CF传感器 可穿戴的合成生物学传感器：新冠病毒检测口罩

可穿戴的合成生物学传感器：新冠病毒检测口罩

撰文 | 啾啾椰

责编 | 兮

基于细胞的合成生物学需要用到活体工程细菌，往往面临着系统复杂，不可预见的进化突变以及生物危害等问题。无细胞合成生物学（cell-free synthetic biology）是指利用非生物系统，在体外实现转录和翻译的过程【1】 。通过无细胞合成生物学与柔性纺织品的结合——将DNA或RNA中储存的基因电路（genetically engineered circuits）保存在冻干的无细胞系统（freeze-dried，cell-free ，FDCF）里【2】 ，人们就可以将生物传感器穿在身上，进行即时便捷的检测。

2021年6月28日，来自MIT与哈佛的James J. Collins 团队在Nature Biotechnology 上发表了题为Wearable materials with embedded synthetic biology sensors for biomolecule detection 的文章，发展了可以检测小分子、核酸和毒素的可穿戴系统（wearable FDCF, wFDCF），开发了一种带有CRISPR传感器的口罩，只需按下按钮，便可在穿戴条件下检测SARS-CoV-2。

在最初的可穿戴设备设计中，检测样本通过毛细管作用被吸收并引导到亲水纸上，纤维基质中的基因电路开始运行，通过 lacZ β-半乳糖苷酶操纵子水解氯酚红-β-d-吡喃半乳糖苷（CPRG），使材料发生黄色-紫色的颜色变化。设备设计考虑了飞溅体积，温度湿度等环境条件，模拟皮肤表面环境，优化反应动力学，产生模块化系统，可以结合到日常穿戴上。

图1：可穿戴设备的分层示意图

随后为了增强传感，研究者在织物纤维和纱线中添加了可以输出荧光信号的wFDCF。在尝试了包括丝绸、棉、聚酯等100多种织物后，他们选用带有无细胞试剂的亲水线，编织成聚合光纤（polymeric optic fibers，POFs），装在疏水弹性软硅酮胶中。样品会进入织物内部反应室，让亲水纤维中的FDCF产生合成生物学反应，输出光学信号。研究者验证了这一平台在检测HIV RNA和农药行业中的有机磷神经毒剂中的应用，并验证了该传感器对于神经毒素对氧磷（paraoxon-ethyl）的检测限比哺乳动物皮肤吸收的致死剂量 (LD50) 【3】 低四个数量级。

为了检测特定核酸样本，研究者发展了基于CRISPR的wFDCF 传感器。基于CRISPR的传感器有诸多优点，包括高灵敏度、快速输出、单碱基对分辨率、冻干兼容性和面向任意DNA/RNA序列的可编程性【4，5】 。他们将一种称为“神探夏洛克”【6】 ，意为特异高灵敏度酶促解锁（specific high-sensitivity enzymatic reporter unlocking ，SHERLOCK）传感器整合到可穿戴平台中。在检测过程中，目标 dsDNA 序列被重组酶聚合酶扩增（recombinase polymerase amplification，RPA），RPA 扩增子激活 Cas12a-gRNA 复合物，活性 Cas12a 产生反式 ssDNase 活性并切割荧光基团与淬灭剂之间的ssDNA连接，从而产生荧光输出。传感器的检测限为飞摩尔，证明它具有与实验室诊断（如qPCR）相媲美的灵敏度。

图2：CRISPR-Cas12a 系统的传感机制：RPA 增强子激活催化切割荧光团-淬灭剂 ssDNA 探针。

最后，研究者想将上述各项wFDCF技术应用到SARS-CoV-2检测中。呼吸道飞沫和气溶胶是呼吸道传染病的传播途径，但很难作为诊断手段。他们开发了一种可以检测呼出气溶胶中 SARS-CoV-2的口罩，实现对传统鼻咽采样的创新。口罩包括四个模块化组件：样品储存，样品收集垫，微流体分析装置（microfluidic paper-based analytical device，μPAD）和用来显示结果的横向流动（lateral flow assay ，LFA）条带。在咳嗽，说话与呼吸过程中，病毒会积聚在口罩内部【7】 ，毛细管作用将病毒颗粒从样品收集垫吸到μPAD上，通过冻干裂解提取RNA，逆转录-重组酶聚合酶扩增 (RT-RPA) 靶向扩增SARS-CoV-2 S 基因的非重叠区域，然后用SHERLOCK传感器检测扩增子。在存在SARS-CoV-2扩增子时，活化的 Cas12a 会切割荧光-DNA探针，在LFA上显示能用肉眼观察的条带。

