1. 北京大学生物气溶胶感知BioSTAND®体系的简介：

生物气溶胶是指悬浮于空气中的细菌、病毒、真菌及化学毒素等, 是大气颗粒物（PM2.5、PM10等）的重要组成部分。 生物气溶胶呼吸暴露能导致各种呼吸系统疾病包括下呼吸道感染、哮喘、过敏等。例如，1918年爆发的H1N1流感使得全球5000万人死亡，100年后气溶胶传播所导致的下呼吸道感染仍然是人类第四大杀手。据世界卫组织统计，每年近300万人因此丧生，而对低龄儿童来说更是首要死亡风险。而在灰霾天，空气中的这些生物成分进一步加重了健康风险。近年，生物气溶胶相关的大规模的突发性传染病也不断爆发，同时局部地区军事冲突风险增强, 以生物气溶胶形式包括利用可能基因编辑过的高致病病原体的生物战、生物恐怖的危险剧增，严重威胁着人类和平与稳定。此外，现行空气质量标准缺乏对生物组分与毒性考量，导致污染控制成本高，健康效应难以评估。气溶胶生物化学反应复杂、关键毒性组分识别难，其环境健康协同效应与机制亟待厘清。针对这些问题与挑战，北京大学要茂盛教授作为第一执行主席组织召开两次香山科学会议，在国家重大科技、国家自然科学基金委创新群体研究、广州国家实验室应急攻关以及国家重点研发等项目资助下，研发了BioSTAND®生物气溶胶感知体系，并利用其开展了生物气溶胶与化学联合毒性感知与机制研究。

图 1  北京大学生物气溶胶感知系统BioSTAND®

呼出气冷凝液采集装置可以快速冷凝呼出气中的细菌、病毒以及蛋白分子从而可以用来疾病诊断、病原体筛查等。基于酵母菌的设备可以实时在线监测细胞蛋白的表达，从而可以研究空气污染的毒理机制。生物气溶胶大流量撞击采样器可以捕获空气中的生物粒子，抓取关键时间的生物事件。生物气溶胶实时监测系统通过集成空气采样、微流控以及生物传感可以实时在线监测空气中的特定病原体。大流量生物气溶胶液体采样器可以快速高倍浓缩富集空气中的细菌、病毒等，从而可以用来监测生物危害。基于呼出气的设备，可以通过分析人体呼出气中的八种气体标志物指纹实现在40秒内筛查多种病原体感染。 基于大鼠的，通过探测大鼠呼出气中的气体标志物可以实时在线监测空气的综合毒性。

图 2  北大BioSTAND®系统现场展示

图 3  北大BioSTAND®系统研讨会

2. 北京大学生物气溶胶感知体系BioSTAND®相关的项目启动会

   2.1 国家自然科学基金委员会创新群体“颗粒物化学生物物理特性及其环境人体健康效应”项目（项目资助号：22221     004）启动会

3月15日，由北京大学要茂盛教授牵头负责的国家自然科学基金委员会创新群体“颗粒物化学生物物理特性及其环境人体健康效应”项目（项目资助号：22221004）启动会在北京大学环境科学与工程学院顺利召开。该群体项目主要围绕颗粒物的来源、生成和生物化学毒性等开展深入工作，主攻自由基化学与大气氧化性演变规律，颗粒物化学、生物与PM2.5和霾污染成因，颗粒物毒性、生物活性与大气污染物相互影响等关键科学问题。在2022年，基金委共批准资助43个项目，其中北京大学共获批2项，该群体项目是其中之一。

国家基金委化学部环境化学处庄乾坤处长、广州实验室主任、广州医科大学钟南山院士、中国科学院生态环境研究中心江桂斌院士、中国科学院化学所赵进才院士、中国科学院杭州医学研究所所长谭蔚泓院士、北京大学张远航院士、复旦大学陈建民院士、国家食品安全风险评估中心吴永宁研究员、中国气象科学研究院龚山陵研究员、军事科学院军事医学研究院主任高志贤研究员、中国科学院大气所主任王自发研究员、广东工业大学安太成教授和广州医科大学杨子峰教授作为项目专家受邀出席此次启动会。北京大学科研部谢冰部长、张存群副部长、基础办杨凌春主任、基金项目主管刘雨薇博士、北京大学环境科学与工程学院刘永副院长、项目负责人北京大学要茂盛教授及群体成员等50余人参加本次启动会。群体启动会开幕式由张远航院士主持。

