太空实验有助于通过血液检测推进癌症的早期检测

想象一下，一个传感器如此灵敏，可以在一滴血中检测到早期癌症，从而在第一次出现症状之前——可能在肿瘤形成之前——进行诊断和治疗

接下来，想象一种能够识别海水中微量塑料污染物的设备，使科学家能够减轻纳米塑料等危险的微观有毒废物对环境的影响，纳米塑料是尺寸在1到1000纳米之间的微塑料亚组

捕获？血液样本和装有污染水的小瓶在太空中进行筛查，在太空中，重力的缺失会导致意外事件：形成异常大的气泡，更有效地浓缩癌症生物标志物等物质进行检测

这是圣母大学研究分子水平质量和能量传输的研究员罗腾飞的未来愿景。他的概念很简单，但有着深刻的应用。通过利用热、流体和光的独特性质及其与气泡的相互作用，罗试图创造一种在地球上有用但在太空微重力环境中表现更好的传感技术。这些传感器通过产生与物质浓度成比例的信号来测量生物或化学含量

罗的技术使用气泡来浓缩和提取液体样本中最微小的物质，有望实现比目前更好的检测灵敏度和准确性。这项技术的关键是将气泡从重力诱导力的约束中解放出来，使它们能够在更大的空间范围和更长的持续时间内充当目标微观物质的集中器，使物质更容易检测和分析

＜p＞Luo表示，这种生物传感方法最终可以提高癌症诊断工具的效率，该工具依赖于从液体中提取高浓度样本

罗说：“目前可用于在成像过程中发现肿瘤之前筛查早期无症状癌症的技术仅限于少数癌症。”。“如果在太空中使用我们的气泡技术进行癌症筛查的民主化和廉价化，就可以筛查更多的癌症，每个人都可以受益。这是我们可以将其纳入年度考试的内容。这听起来很遥远，但是可以实现的。”

这是国际空间站（ISS）实验室一系列实验中的第一个，旨在研究与地球上的过程相比，当水在太空中沸腾时，气泡是如何在不同粗糙度的表面上形成和生长的。最初的实验检查了一个表面上的气泡行为，诺斯罗普·格鲁曼公司第17次CRS任务中的第二次迭代研究了四个不同的表面

飞行硬件内的高速摄像头捕捉到了气泡的生长过程，然后罗的团队结合计算机模拟分析了视频。实验主要关注影响气泡形成的两个基本因素：表面纹理和周围液体的运动。据罗介绍，结果很有希望，表明气泡在太空中比在地球上生长得更大、更快

了解太空中气泡生长的机制将有助于罗推进从液体中提取极低浓度物质的技术，他说这是在血液样本或水中微量污染物中检测癌症的下一步。除了地球应用外，该技术还可以支持低地球轨道经济，并可能在深空探索期间陪伴宇航员评估机载水源的污染情况或监测机组人员的健康状况

揭开太空中气泡的物理面纱

罗来自中国，在麻省理工学院完成博士后研究后加入圣母院，并于2012年创立了MONSTER（分子/纳米尺度传输和能量研究）实验室，研究分子水平的能量和质量传输

在2020年发表在《Advanced Materials Interfaces》上的一项研究中，Luo和他的研究团队使用激光加热了一种含有涂有DNA生物标志物的纳米粒子的溶液。他们成功地将纳米粒子吸引到激光产生的气泡中，并将其沉积在基材上，形成了罗所说的“高密度浓缩岛”。

由于一种称为马兰戈尼流的现象，纳米粒子被输送到气泡表面。气泡越大，在液体中保持的时间越长，不从表面分离，被吸引的物质就越集中。生物标志物沿着气泡迁移到固体表面，在那里它们聚集在一起，准备进行研究。在这一点上，罗使用显微镜检查气泡，并确定表面沉积了什么

为了培养“在表面上持续时间更长的更大气泡”并使他的生物传感器更敏感，罗求助于空间站独特的微重力环境，并获得了space Tango的帮助

Space Tango总裁兼联合创始人Twyman Clements解释说：“微重力通过消除我们宇宙的一种基本力，为探索物理学基础提供了一个理想的环境。”。“在地球上，气泡会受到表面张力和浮力等竞争力的影响，但在近地轨道上，这些力会被消除。”Space Tango与罗的团队合作开发了定制硬件，以确保航天项目的成功

