摘要：本文详细介绍了一种用于太空任务的新型紧凑型芯片实验室生物传感器 APHRODITE。阐述了深空任务中宇航员面临的健康挑战，以及 APHRODITE 在实时分析唾液生物标志物方面的设计、功能和应用前景，包括其在国际空间站（ISS）实验中的计划和在地球上的潜在应用。同时，结合相关文献，深入探讨了太空环境对宇航员健康的影响和生物传感器在太空医学领域的发展。
一、引言太空探索一直是人类追求未知、拓展生存空间的伟大事业。然而，太空环境对宇航员的健康有着诸多不利影响，从微重力导致的生理变化到辐射引发的潜在疾病风险。在长期的太空任务中，保障宇航员的健康成为了至关重要的任务。这就需要先进的技术手段来实时监测宇航员的身体状况，而 APHRODITE 生物传感器应运而生，为太空健康监测带来了新的希望。
二、太空环境对宇航员健康的威胁（一）微重力的影响在太空的微重力环境下，宇航员的身体会发生一系列适应性变化。其中，肌肉萎缩是一个显著问题。由于缺乏重力的持续刺激，肌肉不再需要像在地球上那样承受负荷，导致肌肉质量逐渐减少、力量下降 [1]。同时，骨质减少也随之而来，骨骼中的钙流失加速，骨骼密度降低，增加了骨折的风险。此外，微重力还会引起免疫和代谢的改变，免疫系统的功能可能受到抑制，代谢过程也会出现紊乱，这些变化可能使宇航员更容易受到感染和其他健康问题的困扰 [2]。
（二）辐射的危害太空辐射是宇航员在执行深空任务时面临的另一个重大健康威胁，尤其是在低地球轨道（LEO）以外的区域。宇宙射线和太阳粒子等辐射源会对宇航员的身体细胞造成损伤，其中最严重的后果之一是增加患癌风险 [3]。辐射可以引发细胞内的一系列反应，包括代谢氧化应激和长期的细胞损伤，导致细胞的遗传物质发生突变，从而使正常细胞有可能转化为癌细胞 [4]。而且，这种辐射对身体的影响是长期而复杂的，可能在宇航员返回地球后仍持续存在。
三、APHRODITE 生物传感器的设计与目标（一）设计理念APHRODITE 是一种紧凑、可重复使用且可重新配置的芯片实验室生物传感器。其设计旨在适应太空飞行的特殊环境，能够在载人航天任务中对宇航员的口腔液样本进行实时分析。这种设计理念将复杂的分析技术集成到一个小型的芯片系统中，大大减少了设备的体积和重量，同时保证了分析的准确性和可靠性 [5]。
（二）科学目标实时分析APHRODITE 的主要科学目标之一是实现对唾液生物标志物的实时测量。在太空任务中，及时获取宇航员身体状况的信息至关重要，通过对唾液中特定生物标志物的分析，可以快速了解宇航员的健康状态变化，例如是否存在应激反应、免疫功能的波动等。在轨演示在国际空间站（ISS）等太空平台上进行在轨演示是验证 APHRODITE 有效性的关键步骤。通过实际在太空环境中的应用，可以检验传感器在微重力、辐射等复杂条件下的性能，为未来更长期的深空任务中的应用提供数据支持和技术改进方向。多应用场景除了太空任务，APHRODITE 还考虑了在地球上的应用场景。其设计使得它适用于即时检验（point - of - care testing）领域，如在急诊医学中快速诊断患者病情、应对生物恐怖主义事件中的生物检测以及为发展中国家提供便捷的诊断手段等 [5]。四、APHRODITE 的子系统设计与初步测试（一）主要子系统设计芯片实验室光传感器芯片实验室光传感器是 APHRODITE 的核心部件之一。它利用光信号来检测生物标志物与检测试剂之间的反应。其设计需要考虑到高灵敏度、低噪声以及在太空环境中的稳定性。例如，采用氢化非晶硅等材料来提高光传感器的性能，使其能够准确地捕捉微弱的光信号变化，这些光信号变化与唾液中生物标志物的浓度相关 [5]。前端读出电子设备前端读出电子设备负责将光传感器检测到的光信号转换为数字信号，并进行初步的信号处理。该设备需要具备高精度和高可靠性，以确保数据的准确性。在设计上，要考虑到与光传感器的良好匹配，以及在太空辐射环境下的抗干扰能力。（二）初步测试结果地球上的测试在地球上进行的首次子系统实施和测试测量中，已经取得了一些初步结果。对芯片实验室光传感器和前端读出电子设备的系统设计和实验数据输出进行了详细研究。通过模拟太空环境中的部分条件，验证了这些子系统在一定程度上能够稳定运行，并且能够输出可靠的数据。化学测试针对皮质醇和硫酸脱氢表雄酮（DHEA - S）的双重竞争化学发光免疫分析法（CL - immunoassay）进行了初步化学测试。皮质醇和 DHEA - S 是 APHRODITE 选定的目标分析物，通过这种化学测试，可以评估传感器对这两种生物标志物的检测能力。初步结果显示，该方法在同时检测这两种物质方面具有一定的潜力，为后续在太空环境中的实际应用奠定了基础。五、APHRODITE 在国际空间站的应用计划在国际空间站（ISS）的项目框架内，一名宇航员将使用 APHRODITE 在四个（外加一个额外期望的实验阶段）独立的实验阶段中对口腔液中的皮质醇和 DHEA - S 进行测量。皮质醇是一种与应激反应密切相关的激素，其水平的变化可以反映宇航员在太空任务中的心理和生理压力状态。DHEA - S 则与内分泌系统和免疫功能有关，对其检测有助于了解宇航员身体的整体健康状况。通过这些实验，可以收集到宝贵的数据，进一步评估 APHRODITE 在太空环境中的性能和应用价值。
六、APHRODITE 在地球上的应用前景（一）急诊医学在急诊医学中，时间就是生命。APHRODITE 的即时检验能力可以快速检测患者血液或其他体液中的生物标志物，帮助医生迅速诊断病情。例如，对于急性心肌梗死患者，通过检测特定的生物标志物，可以在短时间内确定诊断，从而及时采取治疗措施，提高患者的生存率。
（二）生物恐怖主义应对在面对生物恐怖主义威胁时，快速准确地检测生物毒素或病原体至关重要。APHRODITE 可以被改装用于检测可能被用作生物武器的病原体或其产生的毒素，为公共卫生安全提供及时的预警和诊断支持。
（三）发展中国家的诊断在发展中国家，医疗资源相对匮乏，传统的诊断设备往往昂贵且需要复杂的操作和维护。APHRODITE 的简单易用性和紧凑设计使其有可能成为一种低成本、高效的诊断工具。例如，可以用于检测传染病、慢性疾病等常见疾病的生物标志物，为当地居民提供基本的医疗诊断服务。
