太空科技：解锁癌症早期检测新钥匙，性能可获数量级提升

想象一个传感器，敏感到只需一滴血便能检测出早期癌症，从而在出现症状之前，甚至可能在肿瘤形成之前就实现诊断和治疗。

接着，再想象一个设备，它能够识别海水中微量的塑料污染物，帮助科学家减轻诸如纳米塑料等微小有害废物对环境的影响。纳米塑料是介于1纳米到1000纳米之间的微塑料的一个子类。

问题在于：这些血液样本和被污染的水样本需要在太空中进行筛查，因为在失重环境下，会出现一种意想不到的现象：形成的气泡异常大，这可以更有效地浓缩物质，比如癌症生物标志物，从而便于检测。

这是圣母大学研究人员罗腾飞教授的未来愿景，他研究分子层次的质量和能量传输。他的概念虽然简单，但应用前景广泛。通过利用热、液体和光的独特性质以及它们与气泡的相互作用，罗教授希望创造出适用于地球但在太空微重力环境中表现更佳的传感技术。这些传感器通过生成与物质浓度成比例的信号来测量生物或化学含量。

罗教授的技术利用气泡将沉浸在液体中的微小物质浓缩并提取出来，有望实现比目前技术高出数个数量级的检测灵敏度和准确性。该技术的关键在于摆脱重力引起的力对气泡的限制，使气泡可以在更大的空间范围和更长的时间内作为目标微观物质的浓缩器，从而使这些物质更易被检测和分析。

罗教授表示，这种生物传感方法最终可能提高依赖于从液体中提取高浓度样本的癌症诊断工具的效率。

“目前用于筛查早期、无症状癌症的技术非常有限，只能检测少数几种癌症，”罗说。“如果我们在太空中使用的气泡技术普及并且成本低廉，那么可以筛查更多种类的癌症，所有人都能从中受益。这是我们有可能将其整合到年度体检中的东西。听起来很不可思议，但这是可以实现的。”

第一批由国际空间站实验室资助的实验随SpaceX第22次商业补给任务（CRS）飞往太空，该实验旨在研究水在太空沸腾时，气泡在不同粗糙度的表面上如何形成和生长，与在地球上的过程相比。最初的实验研究了气泡在一种表面上的行为，第二次实验随诺斯罗普·格鲁曼公司的第17次CRS任务飞行，研究了四种不同的表面。

实验使用的飞行硬件中安装了Space Tango提供的高速相机，记录了气泡的生长过程，随后罗的团队结合计算机模拟分析了这些视频。实验主要研究了影响气泡形成的两个基本因素：表面的纹理和周围液体的运动。罗表示，结果令人鼓舞，气泡在太空中比在地球上生长得更大、更快。

理解气泡在太空中的生长机制将帮助罗推进他的技术，从液体中提取极低浓度的物质，这他认为是下一步实现从血样中检测癌症或从水中检测微量污染物的关键。该技术不仅限于地球应用，还可以促进近地轨道经济的发展，并可能在深空探索时伴随宇航员，帮助检测飞船中的水源污染或监测船员的健康状况。

解开气泡在太空中的物理现象

罗腾飞教授来自中国，他于2005年在西安交通大学能动学院获得学士学位，2009年获得密歇根州立大学机械工程博士学位，2009年至2011年在麻省理工学院做博士后研究。2012年至今在美国圣母大学任教。他并于2012年创办了MONSTER实验室（分子/纳米级传输与能量研究实验室），专门研究分子层面的能量和质量传输。

图片来源：圣母大学

在2020年发表在《先进材料·界面》上的一项研究中，罗及其团队使用激光加热包含DNA生物标志物的纳米粒子溶液，他们成功地将这些纳米粒子引导至气泡并沉积在基质上，罗将其称为“高密度浓缩岛”。

由于马兰戈尼效应，纳米粒子被输送到气泡表面。气泡越大，越能在液体中保持较长时间，所吸引的物质也就越浓集。生物标志物沿着气泡迁移到固体表面，在那里聚集和收集，便于研究。此时，罗使用显微镜检查气泡并确定沉积在表面上的内容。

为了让“表面上生长出更大的、持续时间更长的气泡”，罗转向了空间站的独特微重力环境，并借助了Space Tango的帮助。

“微重力环境为探索物理学基本原理提供了理想条件，因为它去除了我们宇宙中的一种基本力，”Space Tango的总裁兼联合创始人Twyman Clements解释道。“在地球上，气泡受到表面张力和浮力等竞争力的影响，但在近地轨道上，这些力被去除了。”

Space Tango与罗的团队合作，开发定制硬件以确保太空飞行项目的成功。

“对于这项研究，团队设计了一套自动化实验系统，包括液体容纳系统和高速成像工具，能够在微重力条件下运作，并安全地加热研究液体，”Clements说。“随着我们继续改进技术，这项工作强调了我们致力于推动流体动力学研究以造福地球和太空的承诺。”

