摘要：看似纯净的空气中实则暗藏健康密码。重要的气态生物标志物包括早产儿呼吸中的炎症标志分子、流感病毒气溶胶，食物腐败产生的气味分子、以及环境污染物。检测这些浓度有时能低至万亿分之一（ppt）级的"健康信号"目前非常困难。在智能手机时代，我们可以轻松记录影像和声音，却
看似纯净的空气中实则暗藏健康密码。重要的气态生物标志物包括早产儿呼吸中的炎症标志分子、流感病毒气溶胶，食物腐败产生的气味分子、以及环境污染物。检测这些浓度有时能低至万亿分之一（ppt）级的"健康信号"目前非常困难。在智能手机时代，我们可以轻松记录影像和声音，却无法记录空气中的化学成分。便携便宜的化学传感器仅能识别百万分之一（ppm）浓度的特定分子（比如酒精检测仪），而专业实验室中的质谱仪虽精准却十分昂贵，价格常在几十万到几百万美元不等。更棘手的是挥发性有机物（VOCs）与病原体等不同目标物需要迥异的检测技术。这种数字化生活最后一个盲区的重要性，在疾病检测、公共卫生、食品安全、空气质量检测等生活场景中愈发凸显。我们需要的不只是另一个仅属于实验室的先进设备，而是一个能像手机摄像头那样能造福普通人的简单易用、却能捕捉化学成分的"空气镜头"，让每个人都能随时解码身边的隐形健康信号。
在生物液体检测中，传感器灵敏度受限往往源于样品总量不足；而对于气体传感，尽管空气总量充足，痕量分子却因过度稀释难以在传感器表面有效富集。这一根本性差异促使我们思考：能否通过创新传热传质过程实现空气中分子的快速富集，以此解决气态生物标志物检测的难题？
针对这一挑战，芝加哥大学化学系田博之团队与医学院Erika Claud团队开展跨学科合作，共同开发了基于气相-液相转换的ABLE检测平台。该工作今日发表于顶级期刊Nature Chemical Engineering上。前田博之团队的博士后，现美国圣母大学航空机械系、生物工程系的马景铖助理教授为文章的第一作者以及共同通讯作者。
ABLE检测平台通过三个关键过程创新突破传统局限：
（1 ）采用纳米结构超疏水冷凝表面，实现ppb级气相分子向微摩尔级液相分子的高效转化；
（2 ）集成分子筛富集与蒸发浓缩模块，将复杂的液体富集实验室流程简化为针对家用的标准化操作；
（3 ）兼容电化学传感器、比色试纸等多种液体检测终端。
目前，该系统可在15 分钟内完成270升空气的ppt级检测，成本仅为传统质谱仪的千分之一，为环境监测、健康管理等应用提供了兼具高灵敏度与实用性的解决方案。以下是正文中的主要内容：
图一展示了ABLE平台的工作原理与技术创新。该系统的核心创新在于采用超疏水冷凝表面（黑硅基底修饰六甲基二硅氮烷/氟化物涂层），能够将空气中ppb级的生物标志物富集至微摩尔浓度的冷凝液滴中，这一突破使传统液体传感器得以应用于气体检测领域，有望将现有气体传感技术的灵敏度提升高达九个数量级。ABLE一代原型机（尺寸：10cm×10cm×30cm）集成了冷凝腔体、水冷系统、气泵模块和电子控制单元，约10分钟可以采集约1毫升冷凝样品。通过创新的模块化设计，该系统可同步实现非挥发性分子的比色检测和挥发性分子的3Å分子筛富集。测试结果表明，这套成本低于200美元的系统能在15分钟内完成检测，其灵敏度、多目标检测能力和操作便捷性均优于现有便携式传感器和质谱技术，为环境痕量检测提供了突破性的解决方案。
图二系统阐释了ABLE平台的热流体设计与多相传质机制研究。研究团队首先通过对比实验发现，在含杂质气体的强制对流工况下，具有微米结构的黑硅冷凝器（实现跳跃滴状冷凝）相较于抛光单晶硅（膜状冷凝）能将冷凝效率提升150%，这一突破为快速样品收集和疾病诊断应用奠定了基础。
除传质速率外，研究团队创新性地提出了生物标志物捕获效率（η）这一关键指标，用于表征气态生物标志物与空气中水分同步进入冷凝水滴的比例。为探究这一在冷凝研究中长期被忽视的参数，团队搭建了标准气溶胶测试平台，采用液/气相色谱-质谱联用技术系统研究了五种物化性质迥异的分子（丙酮、异丙醇、吲哚、正戊酸和葡萄糖）。令人意外的是，这些分子在捕获效率上表现出高度一致性（η≈0.5），暗示低浓度条件下多元液体的传质机制可能与传统高浓度体系存在本质差异。