这一口罩传感器无需电源，重量轻，用户友好，可以在室温下使用，从激活到最终读数只需约1.5小时，检测极限为500个拷贝的SARS-CoV-2 体外转录RNA ，符合世界卫生组织对RT-PCR的检测标准，并能将SARS-CoV-2与其它常见的人类冠状病毒株 (HCoV)区分开。

图3：检测反应的关键步骤

综上所述，研究者将基于冻干CRISPR传感器的无细胞合成系统与柔性纺织品结合，发展出一种可穿戴合成生物学材料，可以检测代谢物，化学物质和病原体核酸等物质，并通过比色反应或者荧光报告结果。核酸检测限可与当前RT-PCR方法媲美。他们还制作了一种口罩，只需按下按钮，就能在室温下90 分钟内对 SARS-CoV-2 进行可穿戴的无创检测。

这一研究扩展了可穿戴生物传感器的功能，并能适应各种形状与应用环境，具有保护高危环境下的医护工作者，研究人员或作战人员的潜力。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41587-021-00950-3

制版人：十一

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多功能水泥复合材料研究，是否能作为应变和损伤传感器来应用？

文|削桐作琴

编辑|削桐作琴

«——【·前言·】——»

多功能水泥复合材料，即采用随机分散的不连续碳纤维或碳纳米纤维增强的水泥基材料，在技术上具有广泛的应用前景，它具有良好的结构性能和耐久性。

改进后的性能表现为更高的弯曲韧性、强度以及拉伸延展性和强度，耐久性的提升在于其低干燥收缩率以及在腐蚀环境中表现出更好的结构行为。

这类材料所展示的卓越功能特性与其高导电性密切相关。其中，电阻率随应变的变化导致了不同的应用，如电磁干扰屏蔽材料或应变传感器，其高导电性也为其他应用提供了吸引力，如用于多种目的的电接触，以及电阻加热。

该材料还具备应变传感的能力，即对体积电阻率做出与应变状态成比例且可逆的响应，当纵向施加压应力时，材料沿该方向的电阻率会降低。

然而，当材料处于张力状态时，电阻率则会增加，这两种效应在材料的弹性范围内是可逆的，一旦负载移除，电阻率将恢复到初始值。

因此，本研究将对多功能水泥复合材料在RC梁上作为应变和损伤传感器的应用，并对碳纳米纤维（CNF）和碳纤维（CF）作为复合材料中的导电添加剂进行比较。

图1

«——【·传感器的准备·】——»

