科學家仿照蝴蝶喝水研制出新型空氣采樣器

　　中國科學院理化技術研究所研究員董智超團隊從蝴蝶“卷喙飲蜜”行為獲得啟示，開發出一種無需依賴機電設備驅動的新型無泵空氣采樣器，單次材料成本低至約0.87元。近日，該成果發表于美國《國家科學院院刊》。

　　呼吸系統傳染病與空氣污染是全球公共健康的長期挑戰。但便捷的空氣檢測服務目前仍難以普及，原因在于傳統泵吸式空氣采樣器因依賴電力驅動、操作復雜且成本較高，在偏遠地區部署受限。此外，傳統設備在氣溶膠采集、管路轉移和洗脫環節中常出現嚴重的壁面吸附與樣本損失。

　　團隊在觀察蝴蝶時，發現大多數蝴蝶伸著吸管一樣的喙吮吸花蜜，但有一只蝴蝶卻另類地把“吸管”卷成一個圈，在環中吐出一小片水膜。

　　利用X光透視相機追蹤這只蝴蝶時，團隊成員發現了驚人一幕：當水膜被吸薄到極限、突然破裂的瞬間，產生的力如同無形之手，將整片水膜中的液體瞬間“拽”進食道，一滴不剩。

　　“這毫秒級‘脆響’式抽吸，高效又省力，其釋放的正是液體表面的‘能量皮膚’，也就是表面能，這是一種基于界面熱力學的自然現象。”董智超說。

　　受此啟發，團隊用3D打印機做了一個微型“環形跑道”，其中有一個硬幣大小的塑料環，中間掛著一層薄薄的液體膜，環的內部藏著毛細管道，模仿蝴蝶“吸管”里的食物通道。

　　試驗時，液體膜暴露在空氣中，就像一張黏性“飛毯”，可以“粘住”空氣中的有害氣體、病毒飛沫、農藥微粒等。這種液體膜不僅在實驗室穩定，還能綁在植保無人機上，在強氣流中堅持30秒捕獲農藥殘留。

　　“采樣結束后，只需用檢測試紙輕輕一碰出口端，觸發液體膜破裂，瞬間就會像蝴蝶喝水那樣，把收集到的所有液體連同里面的‘獵物’通過毛細管道送進檢測試紙條里。整個過程不需要泵和電，全靠物理規律自動運行。”董智超說。

　　團隊以新冠病毒核衣殼蛋白為靶標，對比傳統氣溶膠采樣器，新型無泵空氣采樣器檢出靈敏度高出兩個數量級。新型采樣器還實現了“采集-回收-檢測”一體化，收集與回收效率均接近100%，系統稀釋比僅1.14，實現痕量生物標志物高保真富集。

　　團隊將該新型無泵空氣采樣器命名為“液膜破裂驅動毛細管富集采樣器”，英文簡稱“FACE”。“以前，我們總想著用更大的力量去‘吸’空氣樣品；現在，我們學會了利用‘破裂’來釋放能量，用精巧的物理設計取代笨重的機電設備。對于全球幾十億生活在電力不穩、醫療資源匱乏地區的人來說，這種無需電源、無需專業培訓、隨手可用的檢測工具，可能是開啟健康公平之門的一把鑰匙。”董智超說。