生物电传感器 中国研发活体生物电传感器，将全细胞生物传感器用于环境污染监测

中国研发活体生物电传感器，将全细胞生物传感器用于环境污染监测

有关传感器的研究工作有很多，什么样的才能获得 Nature 的青睐？正在剑桥大学做博后研究的苏林，可能有自己的见解和体会。

图 | 苏林（来源：苏林）

近日，他和读博时所在团队研发的活体生物电传感器终于正式公开，相关论文已被Nature 录用。

（来源：Nature）

合成生物学与微生物学“结合”出一款传感器

据介绍，针对环境污染物，活体生物电传感器可以实现快速生物电传感检测。此前，生物传感领域内的响应信号，需要二次转换为电信号，以便进行程序分析和传输，这导致响应时间通常比较长。针对这一限制，该成果进行了优化和突破。

对于环境污染的监测尤其是水资源的污染监测，一直是人类面临的全球性环境挑战。污染物质的释放往往是动态和瞬时性的，因此需要对可能的污染物进行实时监测。

传统方式一般通过定时定点取样，然后送回实验室利用大型仪器进行测试，在时效性上存在明显的劣势。

目前，结合生物传感技术与合成生物学，学界已经开发出了可在现场部署的生物传感器。但是，大部分传感监测输出的信号都是视觉信号，比如颜色的变化和发光等。

尽管部分生物电传感器可以利用改造后的电活性微生物，对特定物质进行识别并直接输出电信号。然而，这些传感器都依赖基因的转录调节，检测过程中需要历经从 DNA 转录成 mRNA、再翻译成蛋白质的过程，故其响应时间一般在 30 分钟甚至更久。

另外，水体中富含着各类化学物质，也时刻会发生环境条件的变化，比如温度、pH、水速、含氧量等。这些往往会对传感器信号造成干扰，致使信噪比降低、以及响应时间被拖长。

而此次研究结合合成生物学、电化学、材料科学等，让监测目标污染物的时间被缩至三分钟，并能直接输出电传感信号。

（来源：Nature）

其主要包括以下三项突破：

第一，该团队构建了一条来自四种不同生物、横跨两个不同生物域的氧化还原酶所组成的人造电子传递通路，实现了对于目标物质的识别、信息传递、以及对于监测过程的能量供应。

第二，研究人员使用蛋白质开关，来对电子传递过程进行控制，响应时间短，非常适合对环境中的瞬时污染物排放进行持续监测。

第三，课题组利用水凝胶材料和导电纳米颗粒，对改造后的微生物进行封装，在防止微生物逃逸到环境中的同时，还提升了传感信号的信噪比。

可以说，这款活体生物电传感器在很多领域都具备应用前景，尤其是在环境监测方面。而且，在传感通路的设计上，课题组采用了模块化构思，因此理论上每个模块都能根据具体需求进行修改和设计。

另外，在智慧农业、助力工业废物处理和水安全、甚至远洋深海资源探测上，这款传感器都能发挥作用。

对于本次研究，一位评审专家表示：“在过去 20 年里，已有大量利用生物作为传感器的先例（例如植物在爆炸物的存在下改变颜色等)，但它们存在通过生物感知产生视觉或电信号所需时间较长的限制。本文作者将合成生物学与微生物电化学进行结合，实现了待测物的传感监测。总的来说，该成果对分析化学领域产生了深刻影响，并将引起人们对于合成生物学与微生物学领域的广泛兴趣。”

还有审稿人表示：“该工作对以往的生物电传感体系进行了大幅改进，并验证了将基于全细胞的生物传感器用于实时监测的可能性。最重要的是避免了在基因转录过程中的延迟。”

近日，相关论文以《环境污染物的实时生物电子传感》（Real-time bioelectronic sensing of environmental contaminants）为题发表在 Nature 上 [1]。

图 | 相关论文（来源：Nature）

美国莱斯大学生物科学系约书亚·阿特金森（Joshua T. Atkinson）博士、苏林博士是共同一作，莱斯大学生物工程系乔纳森·席尔伯格（Jonathan J. Silberg）教授、以及莱斯大学生物科学系卡罗琳·阿霍-富兰克林（Caroline M. Ajo-Franklin）教授担任共同通讯作者。

“We got a 4HT sensor”

据介绍，此次课题的最早构思源自于 2015 年“合成生物学:工程、进化与设计”（Synthetic Biology: Engineering, Evolution & Design）大会[2]。

这分别涉及到两位人物：Caroline 教授课题组的摩西·巴鲁克（Moshe Baruch）博士、以及Silberg 教授课题组的乔什·阿特金森（Josh Atkinson）博士。

两人的姓氏分别以 B 和 A 开头，当时两位博士的演讲海报排在最前面，并恰巧被安排在一起。

Caroline 课题组的研究方向之一是微生物的电信号输出，而 Silberg 课题组主要研究铁氧化还原蛋白的功能和蛋白质开关的构建，这分别对应了本次论文中的信号输出模块和信号输入模块。

于是，Moshe 和 Josh 看到彼此的工作之后一拍即合，并表示：“We need to get together and talk about this！”

