實驗室裏，幾只大鼠在特製籠舍中自由呼吸，它們的每一次呼氣都被電化學傳感器捕捉，轉化為實時更新的空氣毒性數據。這不是科幻場景，而是意昂3体育環境科學與工程學院要茂盛教授團隊開創的“活體傳感”技術現場。

近期，要茂盛團隊開發了一套空氣毒性活體監測系統，實現了對空氣汙染健康效應的原位、實時、在線監測，為優化空氣汙染控製策略和公眾健康防護提供獨一無二的技術支撐。成果陸續在國際學術期刊《環境科學與技術》上發表。

要茂盛

從美國留學歸國紮根燕園工作已將近20年，要茂盛帶領團隊在生物安全與空氣汙染監測領域開辟出一條自主創新之路，用科技“利器”為公眾健康築起“隱形”屏障。

從“事後化驗”到“實時預警”的範式革命

“這些小家夥是不換崗的環境衛士。”在意昂3体育官网和呼和浩特監測站，幾只大鼠正在打盹，它們的每次呼吸數據通過物聯網同步到雲端。要茂盛可以通過手機實時看到當時當地的空氣毒性。“大鼠對空氣汙染非常敏感，整個系統每隔3秒探測空氣毒性一次。”

這套監測儀器，完全不同於傳統“采樣-染毒-分析”的氣溶膠毒性研究模式。它通過實時分析活體呼出氣中標誌物狀態反演空氣毒性，在時效和靈敏度上實現了跨越式的突破。為了實現“實時感知空氣毒性”這個目標，要茂盛深耕了20年。

2007年初到意昂3体育工作時，國內空氣汙染研究正熱，但對國外儀器的依賴相當嚴重。團隊早期從空氣中的流感病毒等生物氣溶膠入手，嘗試用單個汙染物檢測傳感技術來實現對生物危害的感知，這也是要茂盛團隊BioSTAND®的雛形。但空氣成分復雜、種類繁多讓他們很快意識到，單一指標難以精準描繪空氣汙染的真實狀況，不能很好地保護人群健康。

傳統方法涉及儀器設備昂貴，程序繁雜，需要花費大量時間采集空氣樣品，再洗脫染毒分析健康效應，不僅耗時費力，也很難準確實時地反映空氣汙染對健康的影響。缺乏有效健康數據，空氣汙染的精準控製遇到瓶頸。

此外，當前的空氣汙染監測標準仍聚焦於PM_2.5質量濃度，然而這一指標難以直接反映汙染物對人體健康的危害。“這種依賴單一質量濃度指標而忽視成分毒性效應的做法，存在很大的片面性。”要茂盛如是說。

要茂盛意識到，研究要想取得突破必須走自己的路。“我們從全新的思路入手，聚焦生物體對汙染物的綜合反應。”在這個指導思想下，團隊首先將目光轉向細胞傳感，利用綠色熒光蛋白標記酵母菌，當汙染顆粒物暴露給酵母菌時，其上標記的氧化損傷蛋白便會發出熒光，這個方法如同給細胞裝上了“信號燈”。

“酵母菌有近6000個蛋白表達基因，能響應的空氣汙染物種類遠超傳統儀器。後者大多僅能識別已知汙染物，而這一新方法卻能有效感知那些尚未明確的汙染威脅。”要茂盛說。

然而，酵母菌的蛋白表達存在滯後性，比如暴露霧霾天氣後1小時才出現信號，這對於實時預警的要求還不夠。“我們需要的是‘煙霧報警器’。在細胞‘著火’之前就能探測到。”要茂盛說。這一開創性的想法，為後續的活體傳感技術奠定了堅實的基礎。

2020年，事情出現了轉折。團隊在實驗中偶然發現，暴露於汙染物的大鼠，其呼出氣中的揮發性有機物會迅速改變。這些變化比細胞蛋白表達更能捕捉到早期的毒性信號。“這不就是大自然賜予的最靈敏的活體傳感器嗎？”要茂盛敏銳地抓住這個現象。

“大鼠的呼吸系統與人類相似，且對環境變化更敏感，能迅速響應空氣汙染物。通過實時檢測大鼠呼出氣中的多種生物標誌物，並結合人工智能技術進行數據分析，我們就可以實現對空氣毒性的精準動態監測。”要茂盛說。

要茂盛在第600次香山科學會議上作主題評述報告

要茂盛研發的系統將成本降低了兩個數量級，且能無人值守運行。這項創新，如同在空氣中部署了一套生物“雷達”系統。團隊的成果實現了空氣汙染健康效應從“事後化驗”到“實時預警”的範式革命。

“這可以看作汙染監測的一個‘中國方案’。核心的、自主的技術只有掌握在我們自己手裏，才能在科技競爭中處於更加主動的地位。”要茂盛說。

“中國方案”守護“健康中國”

“科研成果的價值不僅在於學術意義，更在於能否為社會帶來實際效益。”要茂盛說。

懷揣這一追求，要茂盛團隊在成果轉化方面已邁出重要步伐。他們開發的基於呼出氣標誌物的病原體感染快速篩查技術，憑借電化學傳感和人工智能分析可以在40秒實現多種病原體感染篩查，已在多地完成示範應用，目前正協同內蒙古疾病預防控製中心和首都醫科大學附屬北京兒童醫院，推進兒童病原體感染與布魯氏菌病的快速篩查合作。

