官方网站-首页

导语

全球超15亿人受听力损失困扰，其中约4亿人面临中度至重度听力障碍。科学家发现，过量铜离子（Cu²⁺）会引发听觉细胞凋亡，是导致听力损伤的“隐形杀手”。近日，中山大学研究团队在《工程》期刊发表突破性成果，研发出一种基于离子印迹技术的“智能水凝胶珠”，可无标记、高精度检测水中铜离子，为预防听力损失提供了全新解决方案。

铜：生命必需元素的双刃剑

铜是人体必需的微量元素，参与能量代谢、抗氧化等关键生理过程。然而，环境中的工业污染、含铜农药残留及老旧水管渗漏，可能导致饮用水和食物中铜离子超标。研究表明，当人体过量摄入铜离子时，其通过芬顿反应产生活性氧自由基，直接损伤内耳毛细胞——这些细胞负责将声波转化为神经信号，一旦凋亡将引发不可逆的听力下降。

传统铜离子检测依赖原子吸收光谱、质谱等精密仪器，存在设备昂贵、操(cāo)作(zuò)复(fù)杂(zá)、无(wú)法(fǎ)现(xiàn)场(chǎng)快(kuài)速(sù)检(jiǎn)测(cè)等(děng)瓶(píng)颈(jǐng)。如(rú)何(hé)开(kāi)发(fā)一(yī)种(zhǒng)低(dī)成(chéng)本(běn)、高(gāo)特(tè)异(yì)性(xìng)、肉(ròu)眼(yǎn)可(kě)视(shì)的(de)检(jiǎn)测(cè)工(gōng)具(jù)，成(chéng)为(wèi)科(kē)学(xué)界(jiè)亟(jí)待(dài)攻(gōng)克(kè)的(de)难(nán)题(tí)。

仿(fǎng)生(shēng)灵(líng)感(gǎn)：给(gěi)水(shuǐ)凝(níng)胶(jiāo)“刻(kè)上(shàng)”铜(tóng)离(lí)子(zi)记(jì)忆(yì)

研(yán)究(jiū)团(tuán)队(duì)从(cóng)自(zì)然(rán)界(jiè)获(huò)取(qǔ)灵(líng)感(gǎn)，将(jiāng)离(lí)子(zi)印(yìn)迹(jī)技(jì)术(shù)与(yǔ)结(jié)构(gòu)色(sè)材(cái)料(liào)结(jié)合(hé)，创(chuàng)造(zào)出(chū)“会(huì)变(biàn)色(sè)”的(de)智(zhì)能(néng)水(shuǐ)凝(níng)胶(jiāo)珠(zhū)（IIHBs）。其(qí)制(zhì)备(bèi)过(guò)程(chéng)充(chōng)满(mǎn)巧(qiǎo)思(sī)：

1. 印(yìn)迹(jī)模(mó)板(bǎn)：以(yǐ)铜(tóng)离(lí)子(zi)为(wèi)“模(mó)具(jù)”，将(jiāng)其(qí)与(yǔ)壳(ké)聚(jù)糖(táng)（一(yī)种(zhǒng)天(tiān)然(rán)高(gāo)分(fēn)子(zi)）混(hùn)合(hé)，形(xíng)成(chéng)印(yìn)迹(jī)孔(kǒng)穴(xué)；
2. 结(jié)构(gòu)复(fù)制(zhì)：通(tōng)过(guò)微(wēi)流(liú)控(kòng)技(jì)术(shù)制(zhì)备(bèi)二(èr)氧(yǎng)化(huà)硅(guī)胶(jiāo)体(tǐ)晶(jīng)体(tǐ)微(wēi)球(qiú)，将(jiāng)壳(ké)聚(jù)糖(táng)-铜(tóng)复(fù)合(hé)溶(róng)液(yè)注(zhù)入(rù)其(qí)纳(nà)米(mǐ)孔(kǒng)隙(xì)并(bìng)固(gù)化(huà)；
3. 模(mó)板(bǎn)去(qù)除(chú)：用(yòng)螯(áo)合(hé)剂(jì)洗(xǐ)脱(tuō)铜(tóng)离(lí)子(zi)，形(xíng)成(chéng)与(yǔ)铜(tóng)离(lí)子(zi)形(xíng)状(zhuàng)、电(diàn)荷(hé)精(jīng)确(què)匹(pǐ)配(pèi)的(de)印(yìn)迹(jī)位(wèi)点(diǎn)，同(tóng)时(shí)用(yòng)氢(qīng)氟(fú)酸(suān)溶(róng)解(jiě)二(èr)氧(yǎng)化(huà)硅(guī)模(mó)板(bǎn)，最(zuì)终(zhōng)得(de)到(dào)具(jù)有(yǒu)反(fǎn)蛋(dàn)白(bái)石(shí)结(jié)构(gòu)的(de)多(duō)孔(kǒng)水(shuǐ)凝(níng)胶(jiāo)珠(zhū)。