之后，两支课题组建立联系并决定合作，半年后他们获得了第一笔研究经费的资助。

苏林则于 2016 年秋季加入Caroline 课题组，一开始他接手的是另一个课题。

2017 年夏季，苏林的第一个项目基本完工之后，正好 Moshe 的博后职位快要结束。

“这时，我的导师 Caroline 和 Moshe 找我来参与电传感的课题。与 Silberg 教授课题组的 Josh 等人合作。项目推进并没有想象中顺利，我跟 Josh 也因此不得不延期各自的博士答辩。”苏林说。

由于他们设计的传感通路实在是太过复杂，在三年间的大部分时间里，研究团队都在不停地构建工程菌、验证、失败、再重新构建，如此往复。

期间最大的挑战在于，有好几次检测了到传感信号，但是兴奋之后仔细分析发现是假阳性、或者对照组设计的不够严谨，这时只好推翻再来。

（来源：Nature）

2020 年下半年，实验开始迎来起色。Josh 把蛋白开关部分进行了升级改造，测试效果得到明显改善。

“再后来，Xu Zhang 博士的加入，帮忙解决了不少技术难点，也让实验进展更加顺利。2020 年 11 月底，我给两位教授以及 Josh 发了封邮件，邮件的 title 是 ‘We got a 4HT sensor’，4HT 就是我们目标污染物（4-hydroxytamoxifen）的缩写。一般来说，在邮件结尾使用‘Cheers’的机会并不多，由此足见当时的激动。”苏林说。

图 | 苏林当时发的邮件（来源：苏林）

项目的后续推进变得则越来越顺，2021 年 2 月他们完成了核心数据的最后一个实验。之后大家开始分工撰写手稿。

苏林表示：“不停地失败并坚持的过程就挺难忘的，还有 Nature 的发表周期太长了非常折磨人。”

不过有意思的是，随着项目的推进也发生了一些地理意义上的人员变动。苏林继续说道：“2018 年，Josh 拿到美国能源部的奖学金，得以让他从休斯顿飞到伯克利跟我们一起做了大半年的实验；2019 年，Caroline 教授拿到莱斯大学的 offer 和德州的 funding，于是我们实验室从伯克利搬到休斯顿；2020 年，Josh 毕业之后去南加州大学做博后，中途暑假又飞回来继续帮忙做实验，还在我家的沙发上睡了一个多月。”

期间，苏林跟 Josh 也成了很好的合作伙伴和朋友。他教苏林合成生物学的实验，苏林教他电化学。同时，他俩还是上下楼的邻居。那时，苏林经常端着中式料理下楼去找 Josh 喝酒，Josh 则提供德州风味的烧烤、甜品和两只可爱的猫。

看得出来，即便已在国外生活数年之久，苏林依然保留着地道的中国饮食习惯。而他也表示：“回国工作一直是我努力的目标之一。”

图 | 苏林（来源：苏林）

出生于江西鹰潭的苏林，其本科就读于南京农业大学生物技术专业。他说：“大二暑假时跟朋友一起参加国家大学生创新性实验计划（当时好像是南农的第一届），研究是真菌孢子对杂草的治理，可以算是我最早的科研经历了。”

之后考研到东南大学生物物理专业读硕，导师是付德刚教授。当时研究的课题是纳米材料对微生物胞外电子传递的促进作用。

“硕士毕业后继续在付老师组里读博，专业方向是生物医学工程的纳米生物器件。博士期间获得了国家留学基金管理委员会的资助，交流去了当时在美国伯克利国家实验室的Caroline课题组学习合成生物学。博士论文的课题最终确定在利用合成生物学编辑微生物的电子传递，并将其应用在微生物电传感方面。”他说。

博士毕业之后，苏林来到英国剑桥大学化学系欧文·赖斯纳（Erwin Reisner）教授课题组研究人工光合作用，主要研究如何通过构建微生物-纳米材料的生物复合体，来实现光能的转换和二氧化碳的还原[2]。

其表示：“我目前在剑桥大学担任博士后研究员，并且很幸运地获得了英国 Leverhulme Trust 和剑桥三一学院 Isaac Newton Trust 提供的三年早期职业研究员奖学金（Early Career Fellowships）。在此之后，我打算申请教职，并建立自己的研究团队。我预计在 2024 年左右开始关注招聘启事并与国内的用人单位联系。”

参考资料：

1.Atkinson, J.T., Su, L., Zhang, X. et al. Real-time bioelectronic sensing of environmental contaminants. Nature 611, 548–553 (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-05356-y

2.RICE NEWS: Bacterial sensors send a jolt of electricity when triggered. https://news.rice.edu/news/2022/bacterial-sensors-send-jolt-electricity-when-triggered

3.University of Cambridge, Lucy Cavendish College, Dr Lin Su. https://www.lucy.cam.ac.uk/fellows/dr-lin-su