图 4  群体项目启动会参加人员合影

图 5  群体项目现场讨论

群体负责人要茂盛教授对群体项目的宗旨、科学问题、研究内容、特色和研究目标进行了详细汇报，旨在从生物、化学、物理全方位阐述颗粒物的形成、演化及毒性和环境健康效应。群体成员北京大学胡敏教授、李少萌教授、吴志军研究员、陆克定研究员和郭松研究员分别围绕群体研究目标和实施计划等进行了进一步汇报。

2.2 广州国家实验室专项项目“空气感知智能技术开发”启动会在北京大学召开

2024年12月14日，由北京大学要茂盛教授牵头负责的广州国家实验室专项项目“空气智能感知技术开发”启动会在北京大学环境科学与工程学院顺利召开。该项目经过多次研讨与论证，最终获得立项批准。项目由北京大学牵头，联合复旦大学、中国科学院生态环境研究中心、清华大学、山东第一医科大学、北京师范大学和北京工匠生物科技有限公司，主要围绕空气中细菌、病毒的采集、浓缩、检测，气溶胶感知设备的研发以及集成设备样机等多个方面开展工作。

图 6  项目启动会人员合影

中国科学院化学研究所赵进才院士、火箭军工程大学侯立安院士（线上参加）、清华大学李景虹院士、广州医科大学附属第一医院、广州呼吸健康研究院杨子峰教授、解放军总医院陈威巍教授作为项目咨询专家受邀出席此次启动会。北京大学副校长方方、广州国家实验室副主任陈新文、广州国家实验室科技发展部部长李婷、北京大学科研部副部长张存群、北京大学环境科学与工程学院党委书记李振山、院长刘永，项目负责人北京大学要茂盛教授及团队成员等50余人参加本次启动会。

图 7  启动会现场

汇报环节，要茂盛教授就空气智能感知技术开发专项总体设计做出介绍。报告从立项背景、总体构思、课题设置以及项目目标等多个方面对项目进行了全局的统筹和规划。课题负责人复旦大学陈建民教授、中国科学院生态环境研究中心刘倩研究员、北京师范大学彭奎庆教授、清华大学刘荔长聘副教授和山东第一医科大学刘思金研究员也分别围绕课题背景、任务设置、创新点、技术路线和应用等进行了深入汇报。

2.3 国家重点研发计划揭榜挂帅新冠专项科研攻关项目在北大启动

4月20日，由要茂盛教授牵头负责的国家重点研发计划“重大自然灾害防控与公共安全”重点专项新型冠状病毒科研攻关项目：“基于呼出气标志物快速筛查新冠肺炎的基础应用研究”（项目号：2023YFC3041200）启动会在北京大学环境科学与工程学院顺利召开。该项目属于项目指南方向“颠覆性超快速、高灵敏新冠检测技术”揭榜挂帅项目。该攻关项目由要茂盛教授牵头，由北京大学、北京热景生物技术股份有限公司、北京工匠生物科技有限公司、北京市朝阳疾病预防控制中心、江苏省疾病预防控制中心、首都医科大学附属北京地坛医院与上海市公共卫生临床中心共计七家单位联合攻关。该项目基于前期要茂盛教授的工作基础上，进一步集成7家单位的优势资源研发推进便携、快速、灵敏的基于呼出气气体标志物指纹的新冠病毒感染筛查设备在中国示范使用。