通过COMSOL多物理场仿真，团队揭示了ABLE内部独特的气流涡流设计可实现挥发分子的二次捕获。进一步的显微溶剂化显色荧光示踪实验表明，蒸发过程中的溶质残留率（同样稳定在0.5左右）主要受分子扩散系数（普遍约10 ⁻⁹ m²/s）而非亨利常数支配。这些发现不仅阐明了低浓度条件下分子相变稳定性的新机制，更为ABLE实现多种生物标志物的系统性检测提供了坚实的理论依据。
在挥发性分子检测方面，以丙酮（常用于糖尿病监测）为标准样品的实验表明，50-500μl稀释样本经3Å分子筛富集后，其检测灵敏度与直接滴加10μl浓缩样本相当。对于非挥发性分子，研究团队系统评估了多种富集方法，发现家用微波辅助蒸发不仅操作简便（仅需3-5分钟），而且富集效果与实验室专业设备相当。这些创新方法显著降低了技术使用门槛，使普通用户也能获得可靠的检测结果。该研究不仅证实了ABLE平台在生物标志物富集方面的卓越性能，更重要的是构建了从专业采样到家庭应用的完整技术链条，为非侵入式健康监测的普及化提供了切实可行的解决方案。
图四基于此前对ABLE流体物理特性的研究以及样品富集流程的验证，证明了ABLE系统在开放环境下进行非接触式生物标志物检测的能力。研究团队首先建立了空气中生物标志物稀释因子的校正模型，并基于此模型检测了人体呼出物的成分。
为了测试使用者在正常工作状态下直接向ABLE系统呼吸时能否检测到异常分子信号，团队首先进行了人体实验。实验数据显示，ABLE收集的呼出气体冷凝液在100倍富集后，其葡萄糖试纸的色度变化较洁净空气的对照组显著增强。这一结果表明，通过呼吸气体监测糖尿病具有潜在可行性。尽管团队尚未通过严格的临床研究验证该数据与血糖水平的相关性，但检测到的呼吸气体葡萄糖浓度与文献报道的血液-呼吸冷凝液10000倍稀释比例吻合。由于呼吸气体中的生物标志物浓度极低，文献报道的数据存在较大差异，这使得呼出气体检测至今尚未具备显著的临床意义。在未来，ABLE系统可通过高度富集样品，为呼气化学成分研究提供更精确的数据支持。
对于早产儿等需要尽量避免侵入式检测的特殊脆弱群体而言，开放系统中的无创监测具有重要意义。在新生儿重症监护室中，早产儿通常被安置在循环气流保育箱内，若能利用ABLE检测到空气中任何一种差异表达的生物标志物，未来或可应用于无创疾病监测，为已有的疾病检测添加额外的诊断信息。田博之团队与医学院Erika Claud团队合作，通过建立早产儿疾病的动物模型，利用人源化小鼠（早产组与足月组）首次从开放环境中检测到差异表达的鞘糖脂生物标志物。这不仅为呼吸道炎症的无创监测提供了首个实验证据，也进一步证明了ABLE技术在真实临床环境中的应用潜力。
图五进一步展示了ABLE系统的多功能性：它不仅能够检测分子生物标志物，还可高效富集颗粒态生物标志物（如细菌、病毒、过敏原及物理颗粒等）。研究团队首先以空气中的标准大肠杆菌样品为例，验证了ABLE的快速富集能力。相较于传统水冲击法（耗时较长且引因样品浓度低而常常需要后续的实验室细菌增值培养），ABLE系统通过优化的温和冷凝工艺，仅需20分钟即可将空气传播的大肠杆菌富集至试纸可检测浓度，同时保持较高的细菌存活率。针对花粉等复杂颗粒物，团队开发了双亲性表面蒸发富集技术，成功将空气中的花粉富集至微量液体中，并进一步浓缩至直径约1 mm的检测区域。此类富集样品可兼容多种材料表征技术，包括化学分析、机械性能测试、光学/热学表征以及形态学研究。作为示例，作者利用532 nm激光拉曼光谱对雏菊花粉进行分析，精准识别出多个文献报道的特征峰位。这些系统性实验不仅证实了ABLE平台在微生物活体捕获方面的卓越性能，还为空气中生物颗粒物的快速检测与多模态表征提供了全新的技术解决方案。
小结
本研究开发的ABLE平台通过创新气相-液相转换技术实现了空气中痕量生物标志物的高效检测，其核心优势包括：1) 检测灵敏度达ppt级（较传统传感器提升9 个数量级）；2) 多目标兼容性（可同步检测VOCs、非挥发性分子及颗粒物）；3) 实用化设计（便携设备成本
图片：圣母大学马景铖助理教授（右一）团队
来源：高分子科学前沿一点号1