智能穿戴中都有哪些传感器？了解这十个就够了

如果你了解智能穿戴的话，应该对其中内置的传感器都不陌生，比如大家非常熟悉的光学心率传感器，而正是因为光学心率传感器的普及，也让心率监测的成本变得更低，而且我们也在越来越多的智能穿戴设备中见到了它的身影。那么除了常见的心率传感器之外，还有哪些隐藏在智能穿戴设备内部的传感器呢？而它们又有着怎么功能呢？今天我们就来仔细盘点一下。

1、加速度传感器

在智能手环的传感器中，运动传感器最为基础，它包括了加速度传感器、陀螺仪、电子罗盘传感器、大气压传感器等，其中加速度传感器和陀螺仪应该是大家都比较熟悉的两个，通过测量方向和加速度力量，判断设备是否移动，从而达到计步的目的，而通过收集的数据匹配用户正在进行的运动类型，进而监测用户的步行数、卡路里消耗量等，实现智能设备最基本的功能。

2、光学心率传感器

光学心率传感器是智能手环最常用的心率监测装置，当电容灯光射向皮肤，透过皮肤组织反射回的光被光敏传感器接受并转换成电信号再经过电信号转换成数字信号，再根据血液的吸光率就能测算出心率，随着成本的不断降低，光学心率传感器已经成为智能穿戴设备中最为普及的传感器之一。

3、生物电阻抗传感器

作为另一种监测心率的传感器，生物电阻抗传感器在智能手环中比较常见，例如曾经的Jawbone UP3手环中就采用这种方式来监测心率。其原理也比较容易理解，它可通过生物肌体自身阻抗来实现血液流动监测，并转化为具体的心率、呼吸率及皮电反应指数，是一种更先进的综合生物传感器。

不过这个方法的缺点也比较明显，比如电路比较复杂、占PCB空间比较大、易受电磁干扰、测量时传感器必须紧贴皮肤等，所以目前在智能手环中已经比较少用到了。

4、全球定位系统（GPS）

手机的定位大家都比较熟悉，不过定位系统在智能手环或手表中的普及率并不算很高，只有一些专业级的运动手环或手表才具备GPS芯片，而且由于成本较高，此类产品的的价格也会更高。比如佳明fenix5X，其中便内置了GPS、GLONASS、北斗卫星定位系统，它可以用于记录用户的地理位置、跑步路线，实现轨迹规划、航迹返航，对于喜欢户外运动的人群来说是绝对的刚需。

5、皮电反应传感器

皮电反应传感器是一种更高级的生物传感器，用来测量人的唤醒度的，而唤醒度经过大量科研实验证明是和人的关注度和参与度紧密联系在一起的，通常配备在一些可以监测汗水水平的设备上。专业的角度来讲，人体的皮肤电阻、电导随皮肤汗腺机能变化而改变，这些可测量的皮肤电改变称之为皮电活动（EDA)。心理生理学家对心理上引起的汗腺活动进行测量，来研与之相关的心理活动，这也是一些手环可以提供用户心情指数的重要依据。

6、温度传感器

顾名思义，温度传感器主要用于检测用户表皮的温度，它通过与用户皮肤的直接接触，测量出皮肤的表层温度，不过由于手表佩戴方式决定了，体表温度并不能够代替体温，而仅仅能够作为一种间接地参考数据，同时在智能手环中应用的相对来说还比较少。

7、气压传感器

气压传感器大家应该也比较熟悉，它可以测量用户所在位置的气压大小，从而计算出海拔高度，在运动手表或手环中应用比较普遍，通过在运动过程中微弱的气压变化来计算出所在位置的高度变化，同时精确度在10层楼的高度运动过程中可以控制在10CM以内，大到攀岩、小到爬楼梯的数据都可以实现监测，也是专业运动手表中不可或缺的传感器之一。

8、电容传感器

这个相对来说可能很少被提及，不过应用的其实很广，例如很多手环有一个脱腕检测功能，其实就是利用电容传感器监测到电容电压的变化，从配合算法自动检测用户是否佩戴手环，及时给予用户提醒，甚至还能起到一定的防丢作用。此外，电容传感器其实还可以避免没有佩戴手环场景下的睡眠误判、心率监测等。

9、霍尔传感器

霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器，它在手环或耳机中都有应用。它主要通过手环腕带上内置磁铁，感应耳机或腕带之间磁通量的变化，判断耳机或手表/手环是处于佩戴的状态，同时也可以控制耳机的播放/暂停，实现“摘下即停、戴上即听”的功能。

10、环境光传感器

在智能穿戴产品中，智能手表的续航一直是一个痛点，而为了进一步延长续航，环境光传感器几乎成为了智能手表的标配之一。在原理方面，环境光传感器可以感知周围光线情况，并告知处理芯片自动调节显示器背光亮度，降低产品的功耗，同时环境光传感器也被广泛应用在手机、笔记本、平板电脑等移动设备上。

总结：

以上就是是个在智能穿戴产品中经常会被提及的传感器，也正是因为在智能穿戴产品中集合了如此之多的传感器，才让智能穿戴设备拥有了众多个性化的功能，了解这些功能背后的传感器，也更有助于我们了解智能穿戴类产品，在购买时也能够根据自己的需求，选择出最合适的产品。■

本文编辑：马景东

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