克莱门茨说：“在这项研究中，研究小组设计了一个自动化实验，从流体容纳系统到高速成像工具，这些实验在微重力条件下运行，并在空间站上安全地加热所研究的液体。”。“随着我们不断改进技术，这一努力突显了我们致力于推动流体动力学研究的边界，以造福地球及其他地区的人类。”

该实验位于Space Tango开发的一个新型CubeLab中，这是一个鞋盒大小的自动化平台。该硬件包括四个专门的流体室和高分辨率成像系统，专门用于观察和分析微重力下的气泡形成。该实验涉及将各种流体受控引入腔室，使研究人员能够研究微重力条件下气泡的形成、生长和聚结

“我们发现，气泡在太空中的形成速度比在地球上快得多。例如，在一项实验中，气泡在空间中4分35秒后形成，但在地球上需要两倍的时间，因为液体的运动冷却了被称为热对流的区域，”罗说

在空间中，如果没有浮力和对流，气泡生长的动力学会发生剧烈变化。在地球上，浮力——物体在流体中因重力而上升或下降的趋势——在气泡的形成和生长中起着重要作用。此外，由加热区域周围热液体运动引起的对流有助于调节温度并减缓气泡生长

微重力下几乎没有浮力。这意味着气泡不会被拉离表面，使它们在不受干扰的情况下变大。此外，如果没有对流，就没有什么可以冷却加热区域。因此，热能集中在一个较小的区域，导致比地球上更快、更大的气泡生长，罗说

他的太空实验结果成功地说明了这些概念。气泡并没有从表面分离出来，但当它们长得太大时，最终会破裂。罗说：“我们仍然不明白为什么。”

在分析和量化气泡体积后，罗和他的团队确定，太空气泡可能比地球气泡大几个数量级。他们今年早些时候在《自然微重力》杂志上发表了他们的研究结果

在地球上，罗使用他的技术在他从美国海岸收集的恶劣海水中发现了纳米塑料，包括来自一次性咖啡杯、水瓶和渔网的纳米塑料，他在最近发表在《科学进展》上的另一篇论文中对此进行了描述

“我们在墨西哥湾300米深处发现了一些浓度非常低的颗粒，但这让我们看到了纳米塑料在我们的海洋环境中的样子，”罗说

罗和他的团队将在即将于8月发射的实验中继续他们的研究。这一次，该团队将进行颗粒处理，以确认较大的气泡确实增加了收集到的浓缩纳米粒子的密度

太空探戈立方体实验室也将进行一些更改。罗正在与太空探戈合作，实施一种安全、廉价的激光来加热液体；纳米粒子吸收激光并将其转化为热量。用激光加热纳米颗粒悬浮液可以更好地控制马兰戈尼流，以提高生物标志物的浓度和收集

“如果浓度比与气泡大小成正比，我们应该能够将生物传感器的灵敏度再提高三个数量级，”罗说。“因此，从理论上讲，这将使我们能够筛查早期癌症。”

罗开始思考如何实现这个梦想。他估计，向空间站发送大约1万份血液样本需要花费几百美元。当然，这还不包括驾驶航天器的费用。他希望像波音公司的Starliner这样的飞行器和未来的商业太空目的地可能有助于降低太空疾病筛查的成本，并进一步使获取途径民主化

尽管如此，扩大这一过程以使每个人都能进行太空筛查是一个需要克服的重大障碍。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流体物理的理解。在颗粒浓度、气泡尺寸和气泡生长速率的极端条件下验证这项技术可以使各种地面筛选受益。这意味着绘制癌症生物标志物或环境污染物检测的科学界限

罗说，受益的不仅仅是地球上的人。监测宇航员的健康状况对于长期太空任务至关重要，及早发现健康变化可以确保他们的健康。加强太空中的生物传感器技术可以带来更准确和可靠的健康监测，有助于更安全的太空探索

商业航天公司Voyager space的业务发展总监乔纳森·沃尔克表示，两用应用，如罗的生物传感，具有变革潜力，有利于太空探索和地球技术。Voyager space专注于推进深空任务，包括月球和火星探讨计划，并开发商业空间站Starlab

Volk说：“增加进入太空的机会对于鼓励更多像腾飞这样的项目至关重要。”他强调了国际空间站国家实验室在将有远见的概念转化为现实方面的作用

Volk说：“要在太空环境中进行科学研究，无论是物理学还是生物学，创新思维都是必不可少的，而且一个想法很容易听起来像白日梦。”。“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有可能成为可能。”