生物电健康检测仪

研究背景淡水受到天然和合成化学物质的污染是一项全球性的环境挑战。特别值得关注的是影响脊椎动物繁殖的化学物质和刺激微生物繁殖的无机化合物，因为它们进入环境后都会产生严重的生态影响。由于化学物质的释放可能是动态且瞬态的，需要在原位实时检测这些化学物质。这种检测也必须具有不同非生物条件的环境准确性。实时化学传感对于环境和健康监测中的应用至关重要。生物传感器可以通过基因电路检测各种分子，利用这些化学物质触发有色蛋白质的合成，从而产生光学信号。关键问题虽然生物传感器可以满足污染物监测需求，但仍存在以下问题：1、传感速度通常较慢，难以实现原位监测生物传感器都依赖转录调节进行检测，而蛋白质表达过程将这种传感的速度限制半小时以上，光学信号通常很难原位检测到。2、工程化微生物传感器会降低信噪比和时间响应工程化的微生物虽然提供了机械完整性和支持连续传感，但它们会衰减信号传输，进而降低信噪比和时间响应。新思路有鉴于此，美国莱斯大学Caroline M. Ajo-Franklin等人将合成生物学和材料工程相结合，开发出能够产生电读数且检测时间为分钟的生物传感器。使用模块化的、八组分合成的电子传输链对大肠杆菌进行编程，使其产生电流以响应特定的化学物质。按照设计，该菌株在暴露于硫代硫酸盐后，在2分钟内产生电流。然后，对电流传感器进行了修改，以检测内分泌干扰物。将蛋白质开关纳入合成途径，并用导电纳米材料封装细菌，可在3分钟内检测城市水道样品中的内分泌干扰物。该研究结果提供了一种设计规则，可以用质量输运模型有限的检测时间来感知各种化学品，并为保护生态和人类健康的微型低功耗生物电子传感器提供了一个新的平台。技术方案：1、设计了基于大肠杆菌的生物传感器在大肠杆菌中设计了一种合成电子转移（ET）途径，制备了生物传感器，并评估了各个模块的性能，优化了输出模块的功能，并分析了其性能。2、证实了对硫代硫酸盐的快速检测和定量作者构建了I+C+O+菌株，测量了硫代硫酸盐依赖性EET。通过改进，获得了更高的信噪比，信号强度及再现性，证实了工程菌株产生的电信号能够快速、连续地检测和定量硫代硫酸盐。3、设计了多样化的活体电子传感器作者利用Fd开关以确定活体电子传感器是否可以多样化，证实了工程化Fd可测量合成ET途径中非代谢中间体的分析物，并将响应时间减少了约4倍。4、证实了传感器在城市水道样品的适用性作者证实了2-EWE传感器在具有不同非生物特征的城市水样中具有一致的功能，并通过改进实现了高度可再现的响应，提高了信噪比，获得了更高的稳态电流和更快的响应时间。技术优势：1、开发了超快的生物传感器作者开发了利用ET合成信号转导方法，通过结合合成生物学和材料工程开发了生物传感器，可以产生电子读数，并将检测时间由半小时以上缩短至几分钟。2、实现了城市水道内分泌干扰物的快速测量将蛋白质开关纳入合成途径，并用导电纳米材料封装细菌，可在3分钟内检测城市水道样品中的内分泌干扰物。快速的响应时间非常适合于环境中瞬时化学暴露的连续监测。3、开发了提高信噪比的改进方法利用细胞封装来实现比率传感，并加入导电纳米材料以提高EET的效率，这两种方法都提高了信噪比，并导致了质量传输有限的响应时间。4、为连续、实时环境传感的设计提供了研究平台本文研制的活体电子传感器为连续环境传感提供了一个可扩展的平台，可以在不同的环境中进行长时间的准确操作。技术细节传感器设计作者在大肠杆菌中设计了一种合成电子转移（ET）途径。使用硫代硫酸盐来测试该策略，用三个模块设计了硫代硫酸盐依赖的ET途径。为了评估各个模块的性能，使用了基因组编码和质粒编码的遗传电路的组合，使模块组件能够即插即用表达。为了优化输出模块的功能，作者分析了其表达、EET以及在不同诱导条件下对细胞适应度的影响。为了测量细胞色素的表达，监测了细胞颗粒的相对红色。为了以高通量的方式评估EET，测量了诱导细胞还原细胞不可渗透的WO3纳米棒的能力。使用最佳诱导策略，表明优化的输出模块是功能性的。作者确定了耦合模块的SQR，并证明了细胞可以在表达输出模块的同时在输入模块中合成全蛋白。图 带有合成ET链的大肠杆菌传感器硫代硫酸盐的快速检测和定量为了确定ET通过全合成途径是否依赖于硫代硫酸盐，将所有三个模块集成在一起以构建I+C+O+菌株，并在BES中测量浮游细胞的硫代硫酸盐依赖性EET。结果表明整个通路就像一个硫代硫酸盐传感器。为了改善低信噪比，将每个菌株和工作电极封装在藻酸盐-琼脂糖水凝胶中。与浮游细胞相比，封装细胞对硫代硫酸盐的反应具有更高的信噪比（平均增加30倍以上）。此外，相对于浮游细胞，它表现出更高的信号强度（增加5倍）、更高的再现性（标准偏差减少50%）和更高的线性（R2增加10倍）。