这(zhè)种(zhǒng)水(shuǐ)凝(níng)胶(jiāo)珠(zhū)表(biǎo)面(miàn)布(bù)满(mǎn)仅(jǐn)匹(pǐ)配(pèi)铜(tóng)离(lí)子(zi)的(de)“分(fēn)子(zi)陷(xiàn)阱(jǐng)”，且(qiě)内(nèi)部(bù)有(yǒu)序(xù)纳(nà)米(mǐ)孔(kǒng)结(jié)构(gòu)赋(fù)予(yǔ)其(qí)绚(xuàn)丽(lì)结(jié)构(gòu)色(sè)——类(lèi)似(shì)于(yú)蝴(hú)蝶(dié)翅(chì)膀(bǎng)的(de)显(xiǎn)色(sè)原(yuán)理(lǐ)，颜(yán)色(sè)由(yóu)光(guāng)在(zài)纳(nà)米(mǐ)结(jié)构(gòu)中(zhōng)的(de)干(gàn)涉(shè)效(xiào)应(yīng)决(jué)定(dìng)。

一(yī)滴(dī)水(shuǐ)现(xiàn)原(yuán)形(xíng)：检(jiǎn)测(cè)过(guò)程(chéng)如(rú)“变(biàn)色(sè)龙(lóng)”

当(dāng)IIHBs投(tóu)入(rù)待(dài)测(cè)液(yè)体(tǐ)时(shí)，铜(tóng)离(lí)子(zi)被(bèi)特(tè)异(yì)性(xìng)捕(bǔ)获(huò)并(bìng)嵌(qiàn)入(rù)印(yìn)迹(jī)位(wèi)点(diǎn)，导(dǎo)致(zhì)水(shuǐ)凝(níng)胶(jiāo)溶(róng)胀(zhàng)、纳(nà)米(mǐ)孔(kǒng)间(jiān)距(jù)增(zēng)大(dà)，结(jié)构(gòu)色(sè)随(suí)之(zhī)发(fā)生(shēng)红(hóng)移(yí)。通(tōng)过(guò)便(biàn)携(xié)式(shì)光(guāng)谱(pǔ)仪(yí)或(huò)手(shǒu)机(jī)摄(shè)像(xiàng)头(tóu)分(fēn)析(xī)颜(yán)色(sè)变(biàn)化(huà)，即(jí)可(kě)精(jīng)准(zhǔn)定(dìng)量(liàng)铜(tóng)离(lí)子(zi)浓(nóng)度(dù)。实(shí)验(yàn)表(biǎo)明(míng)：

• 灵(líng)敏(mǐn)度(dù)高(gāo)：可(kě)检(jiǎn)测(cè)低(dī)至(zhì)1纳(nà)摩(mó)尔(ěr)/升(shēng)（相(xiāng)当(dāng)于(yú)1克(kè)铜(tóng)溶(róng)解(jiě)在(zài)1000个(gè)标(biāo)准(zhǔn)游(yóu)泳(yǒng)池(chí)中(zhōng)）的(de)痕(hén)量(liàng)铜(tóng)；
• 抗(kàng)干(gàn)扰(rǎo)强(qiáng)：即(jí)使(shǐ)存(cún)在(zài)浓(nóng)度(dù)高(gāo)100倍(bèi)的(de)铅(qiān)、镉(gé)、锌(xīn)等(děng)重(zhòng)金(jīn)属(shǔ)，检(jiǎn)测(cè)结(jié)果(guǒ)仍(réng)保(bǎo)持(chí)稳(wěn)定(dìng)；
• 快(kuài)速(sù)可(kě)视(shì)：2小(xiǎo)时(shí)内(nèi)完(wán)成(chéng)检(jiǎn)测(cè)，颜(yán)色(sè)变(biàn)化(huà)肉(ròu)眼(yǎn)可(kě)辨(biàn)。

更(gèng)巧(qiǎo)妙(miào)的(de)是(shì)，水(shuǐ)凝(níng)胶(jiāo)珠(zhū)中(zhōng)掺(càn)入(rù)磁(cí)性(xìng)纳(nà)米(mǐ)颗(kē)粒(lì)，检(jiǎn)测(cè)后(hòu)可(kě)用(yòng)磁(cí)铁(tiě)快(kuài)速(sù)回(huí)收(shōu)，避(bì)免(miǎn)二(èr)次(cì)污(wū)染(rǎn)。

实(shí)验(yàn)室(shì)到(dào)现(xiàn)实(shí)：从(cóng)细(xì)胞(bāo)保(bǎo)护(hù)到(dào)水(shuǐ)质(zhì)监(jiān)测(cè)

