《Biosensors》：Detection of Buried Landmines in an Active Minefield Through Bioreporter-Based Optoelectronic Sensing of Their Chemical Signatures
编辑推荐：
本文所呈现的研究首次在活动雷场中演示并验证了利用传感细菌（生物报告基因，bioreporters）探测埋设TNT地雷所产生的化学特征信号的概念验证。该方法基于生物报告基因在目标化学物质存在时产生可测量信号的原理，与常规探测方式存在根本性差异，因为它探测的是爆炸
本文所呈现的研究首次在活动雷场中演示并验证了利用传感细菌（生物报告基因，bioreporters）探测埋设TNT地雷所产生的化学特征信号的概念验证。该方法基于生物报告基因在目标化学物质存在时产生可测量信号的原理，与常规探测方式存在根本性差异，因为它探测的是爆炸装置中的炸药组分，而非其外形或金属含量。此外，鉴于生物报告基因具有探测广谱目标化学物质的通用性，该技术有望通过开发专用生物报告基因，进一步适配探测其他类型爆炸物。测量结果还凸显了生物传感模块（biosensing modules, BSMs）作为传感器网络节点、在大面积区域实施该方法的潜力。利用细菌生物传感探测TNT的方法可配置为多种替代方案，从而支持诸如在货运集装箱、建筑物及其他环境中识别隐蔽TNT等更多应用场景。
一、研究背景与问题
埋设地雷作为历次战争和军事冲突的遗留物，在全球范围内构成严重的人道主义和经济挑战，且随着部分地区战事持续，这一问题仍在加剧。全球埋设地雷总数估计约1.5亿枚，仅2023年就造成5700人死亡，其中84%为平民。地雷通常埋设于未测绘的广阔区域，全球“疑似雷区”面积估计达数十万平方公里。然而，在这些疑似区域内，雷场的精确位置未知，因此整个疑似区域被视为完全受污染，无法用于农业、矿产开发、城市建设或基础设施建设。这一现状凸显了对高效探测与排除埋设地雷技术的迫切需求。经济有效的排雷要求首先明确雷场在疑似区域内的位置，以便将排雷力量集中于实际危险区域，而目前尚缺乏此类技术。此外，安全清理疑似区域供民用，需要一种可扩展的方法来确认大面积土地不存在埋雷。
二、研究内容与结论
研究人员提出并验证了一种基于细菌化学传感的埋设地雷探测技术。该技术利用经基因工程改造的细菌（生物报告基因，bioreporters）作为核心传感元件，当暴露于特定目标物质时产生可测量信号。本研究采用的报告机制为生物发光（bioluminescence），即生物报告基因在接触目标物质时发出光信号。研究基于两项前提假设：埋设地雷释放特定化学物质，穿透外壳渗漏至地表形成“化学特征信号”；该信号可被散布于地面的发光生物报告基因感知并响应。研究人员在以色列约旦河谷Ein-Sukkot活动雷场中开展了系列测量，该雷场埋设有约57年前布设的杀伤人员地雷，内含200克铸造TNT炸药。研究采用配备胶囊盒的生物传感模块（biosensing modules, BSMs），部署于雷场地面，通过探测TNT主要分解产物2,4-二硝基甲苯（DNT）来识别地雷的化学特征信号。测量结果表明，部署于地雷周围的BSM成功检测到DNT信号，而置于雷场外清洁区域的阴性对照BSM未产生显著信号，验证了两项前提假设的有效性。该研究为细菌传感作为可扩展、高效的地雷探测方法提供了概念验证，并展示了BSM作为传感器网络节点、实现大面积分布式探测的潜力。
三、主要技术方法
研究人员采用的主要关键技术方法包括：基于基因工程改造的DNT敏感生物报告基因菌株，该菌株经质粒引入目标诱导型启动子与报告基因融合构建；将生物报告基因封装于海藻酸盐聚合微胶囊（传感胶囊）中，以维持其存活并集成于光电传感系统；胶囊盒结构使胶囊与土壤接触并透射生物发光信号；生物传感模块（BSM）配备诱导信号通道与参考通道，输出两通道发光强度差值，阳性输出指示目标物质存在；“镜像成像”判据通过比较同一BSM内两个相邻传感器的输出时间依赖性，确认阳性检测结果。实验室预实验验证了该菌株可检测30 ppb浓度的DNT水溶液。
四、研究结果
阴性对照测量： 在雷场外清洁区域部署BSM，信号水平显著低于雷场内测量值，且1小时内达到最大值，符合清洁土壤上自发发射的特征，确认该区域无可检测DNT。
三角支架部署测量： 在雷场中选择两枚地雷，分别部署两组各含4个BSM的等边三角支架，中心BSM位于地雷激活机构正上方，顶点BSM距中心30厘米或45厘米。结果显示，顶点BSM均明确检测到其覆盖范围内的DNT，而中心BSM无响应，可能因其位于距TNT装药13厘米的激活机构正上方，且地雷埋设较浅，TNT蒸气需侧向渗透土壤才能到达传感器。信号强度与时间依赖性在各位置间存在差异，反映地雷周围土壤的异质性，但镜像成像判据有效确认了阳性检测。
两排BSM部署测量： 研究人员另将两排相邻BSM垂直于地雷埋设行部署，结果事后确认部署区域埋有两枚地雷，进一步验证了方法的有效性。
五、讨论与结论
讨论部分指出，基于细菌传感的地雷探测与金属探测器、探地雷达、声波和热成像等常规方法存在根本差异。常规方法依赖探测地雷外壳、金属部件或形状等物理特征，仅提供间接指示，易产生误报和漏报；而细菌传感直接探测炸药的化学特征信号，提供地雷存在的直接指示。该方法隐含假设地雷位置与其化学特征信号的空间分布相关，可通过三个步骤实现：生物报告基因执行传感、光电电路执行采样、中央处理单元执行数据处理并生成化学特征信号空间分布图，进而推断地雷位置。BSM具备适合户外传感器网络部署的多项特性：设计支持长达12小时的原位运行、可重复操作、昼夜封闭架构运行不受环境光照影响、运行温度范围约21–35°C，且镜像成像判据支持宽动态范围的可靠检测。网络灵敏度可通过调整胶囊数量调节，空间分辨率由单位面积部署的BSM数量决定，两者可根据先期小范围高密度高灵敏度测量结果优化。
研究结论部分翻译如下：总之，本文所呈现的研究通过证明生物报告基因对地雷在其周边产生的化学特征信号作出响应并产生可测量信号，为探测TNT地雷方法的基本原理提供了概念验证。该方法独特之处在于探测地雷内TNT产生的化学特征信号，而非依赖地雷外形或外壳金属含量。此外，测量结果凸显了BSM作为传感器网络节点、实现大面积地雷化学特征信号测绘的潜力。该方法还可配置为不同形式，支持探测货运集装箱、建筑物及其他环境中的隐蔽TNT，尤其适用于含TNT未爆弹药（unexploded ordnance, UXO）的探测。最后，由于生物报告基因可通过基因工程改造以响应不同化学目标，该方法具有内在通用性，可适配测绘多种目标物质的痕迹，包括其他爆炸物及更多关注化合物，并为精准农业和环境监测等其他领域提供应用基础。