探讨了该传感器对不同硫代硫酸盐浓度的响应，表明I+C+O+菌株的电流响应与硫代硫酸盐浓度呈线性关系，证实了工程菌株产生的电信号能够快速、连续地检测和定量硫代硫酸盐。图 活体电子传感器的封装实现了硫代硫酸盐的快速检测和定量传感器多样化为了确定活体电子传感器是否可以多样化，以响应影响脊椎动物繁殖的化学物质，利用Fd开关在翻译后对化学配体进行响应。为了量化每个反应器中4-HT诱导的电流变化，计算了IsC+O+应变相对于IC42AC+O+菌株的电流百分比差异。DMSO和4-HT信号的比较显示，在7.8分钟内以95%的置信度检测到4-HT，信号强度增加0.93%±0.33%。尽管工程Fd产生的信号低于野生型Fd，但它能够检测合成ET途径中非代谢中间体的分析物。因此，与以前的微生物生物电子传感器相比，IsC+O+活电子传感器按设计对4-HT作出响应，并将响应时间减少了约4倍。图 表达电子蛋白质开关的活体电子传感器能够快速检测内分泌干扰物城市水道样品测量在添加了硫代硫酸盐或4-HT的河流和海洋样品中测试了BES，证实2-EWE传感器在具有不同非生物特征的城市水样中具有一致的功能。由于这些城市水样的导电性差且氧化还原活性化合物丰富可能会干扰生物电子传感，引入了生物相容性和导电性TiO2@TiN纳米复合材料进入包封基质以增加接触表面并促进细菌-电极界面处的电子转移。这些纳米颗粒-活性传感器混合物在装置之间显示出高度可再现的响应，提高了信噪比，并且在1mM硫代硫酸盐存在下具有更高的稳态电流，并具有更快的响应时间。本工作开发的活体电子传感器可用来专门检测与环境相关的浓度和条件下的分析物，其传质限制动力学比之前的状态快十倍。图 用导电纳米颗粒封装的活体电子传感器能够快速检测环境中的污染物展望总之，本文研制的活体电子传感器为连续环境传感提供了一个可扩展的平台。实时传感需要快速的分析物检测，在没有样品准备的情况下，可以在不同的环境中进行长时间的准确操作。活体电子传感器可在各种环境条件下使用有限的仪器实时检测目标化学品。为了实现长期的环境部署，可以将碳源和辅助化学品纳入封装矩阵，以优化非生物-生物界面的电信号传输。此外，这些传感器可以被安装到通过清除环境中存在的能量来自我供电的设备中。小型、可部署的实时生物电子传感器可以分布在不同的环境位置，这将彻底改变监测化学品在生态系统中迁移的能力。这将为农业的可持续发展提供重要信息，减轻工业废物排放的影响，并确保水安全。参考文献：Atkinson, J.T., Su, L., Zhang, X. et al. Real-time bioelectronic sensing of environmental contaminants. Nature(2022).DOI：10.1038/s41586-022-05356-yhttps://doi.org/10.1038/s41586-022-05356-y

在当今社会，随着工业化进程的加速和城市化水平的不断提升，空气质量成为了公众日益关注的焦点。其中，臭氧作为一种重要的空气污染物，其浓度变化直接影响着人类健康与生态环境的安全。因此，臭氧浓度检测仪作为监测空气质量的重要工具，正扮演着越来越重要的角色，成为守护我们环境健康的科技哨兵。　　臭氧的双重性　　臭氧，化学式为O₃ ，是一种由三个氧原子组成的强氧化性气体。在平流层中，臭氧层能够吸收太阳辐射中的紫外线，保护地球生物免受其害，是地球的天然保护伞。然而，在地面附近的对流层中，过高的臭氧浓度则成为一种有害污染物，能够引发一系列环境问题及健康危害，如刺激呼吸道、影响植物生长、降低大气能见度等。　　臭氧浓度检测仪的重要性　　鉴于臭氧的双重性质及其在环境中的复杂影响，准确、及时地监测臭氧浓度变得尤为重要。臭氧浓度检测仪应运而生，它利用先进的传感器技术和数据处理算法，能够实时、精确地测量空气中臭氧的浓度，为环境保护、气象观测、公共卫生等领域提供关键数据支持。　　技术原理与应用　　臭氧浓度检测仪通常采用电化学法、紫外吸收法或差分吸收光谱法等技术原理进行测量。电化学法通过臭氧与电极材料发生电化学反应产生电流或电势变化来检测臭氧浓度；紫外吸收法则利用臭氧对特定波长紫外光的吸收特性进行测量；而差分吸收光谱法则通过测量光在通过臭氧前后的光谱变化来计算其浓度。　　这些检测仪广泛应用于城市空气质量监测站、工业园区环境监测、交通尾气排放检测、农业气象观测站等多个领域。它们不仅能够帮助环保部门及时掌握空气质量状况，制定有效的污染防治措施，还能为科研机构提供宝贵的研究数据，推动环境科学的发展。　　