七、相关研究与对比（一）其他太空健康监测生物传感器研究此前已经有一些关于太空健康监测生物传感器的研究。例如，[6] 中提到的基于化学发光的生物传感器在国际空间站的应用，展示了通过检测宇航员唾液中的某些生物标志物来监测健康状态的可能性。然而，APHRODITE 在设计上更加紧凑、功能更加全面，不仅能够检测多种生物标志物，还具备更好的可重复使用性和可重新配置性。
（二）与传统诊断方法对比与传统的诊断方法相比，APHRODITE 的优势在于其即时性和非侵入性（通过检测唾液）。传统的诊断方法可能需要复杂的样本采集和处理过程，并且检测结果可能需要较长时间才能得到。而 APHRODITE 可以在现场快速获得结果，这对于太空任务中的实时健康监测以及地球上的紧急情况诊断都具有重要意义。
八、结论与展望APHRODITE 生物传感器作为一种创新的技术手段，为太空任务中的宇航员健康监测提供了新的解决方案。它不仅能够应对太空环境中的挑战，实现对唾液生物标志物的实时分析，还有着广泛的地球应用前景。通过在国际空间站的实验和进一步的研究开发，有望不断完善其性能，为未来的深空探索和地球上的医疗诊断领域带来更多的便利和突破。同时，随着技术的不断发展，我们可以期待更多类似的先进设备出现，进一步保障人类在太空和地球上的健康。
参考文献：[1] Afshinnekoo E., Scott R.T., MacKay M.J., Pariset E., Cekanaviciute E., Barker R., Gilroy S., Hassane D., Smith S.M., Zwart S.R., et al. Fundamental Biological Features of Spaceflight: Advancing the Field to Enable Deep - Space Exploration. Cell. 2020;183:1162 - 1184. doi: 10.1016/j.cell.2020.10.050.[2] Roda A., Mirasoli M., Guardigli M., Zangheri M., Caliceti C., Calabria D., Simoni P. Advanced Biosensors for Monitoring Astronauts’ Health during Long - Duration Space Missions. Biosens. Bioelectron. 2018;111:18 - 26. doi: 10.1016/j.bios.2018.03.062. [3] Chancellor J.C., Scott G.B.I., Sutton J.P. Space Radiation: The Number One Risk to Astronaut Health beyond Low Earth Orbit. Life. 2014;4:491 - 510. doi: 10.3390/life4030491.[4] Azzam E.I., Jay - Gerin J. - P., Pain D. Ionizing Radiation - Induced Metabolic Oxidative Stress and Prolonged Cell Injury. Cancer Lett. 2012;327:48 - 60. doi: 10.1016/j.canlet.2011.12.012.[5] Lorenzo Nardi, Nithin Maipan Davis, Serena Sansolini, et al. APHRODITE: A Compact Lab - on - Chip Biosensor for the Real - Time Analysis of Salivary Biomarkers in Space Missions. Biosensors (Basel). 2024 Jan 30;14(2):72. doi: 10.3390/bios14020072.[6] Zangheri M, Mirasoli M, Guardigli M, Di Nardo F, Anfossi L, Baggiani C, Simoni P, Benassai M, Roda A. Chemiluminescence - based biosensor for monitoring astronauts' health status during space missions: Results from the International Space Station. Biosens Bioelectron. 2019 Mar 15;129:260 - 268. doi: 10.1016/j.bios.2018.09.059. Epub 2018 Sep 17.[7] Thirsk RB. Health care for deep space explorers. Ann ICRP. 2020 Dec;49(1_suppl):182 - 184. doi: 10.1177/0146645320935288. Epub 2020 Jul 31[8] Agha NH, Baker FL, Kunz HE, Spielmann G, Mylabathula PL, Rooney BV, Mehta SK, Pierson DL, Laughlin MS, Markofski MM, Crucian BE, Simpson RJ. Salivary antimicrobial proteins and stress biomarkers are elevated during a 6 - month mission to the International Space Station. J Appl Physiol (1985). 2020 Feb 1;128(2):264 - 275. doi: 10.1152/japplphysiol.00560.2019. Epub 2019 Nov 21.