这个实验被安置在一个名为CubeLab的新型自动化平台中，CubeLab的大小与鞋盒相仿，由Space Tango开发。该硬件包括四个专门设计的液体腔室和高分辨率成像系统，专门用于在微重力条件下观察和分析气泡的形成。实验中，研究人员在这些腔室中引入各种液体，观察气泡在微重力条件下的形成、增长和融合。

“我们发现气泡在太空中比在地球上形成得快得多。例如，在一次实验中，气泡在太空中经过4分钟35秒后形成，而在地球上由于液体的运动带来的冷却效果（称为热对流），则需要两倍的时间。”罗腾飞教授说。

在太空中，由于缺乏浮力和对流流动，气泡生长的动力学发生了显著变化。在地球上，浮力，即物体在流体中因重力作用而上升或下沉的倾向，在气泡的形成和增长中起着重要作用。此外，由加热区域周围液体运动引起的对流流动，有助于调节温度，减缓气泡的生长。

在微重力环境中，几乎没有浮力存在，这意味着气泡不会从表面脱离，使它们能够在不受干扰的情况下变得更大。此外，由于缺乏对流流动，没有任何机制来冷却加热区域。结果是，热能集中在一个较小的区域内，导致气泡比在地球上增长得更快、更大。罗表示，他的太空实验结果成功地证明了这些概念。气泡并未从表面分离，而是在长大到一定程度后爆裂。“我们仍然不明白为什么会这样，”罗说。

将梦想转化为实际技术

在对气泡体积进行分析和量化后，罗和他的团队发现，太空中的气泡可以比地球上的气泡大几个数量级。今年早些时候，他们在《自然·微重力》期刊上发表了他们的研究成果。

图源：罗腾飞教授提供

在地球上，罗使用他的技术在一瓶从美国海岸采集的海水中找到了纳米塑料，包括一次性咖啡杯、水瓶和鱼网中的纳米塑料，他在最近发表在《科学进展》上的另一篇论文中描述了这一发现。

“我们在墨西哥湾深达300米的地方发现了一些浓度极低的纳米颗粒，但这让我们看到了我们的海洋环境中纳米塑料的样子，”罗说。

罗和他的团队将在即将到来的由国际空间站国家实验室资助的实验中继续他们的研究，该实验计划于8月发射。这次，团队将进行颗粒沉积实验，以确认更大的气泡是否确实增加了收集到的纳米颗粒的浓度。

Space Tango的CubeLab也将进行一些改进。罗正在与Space Tango合作，实施一种安全且廉价的激光来加热液体；纳米颗粒吸收激光光并将其转化为热能。使用激光加热纳米颗粒悬浮液可以更好地控制马兰戈尼流，从而提高生物标志物的浓度和收集效率。

“如果浓度比与气泡大小成正比，我们应该能够将我们的生物传感器的灵敏度再提高三个数量级，”罗教授说。“这将使我们理论上可以筛查早期癌症。”

罗已经开始考虑如何将这一梦想变为现实。他估计，将大约10,000个血液样本送往空间站的成本约为几百美元。当然，这不包括飞行器的发射费用。他希望未来像波音的Starliner这样的飞行器和其他商业太空目的地能够帮助降低在太空中筛查疾病的成本，并进一步实现这种筛查的普及化。

尽管如此，将这一过程规模化以使太空筛查成为每个人都能享受的服务仍是一个重大的挑战。与此同时，这些实验正在提高我们对复杂环境中表面气泡周围液体物理学的理解。在极端的颗粒浓度、气泡大小和气泡增长速率下验证这种技术，可能会对地球上的各种筛查产生重大影响。这意味着我们可以更准确地绘制出癌症生物标志物或环境污染物检测的科学极限。

罗说，受益的并不仅仅是地球上的人类。在长期的太空任务中，监测宇航员的健康状况至关重要，早期检测健康状况的变化可以确保他们的福祉。在太空中增强生物传感技术可以带来更准确和可靠的健康监测，从而有助于更安全的太空探索。

双重用途的应用，如罗的生物传感技术，具有变革性潜力，可以同时造福于太空探索和地球上的技术发展。专注于推动深空任务，包括月球和火星探索项目，并开发Starlab（一个商业空间站）的商业太空公司Voyager Space的业务发展总监Jonathan Volk说：“增加太空的可及性对于鼓励更多像罗腾飞这样的项目至关重要，”Volk说，并强调了国际空间站国家实验室在将具有前瞻性的概念转化为现实方面的作用。

“要在太空环境中进行科学研究，无论是物理学还是生物学，创新思维是必不可少的，而且一个想法很容易听起来像是天方夜谭，”Volk说。“但一旦我们掌握了太空环境中的可能性，看似不可能的事情就可能成为现实。”

文章译自ISS国际空间站官方杂志

https://www.issnationallab.org/upward72-notre-dame-bubbles/

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