近日，美国芝加哥大学化学系田博之团队与医学院Erika Claud团队开展跨学科合作，共同开发了基于气相-液相转换的ABLE检测平台，通过创新传热传质过程实现了空气中标志物的快速富集，从而可以在未来实现快速、便捷、灵敏的空气检测技术。2025年5月21日，该工作以“Airborne biomarker localization engine for open-air point-of-care detection”为题，发表在Nature Chemical Engineering期刊上。前田博之团队的博士后，现美国圣母大学航空机械系、生物工程系的马景铖助理教授为文章的第一作者以及共同通讯作者。

看似纯净的空气中实则暗藏健康密码。重要的气态生物标志物包括呼吸代谢物、流感病毒气溶胶，食物腐败产生的气味分子等。检测这些浓度有时能低至万亿分之一（ppt）级的"健康信号"目前非常困难。在智能手机时代，我们可以轻松记录影像和声音，却无法记录空气中的化学成分。便携便宜的化学传感器仅能识别百万分之一（ppm）浓度的特定分子，而专业实验室中的质谱仪虽精准却十分昂贵。更棘手的是挥发性有机物（VOCs）与病原体等不同目标物需要迥异的检测技术。目前，我们需要的不只是另一个仅属于实验室的先进设备，而是一个能像手机摄像头那样能造福普通人的简单易用、却能捕捉化学成分的"空气镜头"，让每个人都能随时解码身边的隐形健康信号。

在生物液体检测中，传感器灵敏度受限往往源于样品总量不足；而对于气体传感，尽管空气总量充足，痕量分子却因过度稀释难以在传感器表面有效富集。针对这一挑战，芝加哥大学化学系田博之团队与医学院Erika Claud团队开展跨学科合作，共同开发了基于气相-液相转换的ABLE检测平台，通过创新传热传质过程实现了空气中标志物的快速富集，从而可以在未来实现快速、便捷、灵敏的空气检测技术。

ABLE检测平台通过三个关键过程创新突破传统局限：（1）采用纳米结构超疏水冷凝表面，实现ppb级气相分子向微摩尔级液相分子的高效转化；（2）集成分子筛富集与蒸发浓缩模块，将复杂的液体富集实验室流程简化为针对家用的标准化操作；（3）兼容电化学传感器、比色试纸等多种液体检测终端。

图1展示了ABLE平台的工作原理与技术创新。

该系统的核心创新在于采用超疏水冷凝表面，能够将空气中ppb级的生物标志物富集至微摩尔浓度的冷凝液滴中，使得传统液体传感器得以应用于气体检测领域，有望将现有气体传感技术的灵敏度提升高达九个数量级。ABLE一代原型机集成了冷凝腔体、水冷系统、气泵模块和电子控制单元，仅需10分钟即可采集1毫升冷凝样本。这套成本低于200美元的系统能在15分钟内完成检测，其灵敏度、多目标检测能力和操作便捷性均优于现有便携式传感器和质谱技术。

图2系统阐释了ABLE平台的热流体设计与多相传质机制研究。

图3深入研究了ABLE系统在人体呼吸代谢物检测中的二次富集技术优化方案。

研究团队基于人工呼气冷凝液（EBC）模型，创新性地开发了"空气采样-液滴捕获-比色检测"一体化工作流程。作者同时就挥发性与非挥发性分子的二次富集提供了技术路线，使非专业用户也能在家获得可靠的检测结果。

图4展示了ABLE系统在开放环境下进行非接触式生物标志物检测的能力。

研究团队首先建立了空气中生物标志物稀释因子的校正模型，并基于此模型设计并进行了人体实验和早产儿动物模型来验证ABLE无创检测人体呼出物成分的性能。

图5进一步展示了ABLE系统的多功能性：它不仅能够检测分子生物标志物，还可高效富集颗粒态生物标志物（如细菌、病毒、过敏原及物理颗粒等）。

小结

该研究开发的ABLE平台通过创新气相-液相转换技术实现了空气中痕量生物标志物的高效检测，其核心优势包括：1) 检测灵敏度可较传统传感器提升高达9个数量级；2) 多目标兼容性（可同步检测VOCs、非挥发性分子及颗粒物）；3) 实用化设计（便携设备成本<200美元，15分钟完成检测）。关键技术突破在于采用超疏水冷凝表面（冷凝效率提升150%）和分子筛/蒸发双重富集技术，已成功应用于呼吸代谢物监测、早产儿炎症标志物筛查和空气病原体检测等领域。目前，研究团队正进一步推动ABLE的发展和多领域应用。（来源：科学网）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s44286-025-00223-9