自动化干涉型等离子体生物气溶胶现场检测系统（AIPS）的构建与验证

《Sensors and Actuators Reports》：AIPS: An Automated Interferential Plasmonic System for On-Site Bioaerosol Detection

　　

摘要专业翻译 自动化干涉型等离子体系统（Automated Interferential Plasmonic System, AIPS）用于现场生物气溶胶检测。该系统将气溶胶采样、微流控裂解和局域表面等离子体共振（Localized Surface Plasmon Resonance, LSPR）传感集成于同一平台。研究人员实现了完整的“空气至结果”无标记定量流程，全程在90分钟内完成；在样品引入传感器后1分钟内即可触发无标记报警。通过AIPS系统，研究人员在农场和室内环境中对大肠杆菌（E. coli）监测进行了现场验证。

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一、研究背景与问题

生物气溶胶（bioaerosol）是指悬浮于空气中的生物性颗粒，包括细菌、病毒、花粉、真菌孢子、动植物碎片以及内毒素和过敏原等生物衍生产物。这些颗粒的空气动力学直径从亚微米到数十微米不等，可在空气中长时间悬浮，并通过供暖、通风与空调（Heating, Ventilation, and Air-Conditioning, HVAC）系统在室内环境高效扩散，在室外大气中则可跨越更大空间尺度。生物气溶胶是呼吸道疾病传播的载体，也是过敏和哮喘反应的诱因，同时是临床和制药洁净空间卫生控制的重要指标，还可能成为意外释放或蓄意生物威胁的潜在媒介。因此，社会迫切需要既能定量空气中生物气溶胶浓度，又能表征其生物身份、活力和时间动态的技术。

传统生物气溶胶监测依赖显微镜法和培养法。光学和电子显微镜虽能直接识别孢子、花粉粒或细菌聚集体的形态，但劳动强度大，且无法可靠区分小型生物的物种或评估细胞活力。培养法通过惯性撞击将气溶胶颗粒直接收集到营养琼脂上，或先通过撞击法浓缩到液体中再涂板培养，经数小时至数天生长后计数菌落，以每立方米采样空气中的菌落形成单位（Colony-Forming Units, CFU）表示活微生物载量。该方法在洁净室和无菌制药灌装线等受监管环境中仍占主导地位，但本质上具有回顾性和偏倚性。许多临床和环境重要微生物在常规实验室条件下存活但不可培养，且所有培养法都带来不可接受的延迟，无法满足医院感染控制、机舱生物监测和蓄意生物释放快速检测等早期预警需求。

为缩短响应时间，两类快速、非培养依赖的方法已广泛使用。三磷酸腺苷（Adenosine Triphosphate, ATP）生物发光法通过荧光素-荧光素酶反应定量收集并裂解的空气微生物所释放的ATP，在数分钟内以低成本提供基于活力的总微生物载量指标，但其信号为总量，无法归因于特定生物体，且受细胞外和非微生物ATP干扰。光学和荧光仪器则通过激光束逐一检测受控气流中的单个颗粒，测量弹性光散射以推断粒径和形态，并采集激光诱导荧光以识别还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）、黄素和含色氨酸蛋白等自荧光生物分子。这些方法能在秒级时间尺度上连续检测生物气溶胶爆发，但仅能报告生物材料的存在或总量，缺乏识别具体病原体所需的分子特异性。

分子方法则彻底改变了生物气溶胶分析的特异性。聚合酶链反应（Polymerase Chain Reaction, PCR）、定量PCR（quantitative PCR, qPCR）、数字PCR、环介导等温扩增（Loop-Mediated Isothermal Amplification, LAMP）和宏基因组测序均已适用于空气样本。这些方法克服了可培养性偏倚，可解析到物种甚至菌株水平，但主要局限在于样本制备仍多为半手动、分析多为批量而非连续，周转时间虽远短于传统培养，仍以小时计。

目前，仅有少数商用仪器支持现场生物气溶胶检测，如Smiths Detection公司的BioFlash系统。大多数现有平台受限于颗粒收集尺寸范围有限、缺乏物种特异性识别和定量分析能力。近年来，LAMP-CRISPR分子检测策略已与气溶胶采样和微流控装置结合，功能膜材料也被开发用于将气溶胶捕获与实时定量读出集成于单一元件，但这些系统尚未展示可靠的气载病毒浓度定量能力。

