中国科学家开发出经济实惠的无泵空气采集装置

北京8月21日电 中国科学院理化技术研究所的董智超教授领导的团队，从蝴蝶的“卷喙饮蜜”行为中汲取灵感，成功研发出一种新型无泵空气采样器。该设备的单次材料费用低至约0.87元，且不依赖电动设备，成果已发表于美国《科学院院刊》。

呼吸道传染病和空气污染持续威胁着全球公共健康，尽管空气检测的重要性日益凸显，但便捷的检测服务仍难以广泛应用。传统泵吸式空气采样器因依赖电力，操作繁琐且成本较高，在偏远地区应用受限。此外，这类设备在气溶胶采集和样品转移过程中容易出现壁面吸附和样本损失问题。

在观察蝴蝶的过程中，团队注意到大部分蝴蝶用吸管状的喙吸取花蜜，但有一只蝴蝶的喙却可以卷成一个圈，并在中心吐出一层薄薄的水膜。通过X光透视相机追踪这只蝴蝶，研究人员惊奇地发现，当这层水膜被吸薄至极限并突然破裂时，迅速产生的力就像无形的手，将膜中的液体瞬间吸入喉咙，无一遗漏。

“这种毫秒级的抽吸机制，省力又高效，释放出的力量源于液体表面的‘能量皮肤’，即表面能，这是一种基于界面热力学的自然现象。”董智超解释道。

受此启发，研究团队利用3D打印技术制作了一个微型“环形跑道”，上面悬挂着一层薄薄的液体膜，环内设有毛细管道，模拟蝴蝶喙中的食物通道。

在实验中，液体膜暴露于空气中，类似于一张粘性的“飞毯”，能够“捕捉”空气中的有害气体、病毒飞沫和农药颗粒。这种液体膜在实验室条件下表现稳定，甚至可以安装在植保无人机上，在强风中坚持30秒捕获农药残留。

“采样结束后，只需轻轻一碰检测纸的出口，液体膜就会破裂，像蝴蝶喝水一样，将收集的液体和其中的‘猎物’通过毛细管道送入测试纸条。整个过程无需电源和泵，全依赖物理规律自动完成。”董智超说。

在以新冠病毒核衣壳蛋白为目标的实验中，与传统气溶胶采样器相比，新型无泵空气采样器的检测灵敏度提高了两个数量级，实现了“采集-回收-检测”的一体化，收集和回收效率近乎100%，系统稀释比仅为1.14，能够高保真富集痕量的生物标志物。

这款新型采样器被命名为“液膜破裂驱动毛细管富集采样器”，英文简称为“FACE”。

“过去我们总是试图通过更大的力量‘吸’取空气样本，现在我们学会了利用‘破裂’释放能量，用巧妙的物理设计替代笨重的机电设备。这种无需电源、易于操作的检测工具，尤其对生活在电力不稳定和医疗资源匮乏地区的亿万人来说，或许能成为实现健康公平的重要切入点。”董智超表示。