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曾经大到会被误认为是恐怖分子炸弹的便携式空气污染监测器，现在正被缩小成越来越小的可穿戴设备，这些设备可以轻松地用于环境侦查工作：校车排放的黑碳烟尘不仅会导致全球气温升高，还会导致儿童哮喘发病率上升吗？这些新型袖珍传感器可以更实际、更有效地检测此类潜在的公共健康风险。
近年来，环境健康科学家对个人空气污染追踪越来越感兴趣。他们意识到，将监测从屋顶（多年来，设备一直在那里呼吸着城市呼出的污染物混合物）转移下来，可以帮助识别人们之间的暴露差异以及个人日常活动期间的暴露差异。
例如，各区域的平均颗粒物浓度很少能揭示人们在任何特定位置吸入的具体空气颗粒。“问题是，没多少人住在屋顶上。大多数人住在楼层里，在城市街道上行走，乘坐汽车、地铁或公共汽车出行，”哥伦比亚大学拉蒙特-多尔蒂地球观测站的环境地球化学家史蒂文·奇尔鲁德说。“因此，如果你真的想知道人们接触到了什么，你需要监测他们。”
对儿童来说尤其如此。“他们玩耍半小时接触到的奇怪灰尘，比你我一个月接触到的还要多，”华盛顿州里奇兰太平洋西北国家实验室的詹姆斯·考因回忆起他小时候追逐喷洒DDT的卡车的日子时说。
把它带到街上
今年秋天，数十名九岁和十岁的孩子将佩戴由奇尔鲁德、考因及其各自团队共同开发的新型监测器，在纽约市的街道和学校里活动。每个设备都采用了旨在精确指出孩子们接触到的污染物种类、时间和地点以及持续时间的的技术。
奇尔鲁德是目前正在改进个人空气传播污染物传感器的八位受助人之一，该项目是美国国家环境健康研究所（NIEHS）基因与环境倡议的一部分，该项目旨在更好地了解遗传因素和环境暴露如何影响人类疾病。“当我们制定这项倡议时，”NIEHS的大卫·鲍尔肖说，“我们得出的结论是，我们需要开发监测个体暴露的能力。”
此类设备的黄金标准传统上是装在笨重的背包中的监测器，重量高达三公斤，大约相当于一个新生婴儿的重量。“这限制了我们只能选择热情洋溢的青少年或关心此事的成年人，”奇尔鲁德指出。“你无法真正对年幼的孩子进行研究。”即使是对最积极的人来说，依从性始终是一个问题：研究对象会一直带着它们四处走动，还是会感到厌倦并将它们放在家里或储物柜里？
然而，不久之后，恐怖主义成为了传感器的主要障碍。“我的时机恰到好处：马德里爆炸案发生在我们开发监测器的时候，”奇尔鲁德说。“似乎没有人感到太大的困扰。但是当伦敦爆炸案发生后，很明显我们的背包大小相同，警察说：‘不行。你们需要把它缩小到随身听的大小，否则你们的研究对象有被枪击的风险。’”
缩小传感器
因此，在考因的帮助下，他确实做到了这一点，考因负责该项目的硬件和软件开发方面。“采样器还不是手机大小（尽管是 1991 年的型号），但它非常紧凑，”考因指出，并补充说它与早期的嗡嗡作响的型号相比安静多了。
正在进行的工作——目前长 15 厘米，宽不到 7.5 厘米，重量大约相当于一台随身听——正在接受验证，以确保直径仅为 0.2 厘米的过滤器确实能够完成与旧的 3.7 厘米宽的型号相同的工作。该原型机配备了六个这样的污染网：三个用于收集黑碳，三个用于收集单粒子，这两种物质都普遍存在于城市空气中，并被怀疑会对儿童健康造成危害。
然后，每对过滤器被指定用于儿童经常光顾的三个关键地点之一：家庭、学校和户外（或通勤）。智能采样器始终知道自己身在何处。如果孩子在家，蓝牙信标会通知传感器，传感器会相应地切换阀门。当传感器丢失信号时，它必须在其他两个位置之间做出选择。输入的日程表可帮助它确定何时切换到学校模式。（如果孩子生病在家，并且从那里接收到蓝牙信号，则此模式将被覆盖。）在所有其他时间，使用全球定位系统技术 (GPS) 来确定研究对象的位置。“总有一天，当 GPS 变得更好时，我们可以完全基于它来进行切换，”奇尔鲁德预测道。并且，随着其他技术的不断进步，计划进一步缩小传感器，并进行实时黑碳和颗粒物监测。
虽然手持设备比背包更容易佩戴，但它并非没有问题。“随着所有这些采样器变得越来越小，依从性成为一个大问题，”奇尔鲁德解释道。“以前的问题是，‘你想背一个大背包吗？’现在，问题是，‘你会正确佩戴它吗？’”如果设备挂在腰带上、放在钱包或背包中，甚至被冬衣覆盖，测量结果可能会出现很大偏差。“它们可以去很多我们不希望它们去的地方，”奇尔鲁德说。但在运动传感器和专门设计的背心的帮助下，他们希望将它们固定在正确的位置。
感知新政策
如果该项目的验证阶段进展顺利，这些传感器很快就会在现场与 30 名患有哮喘病和 30 名未患哮喘病的人一起使用，这些人是研究人员自他们在子宫里时就开始研究的数百名儿童的一个子集——当时他们的怀孕母亲佩戴了原始的背包监测器。这些孩子还将保留症状日记并接受临床评估；记录其暴露情况的过滤器将在实验室进行分析。
如果观察到身体影响，研究人员可以回去追踪暴露情况。结合被过滤器捕获的空气传播污染物，追踪到的位置也可以提供有价值的线索：“他们是否走在繁忙的街道上？如果是这样，很可能是汽车交通，”NIEHS 的鲍尔肖说。“他们在家里——在厨房里吗？那么可能是烹饪油烟。”
考因认为，如果研究人员能够将人们接触到的物质与他们的健康影响一一对应起来，“那么我们可以更好地了解风险，并将其添加到我们需要采取的行动的考量中。在制定政策时，有些事情我们可以控制。但是你需要根据你实际看到的情况来权衡你可能采取的行动。”
个人决策也是如此。考因指出，虽然将人们束缚起来并在实验室中让他们接触空气污染是不道德的，但研究对象本质上会自己做这件事：“他们会站在公共汽车后面聊天 20 分钟。”他补充说，有了智能传感器，我们可以破译是什么引发了哮喘发作：“他们是站在公共汽车后面，还是在亨利叔叔吸烟时？”一个答案很可能有助于化解研究对象未来严重的健康问题。