图 8  启动会参加人员合影

3. 北京大学生物气溶胶感知体系BioSTAND®的应用

    3.1 汶川地震灾区空气中病原体的监测

图 9 团队在四川地震灾区的监测 （2008年5-6月）

图 10 要茂盛在地震废墟上采集空气样品（2008年）

3.2. 新冠肺炎疫情监测与防控

3.2.1 证实气溶胶传播新冠肺炎

图 11 采集新冠患者呼出气

3.2.2 早期在武汉进行新冠病毒气溶胶采集监测

3.2.3 发现新冠肺炎呼出气的挥发性有机物标志物

图 12 团队采集新冠肺炎患者呼出气现场 （2020年4月）

3.3 北京冬奥会的疫情防控

3.4 边疆地区生态环境防控

图13 天空地环境健康移动实验室

BioSTAND®技术转化创建天空地环境健康移动实验室。 科技日报：“该监测系统可全域覆盖内蒙古边疆地区，核心功能涵盖大气污染跨境传输监测、鼠疫疫情预警、布鲁氏杆菌感染筛查、水土生态评估等关键问题。例如天基遥感系统实时探测森林野火与生物云团风险，空地协同的无人机—机器人走航技术深入无人区采样分析，呼出气快速筛查设备可在40秒内完成人群健康初筛，为生态安全与公共卫生筑起“智慧防线”。”

3.5 BioSTAND®技术用于实时监测空气污染

3.6 BioSTAND®技术的其它应用示范

3.6.1 在海关示范使用监测新冠病毒气溶胶等

3.6.2 在海关出境口使用筛查病毒病原体感染等

3.6.3 在边疆地区筛查布病

3.6.4 现场筛查ICU体重症患者的病原

图 16 要茂盛在ICU外面现场为重症患儿筛查病原体

3.6.5  BioSTAND®技术在地铁里面的应用

3.6.6. BioSTAND®技术的国际应用示范

图 17 法国巴黎一家医院正在示范使用BioSTAND®技术产品

4. 北京大学生物气溶胶感知体系BioSTAND®部分获奖与荣誉

4.1 BioSTAND® 用于流感病毒气溶胶等监测

4.2 新冠病毒气溶胶的采集监测

4.3 研究气溶胶传播呼吸系统感染疾病

4.4 国家十三五科技创新成就展

“要茂盛教授领衔的生物气溶胶小组在北大辛勤耕耘十四年，瞄准重大关键科学问题，通过技术创新，在生物气溶胶采集监测、气溶胶传播病原体与耐药基因、颗粒物毒性以及大气微生物气溶胶污染等方面做出了引领成果。2020年初，应对突来的新冠肺炎疫情，团队紧急创建了基于机器人采样的现场快速检测技术Air-nCoV-Watch（ACW），显著地缩短了采集时间，极大地提升了新冠病毒气溶胶检出率，并于2020年2月底用于武汉医疗环境空气中新冠病毒的监测。此外，团队通过利用自主研发的呼出气采集系统，揭示人体呼吸气溶胶是新冠肺炎传播的重要方式，为有效防护气溶胶传播新冠疫情的措施提供直接科学依据。针对现有的核酸筛查新冠肺炎在检测时间和灵敏度方面仍存在的不足，要茂盛教授团队在国际上最早报道了新冠肺炎的呼出气挥发性有机物标志物指纹，并且研发了一套完整的基于呼出气挥发性有机物快速筛查新冠肺炎系统（Test-Breath-Now， TBN），该系统只需100毫升的人体呼出气即可在5-10分钟内获得新冠肺炎筛查结果，得到社会广泛关注。研究成果入选了2020年度中国生态环境十大科技进展。近两年来，要茂盛教授一直奋战在抗击新冠肺炎的科研前线，获颁北京大学抗击新冠肺炎标兵荣誉与专业刊物Journal of Aerosol Science的首届刊物年度卓越研究奖 （JAS Excellence in Research）。”

5. 总结

利用化学、纳米、细胞以及动物传感研发了生物气溶胶感知体系 BioSTAND®（采样、检测与毒性效应探测），研发的BioSTAND®体系在国家重大活动、灾害防疫以及人群健康防控中发挥突出作用，BioSTAND®技术转化创建 “空天地环境健康移动实验室”，守护内蒙古边疆地区生态环境安全屏障，被疾控中心、军队、科研院所广泛应用。