制备添加了碳纤维（CF）和碳纳米纤维（CNF）的波特兰水泥浆，选择符合UNE-EN 197-1：2000标准的硅酸盐水泥，型号为CEM I 52.5 R。

为了保持一致，使用蒸馏水，并将所有的水/水泥比（w/c）设定为0.5。之后，制备五种不同剂量的导电外加剂，第一种是2%的CNF的水泥浆。

表1

另外四种剂量为1%CF的导电外加剂，使用两种不同的纤维：Zoltek PANEX35（CF3）和Hexcel HEXTOW AS4（CF10）。

为了确保导电外加剂在混合物中均匀分散，采用特定的处理方法将CNF分散在混合水中。

在自动混合器中进行机械搅拌的同时使用Hielschier UP200S型超声波设备对混合物进行超声处理。

表2

当然，CF在纳入混合物之前，经历两种不同类型的处理：氧化和超声处理。

进行氧化处理过后，将纤维置于400°C的空气中，在10 mL/min的流量下连续处理4小时。

这个处理过程有助于去除纤维上的浆液，暴露纤维中的碳，并且在纤维表面形成含氧官能团，从而改善纤维的润湿性和增强纤维基体粘结性。

表3

然后，将其放入水中进行5分钟的超声处理，接着，将所有组分倾倒入自动混合器中进行搅拌5分钟。

最后，将其倒入两种不同尺寸的棱柱样品中，在固化28天后，使用环氧树脂Pattex Nural 27连接到RC梁上。

为了形成四个电触点，根据四探头方法的要求，在与端面平行的四个内侧平面的周边涂上了导电银漆，然后，将四根铜线缠绕在每个导电银漆周边。

图2

«——【·应变传感和损伤传感测试·】——»

每个传感测试都是在四点弯曲条件下进行的，如图1a所示。所有传感器都位于施加荷载的两个点之间，因此它们所受的弯曲力矩是相同的。

图1a

图3包括了应变传感测试（图3a）和损伤传感测试（图3b）中间横截面的弯曲力矩随时间变化的数据。

应变传感测试的加载和卸载循环范围在2至20 kN m之间，而损伤测试则由逐渐增加的循环组成，直到梁失效。

图3

在传感测试（应变或损伤）期间进行电阻测量时，使用AC/DC电流源（吉时利1型）将外部触点之间的电流强度固定为6220 mA，并使用数字万用表测量内部触点之间的电压（吉时利2002型）。

因此，可以利用欧姆定律计算电阻值。所有的测试都是在带有最大负载为200 kN的机械压力机上进行的，配备了Vishay P3应变计和位于中间横截面的应变计以及另外四个测厚仪均匀分布在梁的上表面上，用于对纵向应变进行永久监测。

«——【·应变传感测试结果·】——»

首先，图4展示了两种导电外加剂（a）1%CF10和（b）2%CNF在应变检测方面的能力示例。

每个图示都显示了位于梁压缩（上）侧传感器的阻力和弯矩（在加载点之间的部分）随时间的关系。

图4

这两种复合材料的电阻之间存在明显的差异，长CF的电阻仅为0.75Ω，而相同尺寸的CNF传感器的电阻增加到约2 kΩ，这些结果与先前的研究完全一致，符合逻辑。

针对这两种水泥浆，电响应倾向于随着传感器受到的机械输入而变化，即在较高的压缩应变下，电阻较低。

图5显示了这两个传感器的曲线，与CF传感器相比，CNF传感器具有更高的灵敏度。

图5

接下来，我们来分析第二个变量，即复合材料位置对传感器的影响，即传感器是处于拉伸还是压缩状态。

为此，在图6中，只显示了1%CF10水泥浆的阻力/应变曲线，并包括三个线性回归函数（其中两个对应于单独考虑的每个传感器，第三个对应于所有数据）。

图6

根据先前的研究报道，压缩时的电行为已经被讨论过，如果施加张力，则电阻会增加，因为应变水平越高。

在图6中，每个方程的斜率直接对应于量规系数GF，即传感器的检测能力，如果分别分析每个传感器，则张紧传感器显示出更高的GF和更好的r2皮尔逊系数，与其压缩对应物相比。

然而，如果在相同剂量和尺寸的传感器之间没有区别，则可以获得非常好的线性适应，例如第三个函数具有0.92的r2值。

传感器尺寸的影响一直是应变传感研究中的最后一个变量，对于CNFCC，我们考虑了两种不同的传感器配置。

一方面，我们将较小样品（2×2×8 cm³）附着在梁上，其比例与之前的单轴工作相同；另一方面，我们直接将厚度和RC梁宽度较小的连续层（1.9×10×0 cm³）浇注在传统混凝土上（分别表示为类型a和b，如图7所示）。