为(wèi)验(yàn)证(zhèng)铜(tóng)离(lí)子(zi)的(de)听(tīng)力(lì)损(sǔn)伤(shāng)机(jī)制(zhì)，团(tuán)队(duì)将(jiāng)小(xiǎo)鼠(shǔ)听(tīng)觉(jué)细(xì)胞(bāo)（HEI-OC1）暴(bào)露(lù)于(yú)不(bù)同(tóng)浓(nóng)度(dù)铜(tóng)离(lí)子(zi)环(huán)境(jìng)。结(jié)果(guǒ)显(xiǎn)示(shì)：当(dāng)铜(tóng)离(lí)子(zi)浓(nóng)度(dù)超(chāo)过(guò)50微(wēi)摩(mó)尔(ěr)/升(shēng)时(shí)，细(xì)胞(bāo)存(cún)活(huó)率(lǜ)骤(zhòu)降(jiàng)至(zhì)60%，6小(xiǎo)时(shí)后(hòu)大(dà)量(liàng)细(xì)胞(bāo)死(sǐ)亡(wáng)。这(zhè)一(yī)发(fā)现(xiàn)印(yìn)证(zhèng)了(le)控(kòng)制(zhì)铜(tóng)摄(shè)入(rù)对(duì)听(tīng)力(lì)保(bǎo)护(hù)的(de)重(zhòng)要(yào)性(xìng)。

在(zài)实(shí)际(jì)应(yīng)用(yòng)中(zhōng)，团(tuán)队(duì)用(yòng)该(gāi)技(jì)术(shù)检(jiǎn)测(cè)自来水加标样本，回收率达95%-108%，成功克服复杂水质干扰。未来，这种水凝胶珠可集成于便携式检测盒，用于家庭水质筛查、食品加工监测，甚至开发成可穿戴设备，实时预警环境中重金属风险。

专(zhuān)家(jiā)观(guān)点(diǎn)：让(ràng)科(kē)技(jì)守(shǒu)护(hù)寂(jì)静(jìng)世(shì)界(jiè)

论(lùn)文通(tōng)讯(xùn)作(zuò)者(zhě)柴(chái)仁(rén)杰(jié)教(jiào)授(shòu)表(biǎo)示(shì)：“传(chuán)统(tǒng)检(jiǎn)测(cè)方(fāng)法(fǎ)像(xiàng)‘大(dà)海(hǎi)捞(lāo)针(zhēn)’，而(ér)我(wǒ)们(men)的(de)技(jì)术(shù)让(ràng)‘针(zhēn)’自(zì)己(jǐ)发(fā)光(guāng)。这(zhè)项(xiàng)研(yán)究(jiū)不(bù)仅(jǐn)为(wèi)听(tīng)力(lì)保(bǎo)护(hù)提(tí)供(gōng)了(le)新(xīn)工(gōng)具(jù)，更(gèng)为(wèi)重(zhòng)金(jīn)属(shǔ)检(jiǎn)测(cè)开(kāi)辟(pì)了(le)仿(fǎng)生(shēng)材(cái)料(liào)新(xīn)路径。”
国(guó)际(jì)环(huán)境(jìng)健(jiàn)康(kāng)学(xué)会(huì)专(zhuān)家(jiā)评(píng)论(lùn)称(chēng)：“将(jiāng)离(lí)子(zi)印(yìn)迹(jī)与(yǔ)结(jié)构(gòu)色(sè)结(jié)合(hé)，实(shí)现(xiàn)了(le)检(jiǎn)测(cè)技(jì)术(shù)的(de)‘可(kě)视(shì)化(huà)’与(yǔ)‘傻(shǎ)瓜(guā)化(huà)’，对(duì)资(zī)源(yuán)匮(kuì)乏(fá)地(de)区(qū)的(de)环(huán)境(jìng)监(jiān)测(cè)具(jù)有(yǒu)重(zhòng)要(yào)价(jià)值(zhí)。”

结(jié)语(yǔ)

据(jù)统(tǒng)计(jì)，全球(qiú)约(yuē)20%的(de)听(tīng)力(lì)损(sǔn)失(shī)与(yǔ)重(zhòng)金(jīn)属(shǔ)暴(bào)露(lù)相(xiāng)关。中(zhōng)山(shān)大(dà)学(xué)团(tuán)队(duì)研(yán)发(fā)的(de)智(zhì)能(néng)水(shuǐ)凝(níng)胶(jiāo)珠(zhū)，如(rú)同(tóng)一(yī)枚(méi)枚(méi)“纳(nà)米(mǐ)卫(wèi)士(shì)”，凭(píng)借(jiè)精(jīng)准(zhǔn)识(shi)别(bié)与(yǔ)直(zhí)观(guān)显(xiǎn)色(sè)能(néng)力(lì)，为(wèi)人(rén)类(lèi)竖(shù)起(qǐ)防(fáng)止(zhǐ)铜(tóng)离(lí)子(zi)侵(qīn)害(hài)的(de)听(tīng)力(lì)屏(píng)障(zhàng)。随(suí)着(zhe)技(jì)术(shù)优(yōu)化(huà)与(yǔ)产(chǎn)业(yè)化(huà)推(tuī)进(jìn)，这(zhè)项(xiàng)成(chéng)果(guǒ)有(yǒu)望(wàng)成(chéng)为(wèi)水(shuǐ)质(zhì)安(ān)全监(jiān)测(cè)的(de)标(biāo)配(pèi)工(gōng)具(jù)，让(ràng)更(gèng)多人远离无声的威胁。