近期，天津大学微纳机电系统实验室教授段学欣课题组研发了一款可以直接筛选人体呼出气是否含有冠状病毒气溶胶的可穿戴设备。相关成果以“An intelligent face mask integrated with high density conductive nanowire array for directly exhaled coronavirus aerosols screening”为题，发表在国际权威杂志《Biosensors and Bioelectronics》上。在这项研究工作中，课题组设计并开发了一款带集成纳米传感器的智能口罩。
该传感器由排列精密的纳米线阵列构成，纳米线的线宽和间距与病毒气溶胶的尺寸相匹配，纳米线阵列就像一张“网”，可以精准捕获呼出气中的病毒气溶胶。同时，科研人员还在纳米线阵列上加了可以与带有抗原的病毒发生免疫反应的抗体，一旦发生反应，便会使整个传感器的阻抗值变大。通过监测传感器阻抗值的变化，可以初步检测出是否含有冠状病毒。
纳米传感器设计示意图，以及与智能口罩的集成
该课题组针对人体呼出气的复杂性和口罩结构的特殊性，将传感器设计成了“多孔膜-传感器-柔性基底”的“三明治”结构——纳米级多孔膜将人体呼出的其他微米级颗粒阻挡在外，只有同样是纳米级的病毒才能穿过；柔性基底的设计则使传感器与人体面部可以更贴合。
此外，该课题组还进一步开发了可穿戴的包括数模转换器、运算放大器和无线传输单元在内的集成电学系统。通过该集成电学系统，检测结果可以实时无线传输到智能手机APP上，从而在手机上直观地显示病毒检测结果。作为可穿戴的病毒“及时检测”系统，整个系统的重量仅为7.6g，完全不会影响口罩佩戴的舒适性。
呼吸模拟实验装置及实验结果
据介绍，该智能口罩可广泛用于机场、海关、医院等人流密集场所的快速筛查。无线通信系统使口罩佩戴者或管理员能够通过手机、平板电脑等智能终端安全地获取信息，从而快速做出决策。
论文信息：
https://doi.org/10.1016/j.bios.2021.113286