图7

图8展示了上述每种传感器类型（位于梁压缩侧）的2%CNF水泥浆的结果，图8a显示了薄层传感器的弯矩和电阻随时间的变化。

在每个加载-卸载循环之间，都无法看到任何差异，并且在相同加载条件下，相同的电阻变化被记录，无论负载施加的方式如何或持续多长时间。

图8a

在图8b中，绘制了等效电阻与应变之间的变化曲线。两种线性相关性的r²系数都高于0.91，但是连续层的GF略高于较小传感器（191.8与175.99）。

这种较高的灵敏度可能是由于通过较低层的厚度改善了浆料和混凝土之间的应变传递，从而使应变梯度更低，这与之前的研究结果一致。

此外，第二条曲线还揭示了一些二阶效应，因此在更准确地定义传感过程时应考虑这些效应。例如，在图8b中，二阶多项式可以作为更好的拟合函数，具有0.997的r²系数。

图8b

图9展示了另一个提高自感能力的例子，这次是通过减小传感器厚度来实现的，但使用了CF作为导电混合物。记录了两条电阻分数变化-应变曲线，分别对应传感器CF9和CF14。

这两种传感器都位于RC梁的张紧部分，厚度分别为2毫米和0.5毫米。计算得出的GF值表明，相较于CF9传感器，更薄的传感器几乎有三倍的灵敏度。CF14中使用的CF纤维由于在基质中更好地锚定，也可以提高这种灵敏度。

最后，在对第一阶段的研究进行总结时，可以得出结论：CF和CNF水泥浆都能够在弯曲情况下作为连接到普通RC梁上的应变传感器。此外，CNF复合材料被证明是一种更灵敏的传感器，这可以从其较高的表压系数（高达191.8）得出。

图9

«——【·损伤感应结果·】——»

完成所有可逆测试后，进行了损伤传感测试，由于CNF复合材料作为应变传感器表现出更好的结果，因此决定专门对其进行测试。

为此，采用了图3b中解释的第二种负载方案，并记录了传感器NF2和NF4的电阻值。

图3b

图10展示了两个CNF传感器的机械和电气特性曲线，直到光束失效。

如果损伤传感机制被触发，应在复合材料的电阻中观察到不可逆的响应，因此，一旦负载移除，初始电阻应该发生变化。

在图10a中，对应于2×2×8 cm³的CNF传感器，应变曲线显示了一些不可逆的变化，从第四个周期（约800秒）开始逐渐增加。

图10a

与此同时，电阻变化基本上保持可逆状态，在较高应力下，可以看到初始电阻率略微下降，但这与损伤传感现象无关。

对于较薄的板（传感器NF4），记录了不同的行为，并在图10b中绘制，这一次，即使在较低应变水平下，也观察到电性能的一些退化，即如前所述，应变传感能力完全丧失（对于低于300με的应变），并且在每个循环的最大负载时观察到电阻降低。

初步的损伤测试结论是，没有CNF复合材料能够检测到RC梁的损伤。尽管如此，通过对NF2数据进行进一步分析，可以得出结论，这些材料可能具有其他应用。

图10b

图11显示了所有失效测试周期的电阻变化-应变曲线，然而，没有明显的损伤传感机制，整个过程中电阻率-应变关系保持几乎不变。

只有最后一个周期表现出一些初始电阻的永久变化，在复合材料达到2000με时出现。

与之前在单轴压缩下进行的CNF样品研究类似，即使在结构接近倒塌时，CNF水泥浆仍然可以作为连接到RC梁的应变传感器，但由于混凝土允许的应变较低，它不适用于损伤传感器。

图11

«——【·结论·】——»

经过将基于多功能水泥复合材料（添加碳纤维和碳纳米纤维）的多个传感器连接到传统的钢筋混凝土梁上，以进行应变和损伤传感测试的实验计划，我们得出以下结论：

1.CNF和CF两种外加剂都适用于作为导电外加剂，制造能够测量结构元件表面应变的水泥复合材料，无论局部应力是拉伸还是压缩，对于位于同一梁截面的上侧和下侧的1% CF复合材料（尺寸相同），计算的量规系数几乎没有差异。

2.以2%CNF（按水泥质量计）添加到水泥浆中的剂量显示出最高的灵敏度，计算的表压系数约为190。传感器越薄，复合材料的传感能力越高。

3.将CNF水泥复合材料附着在RC元件上时无法产生任何损伤传感机制，因为应变的大小会引起混凝土的破坏。然而，在所有坍塌过程中，它们仍能进行应变传感。

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