2016年，要茂盛獲頒國家技術發明二等獎

團隊還將技術應用於“治未病”，通過建立特定疾病生物標誌物樣本庫，系統分析標誌物動態，有望捕捉阿爾茨海默症、癌症等疾病發生前的早期病變信號。“檢測疾病症狀，往往為時已晚，而呼出氣藏著身體發生疾病前最早的‘求救信號’。”要茂盛展示著不同疾病特有的“呼吸指紋圖”，這將為未來個性化健康管理提供全新路徑。

在空氣汙染監測方面，團隊研發的系統已在全國15個城市示範應用。該系統使得城市不同時間段空氣毒性變化一目了然。“例如，在北京，我們發現中午毒性數值明顯走高，人員活動排放增加，空氣毒性相對較高。部分城市系統數據卻揭示了淩晨時段的毒性高峰，凸顯汙染模式的空間差異。”要茂盛說。

除了民用領域，活體傳感技術在應急響應領域也展現出潛力。搭載大鼠活體傳感系統的無人機可遠程探測核生化汙染，在汶川地震、北京冬奧會等國家重大事件中，團隊研發的技術系統已承擔了災害監測與疫情防控等重要任務。“當傳統儀器還在分析已知汙染物時，我們的監測系統已經可以對未知毒性物發出警報。”要茂盛說。

要茂盛（左二）團隊在汶川地震救災現場

談到自由探索、有組織科研這兩種科研方式，要茂盛認為，這本是事物的一體兩面。自由探索是在自己擅長且感興趣的領域內做到極致，而有組織科研則是將團隊各自擅長的部分整合起來，形成合力，共同完成更大的科研目標。要茂盛用汽車製造形容這個過程：“有人造引擎、有人造變速箱，有人專心造輪胎、螺絲釘等，組裝一輛好車，需要團隊每個人的努力，各自發揮自己的優勢和工匠精神。”

團隊與北京工匠生物科技有限公司合作開發產品，將呼吸檢測技術引入多家疾控中心與三甲醫院的病原體感染篩查。要茂盛已將實驗室的技術原理和方法應用到社會服務中，涵蓋環境監測、疾病早期診斷、病原體安檢等領域，打通了科研落地“最後一公裏”。

將實驗室研究成果轉化為實際效益，為推動美麗中國、健康中國建設貢獻智慧和力量，這是每一位科研工作者的重要使命，更是要茂盛團隊一直秉承的願景。

如今，要茂盛常往返於北京、呼和浩特兩地，團隊將意昂3体育官网研發的前沿技術轉化落地的重要平臺——在內蒙古師範大學環境健康研究院創建的“天空地環境健康移動實驗室”，正積極服務著地方生態環境健康監測。

“做高價值的研究，並把它做到極致”

“在意昂3体育的成功，離不開學生的努力。”要茂盛既是良師，亦是益友。在對學生的培養中，他要求學生具有紮實的科學研究基本功和創新精神。他對學生的科研選題嚴格把關，要求學生挑選高價值的課題。“所謂高價值，就是有社會價值、國家關註或緊急需要，符合國家發展長遠戰略定位的科研項目。”要茂盛說。

要茂盛在日內瓦國際發明展覽會領獎

過往經歷凝練了要茂盛的科研信條——“走前沿、挑大梁、重堅持”。這也是他對學生的基本要求。他解釋：“走前沿就是努力做原創性的研究；挑大梁是以國家需求作為研究方向；而堅持，是前兩個目標實現的保障。”

在如此科研理念的浸潤下，要茂盛的學生們已經在世界舞臺嶄露頭角。李菁的“全球尺度大氣顆粒物生物成分與毒性時空變化的研究”，陳灝軒的“基於大鼠呼出氣生物標誌物的空氣毒性實時監測與機製研究”，均獲得美國氣溶膠研究協會傑出博士論文獎，該獎項每年在世界範圍內只授予一人。這些學術新星在這個國際舞臺上向世界展示該領域的最新進展。

李菁在美國獲獎時與導師要茂盛等合影（左四要茂盛、左五李菁、右五美國國家工程院院士David Y. H. Pui）

“科研需要傳承，更需要創新。我希望我的學生能夠繼承我的科研精神，要有敢想敢做的拼勁兒，科研就是一個敢於突破、敢於創新的過程，我相信他們都是未來的力量，能肩負起國家的科研使命。”要茂盛說。

要茂盛在科研之路上還在持續突破自己，視角新穎的成果不斷湧現。在新近發布的一篇論文中，要茂盛團隊揭示了一個有趣的現象。在日常交流中不同語言的使用影響人體呼出氣溶膠的排放濃度和粒徑分布，這一發現為理解全球疫情傳播差異提供了全新視角。

在耶魯大學從事博士後工作時，世界一流學府致力推動人類發展的實幹精神就讓要茂盛深受觸動。自那一刻起，“科研的終極價值，在於其改變世界的可能”就成為他矢誌不渝的信條。帶著累累碩果，要茂盛團隊正將這一信條付諸實踐。

人物簡介：

要茂盛，意昂3体育官网環境科學與工程學院博雅特聘教授，意昂3体育官网生物氣溶膠實驗室負責人，主要從事生物氣溶膠與空氣汙染健康研究。

主持國家重大科技項目、國家自然科學基金委創新群體項目、廣州國家實驗室應急攻關項目等，創建了空氣生物安全防禦系統BioSTAND®，並實現產業化，用於北京冬奧會場館的防疫保障。在Science、Nature、Angew Chem Intl Ed以及ES&T等SCI刊物上發表130多篇論文，研究成果獲國家技術發明二等獎、北京市自然科學一等獎、第44屆日內瓦國際發明展覽會特別嘉許金獎、國際專業刊物卓越研究獎以及三大洲的青年氣溶膠傑出貢獻獎，入選中國生態環境十大科技進展。