面临的挑战与未来展望　　尽管臭氧浓度检测仪在环境监测中发挥着重要作用，但其发展仍面临一些挑战。一方面，随着环境污染问题的日益复杂，对检测仪的精度、稳定性和抗干扰能力提出了更高的要求；另一方面，随着物联网、大数据等技术的快速发展，如何实现检测仪的智能化、网络化，提高监测数据的实时性和利用率，也是未来发展的重要方向。　　展望未来，臭氧浓度检测仪将继续向高精度、高稳定性、智能化、网络化方向发展。同时，随着人们环保意识的不断提高和科技的持续进步，我们有理由相信，臭氧浓度检测仪将在守护环境健康、推动绿色发展方面发挥更加重要的作用。　　总体而言，臭氧浓度检测仪作为现代环境监测体系中的重要组成部分，正以其独特的优势和技术特点，为我们提供着准确、及时的空气质量信息，成为守护我们环境健康的科技哨兵。

生物电信号是人体最基本的生理信号之一，通过对生物电信号的监测可以对多种生理疾病进行诊断和预防。随着微电子科技的不断发展，越来越多的医疗科技选择使用电极贴片与诊断设备集成，以实现实时监测人体健康状况的医疗保健系统。监测系统对于突发性强、致命性高的心脑血管疾病有着显著的预防作用。生物电监测电极作为系统硬件的重要组成单元，直接与人体接触采集生物电信号，是生物电传感系统的基础部件。常见的是银-氯化银（Ag/AgCl）凝胶电极，但由于凝胶或粘合剂会对皮肤产生刺激，很难用来长期监测生物电信号。为了实现长效与皮肤接触监测的功能，生物相容性良好的干电极技术近年来得到了一定的发展。然而，由于皮肤的弹性、粗糙质地，附加汗水，油脂、皮屑和毛发等表面特性，干电极技术在皮肤附着力、接触阻抗、透气性等创新优化方面仍面临较大挑战。图1典型具有足端附着能力的生物结构与功能实现策略由于自然环境下目标附着表面的复杂多样性，依靠单一的黏附机制往往不足以提供生物体稳定的附着和快速的运动的能力。几乎所有具有全空间运动能力的生物，均拥有两种及以上的界面附着策略，且生物体型越大，越需要多种附着方式协同作用来提升界面附着力以平衡自重。生物高鲁棒性的附着调控特性依赖于生物脚爪精细的跨尺度附着结构，以及附着结构所呈现的机制之间的协同作用。 图2兼具排汗透气与皮肤黏附的仿生电极设计本研究介绍了一种兼具排汗透气性和多机制附着性能的健康监测电极贴片。贴片的排汗透气功能采用锥形通孔与蜂窝状微沟槽集成设计来实现，锥形通孔产生的拉普拉斯液相压差和微沟槽的毛细力协同实现了汗液的自驱导流作用；Ag/Ni微针阵列和PDMS-t粘附材料的多机制附着一定程度上保障了电极贴片与皮肤接触的力学稳定性，其中，Ag/Ni微针阵列通过高度控制，形成与皮肤角质层的接触，在保障安全性的前提下，实现了生物电信号采集通道的可靠性。 图3 仿生监测电极排汗透气通道结构形貌及其单向自驱导效果图 图4 仿生电极贴片切向摩擦力和法向黏附力量化测试实验 图5 仿生电极贴片心电监测性能及其与皮肤接触的生物相容性评价仿生电极的皮肤界面阻抗测试显示，在100Hz以下，仿生电极的接触阻抗低于标准Ag/AgCl凝胶电极，在监测志愿者的EMG和ECG生物电信号应用中，仿生电极展示出了较好的静态和动态采集性能。这主要归因于微针阵列与皮肤高阻抗角质层形成机械锁合，与通孔阵列柔性聚合物黏附接触协同作用，增强了仿生电极与皮肤表面的附着力，减少了运动伪影。同时，仿生电极设计中汗液的自驱导流结构保障了皮肤排汗透气的需求，具有良好的皮肤接触生物相容性，为实现长效的健康监测提供了新思路和新途径。本研究工作是建立在前期微针摩擦与树蛙湿黏附协同的仿生电极（Advanced materials interfaces, 2022, 2200532，封底论文）研究基础之上，着重探究了仿生电极自主排汗透气方面功能实现方法。相关研究成果以题为“Biomimetic Patch with Wicking-Breathable and Multi-mechanism Adhesion for Bioelectrical Signal Monitoring”发表于期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》。论文第一作者为南京航空航天大学机电学院硕士研究生张迁，论文通讯作者为姬科举副研究员，南京航空航天大学为第一完成单位。本研究工作得到了国家自然科学基金、南京市医学科技发展基金、江苏省仿生功能材料重点实验室基金等项目的资助。论文链接： https://doi.org/10.1021/acsami.2c13984来源：高分子科技官网：https://www.bmftec.cn/links/10