染学生。学生们喜欢她的课堂，让薛茜男觉得很有成就感。