等离子体传感（plasmonic sensing）作为一种有力的补充方法，提供无标记、实时、高灵敏度的生物靶标检测，且与自动化采样和处理单元集成高度兼容。通过利用金属-电介质界面电磁场的强束缚，等离子体结构对核酸杂交或抗原-抗体结合引起的局部折射率变化极为敏感。局域表面等离子体共振（LSPR）和干涉型等离子体架构已在液相生物传感中广泛验证，检测限可达亚微摩尔或更低浓度，同时保持紧凑体积和快速响应。研究人员此前已证明可对有效尺寸低至10 nm的收集颗粒进行生物气溶胶鉴定和定量，但采样和处理组件尚未完全集成。

二、研究内容与结论

针对上述集成度不足的问题，研究人员开发了自动化干涉型等离子体系统（AIPS），将可编程气溶胶收集、嵌入式微流控样本处理模块、高灵敏高选择性干涉型等离子体传感机制以及全自动工作流控制集于一体，用于现场生物气溶胶检测。该系统在收集液中实现实际检测限，并在90分钟内完成从空气采样到结果的全流程无标记定量，在完成空气采样后最快1分钟内即可对靶标存在发出无标记报警。真实环境试点测量表明，AIPS能够实现室内外生物气溶胶动力学的高时空分辨率监测，并支持定量暴露评估。这些结果确立了AIPS作为连续自主监测空气生物威胁的下一代平台，为医疗、交通及其他公共环境的感染风险早期预警提供了有前景的解决方案。

三、关键技术方法

研究人员采用了以下主要关键技术方法：

1. 1.
   湿度调控冷凝增长采样：通过加热式湿交换器创造过饱和环境，诱导水蒸气在气溶胶颗粒上凝结，增大颗粒尺寸和惯性，显著提高撞击法收集效率，同时减少温度引起的生物组分降解。
2. 2.
   原位微流控裂解：基于聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane, PDMS）的裂解混合器对收集液进行原位裂解，释放胞内核酸，其裂解提取效果与标准手动裂解相当。
3. 3.
   干涉型等离子体传感：采用金纳米岛（Gold Nanoislands, AuNIs）结构作为传感元件，结合微流控反应腔，利用干涉型等离子体构型提供比传统强度型传感更高的灵敏度和更强的环境扰动抗性。
4. 4.
   短时傅里叶变换衍生距离度量（Short-Time Fourier Transform-Derived Distance Metric, ST-DDM）：对每个采集光谱进行快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform, FFT），施加频域掩模抑制基线偏移和非期望分量，再经逆FFT变换回波长域，随后应用短时傅里叶变换（Short-Time Fourier Transform, STFT）捕获干涉波形的局部动态变化，最后通过归一化欧氏距离与基线比较，得到紧凑定量的光谱状态变化指标。该度量非周期性、严格正值、动态范围大，避免了快速变化条件下的周期丢失，且无需手动选择敏感范围，受芯片共振波长变化影响较小。

四、研究结果

系统集成与表征：AIPS将湿度调控冷凝增长采样器、原位裂解微流控模块和LSPR传感单元集成于单一平台。金纳米岛结构通过薄金膜热去湿工艺制备，平均粒径约30 nm，紫外-可见光谱显示吸收峰位于绿光范围。干涉型光谱数据通过ST-DDM方法提取特征。

信号处理与参数稳定性：ST-DDM方法通过STFT生成联合频率-波长表示，可表征全局光谱演化和与表面等离子体共振（Surface Plasmon Resonance, SPR）及LSPR过程相关的细微局部变化。研究人员对窗口长度M、高斯窗口标准差σ和重叠比三个关键参数进行了全网格扫描，以量化检测灵敏度和参数扰动的鲁棒性。结果显示，存在满足信噪比（Signal-to-Noise Ratio, SNR）>3、Cohen's d>0.8、梯度和变异系数（Coefficient of Variation, CV）阈值的稳定参数区域，表明ST-DDM方法在不同参数设置下均能稳定可靠地检测信号。

五、讨论与结论

讨论部分指出，与基于相位的检索方法相比，ST-DDM度量非周期性、严格正值且动态范围更大，避免了快速变化测量条件下的周期丢失，且无需手动选择敏感范围，反映全局光谱演化而非仅峰值移动，因此受所用芯片共振波长变化影响较小。研究结论表明，AIPS实现了现场生物气溶胶的自动化无标记定量检测，在90分钟内完成全流程定量，并在1分钟内触发无标记报警，真实环境验证支持室内外生物气溶胶动力学的高时空分辨率监测和定量暴露评估，为空气生物威胁的连续自主监测提供了下一代平台，在医疗、交通和公共环境的感染风险早期预警方面具有广阔应用前景。