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曾經大到會被誤認為是恐怖分子炸彈的行動式空氣汙染監測器，現在正被縮小成越來越小的可穿戴裝置，這些裝置可以輕鬆地用於環境偵查工作：校車排放的黑碳煙塵不僅會導致全球氣溫升高，還會導致兒童哮喘發病率上升嗎？這些新型袖珍感測器可以更實際、更有效地檢測此類潛在的公共健康風險。
近年來，環境健康科學家對個人空氣汙染追蹤越來越感興趣。他們意識到，將監測從屋頂（多年來，裝置一直在那裡呼吸著城市撥出的汙染物混合物）轉移下來，可以幫助識別人們之間的暴露差異以及個人日常活動期間的暴露差異。
例如，各區域的平均顆粒物濃度很少能揭示人們在任何特定位置吸入的具體空氣顆粒。“問題是，沒多少人住在屋頂上。大多數人住在樓層裡，在城市街道上行走，乘坐汽車、地鐵或公共汽車出行，”哥倫比亞大學拉蒙特-多爾蒂地球觀測站的環境地球化學家史蒂文·奇爾魯德說。“因此，如果你真的想知道人們接觸到了什麼，你需要監測他們。”
對兒童來說尤其如此。“他們玩耍半小時接觸到的奇怪灰塵，比你我一個月接觸到的還要多，”華盛頓州里奇蘭太平洋西北國家實驗室的詹姆斯·考因回憶起他小時候追逐噴灑DDT的卡車的日子時說。
把它帶到街上
今年秋天，數十名九歲和十歲的孩子將佩戴由奇爾魯德、考因及其各自團隊共同開發的新型監測器，在紐約市的街道和學校裡活動。每個裝置都採用了旨在精確指出孩子們接觸到的汙染物種類、時間和地點以及持續時間的的技術。
奇爾魯德是目前正在改進個人空氣傳播汙染物感測器的八位受助人之一，該專案是美國國家環境健康研究所（NIEHS）基因與環境倡議的一部分，該專案旨在更好地瞭解遺傳因素和環境暴露如何影響人類疾病。“當我們制定這項倡議時，”NIEHS的大衛·鮑爾肖說，“我們得出的結論是，我們需要開發監測個體暴露的能力。”
此類裝置的黃金標準傳統上是裝在笨重的揹包中的監測器，重量高達三公斤，大約相當於一個新生嬰兒的重量。“這限制了我們只能選擇熱情洋溢的青少年或關心此事的成年人，”奇爾魯德指出。“你無法真正對年幼的孩子進行研究。”即使是對最積極的人來說，依從性始終是一個問題：研究物件會一直帶著它們四處走動，還是會感到厭倦並將它們放在家裡或儲物櫃裡？
然而，不久之後，恐怖主義成為了感測器的主要障礙。“我的時機恰到好處：馬德里爆炸案發生在我們開發監測器的時候，”奇爾魯德說。“似乎沒有人感到太大的困擾。但是當倫敦爆炸案發生後，很明顯我們的揹包大小相同，警察說：‘不行。你們需要把它縮小到隨身聽的大小，否則你們的研究物件有被槍擊的風險。’”
縮小感測器
因此，在考因的幫助下，他確實做到了這一點，考因負責該專案的硬體和軟體開發方面。“取樣器還不是手機大小（儘管是 1991 年的型號），但它非常緊湊，”考因指出，並補充說它與早期的嗡嗡作響的型號相比安靜多了。
正在進行的工作——目前長 15 釐米，寬不到 7.5 釐米，重量大約相當於一臺隨身聽——正在接受驗證，以確保直徑僅為 0.2 釐米的過濾器確實能夠完成與舊的 3.7 釐米寬的型號相同的工作。該原型機配備了六個這樣的汙染網：三個用於收集黑碳，三個用於收集單粒子，這兩種物質都普遍存在於城市空氣中，並被懷疑會對兒童健康造成危害。
然後，每對過濾器被指定用於兒童經常光顧的三個關鍵地點之一：家庭、學校和戶外（或通勤）。智慧取樣器始終知道自己身在何處。如果孩子在家，藍牙信標會通知感測器，感測器會相應地切換閥門。當感測器丟失訊號時，它必須在其他兩個位置之間做出選擇。輸入的日程表可幫助它確定何時切換到學校模式。（如果孩子生病在家，並且從那裡接收到藍牙訊號，則此模式將被覆蓋。）在所有其他時間，使用全球定位系統技術 (GPS) 來確定研究物件的位置。“總有一天，當 GPS 變得更好時，我們可以完全基於它來進行切換，”奇爾魯德預測道。並且，隨著其他技術的不斷進步，計劃進一步縮小感測器，並進行即時黑碳和顆粒物監測。
雖然手持裝置比揹包更容易佩戴，但它並非沒有問題。“隨著所有這些取樣器變得越來越小，依從性成為一個大問題，”奇爾魯德解釋道。“以前的問題是，‘你想背一個大揹包嗎？’現在，問題是，‘你會正確佩戴它嗎？’”如果裝置掛在腰帶上、放在錢包或揹包中，甚至被冬衣覆蓋，測量結果可能會出現很大偏差。“它們可以去很多我們不希望它們去的地方，”奇爾魯德說。但在運動感測器和專門設計的背心的幫助下，他們希望將它們固定在正確的位置。
感知新政策
如果該專案的驗證階段進展順利，這些感測器很快就會在現場與 30 名患有哮喘病和 30 名未患哮喘病的人一起使用，這些人是研究人員自他們在子宮裡時就開始研究的數百名兒童的一個子集——當時他們的懷孕母親佩戴了原始的揹包監測器。這些孩子還將保留症狀日記並接受臨床評估；記錄其暴露情況的過濾器將在實驗室進行分析。
如果觀察到身體影響，研究人員可以回去追蹤暴露情況。結合被過濾器捕獲的空氣傳播汙染物，追蹤到的位置也可以提供有價值的線索：“他們是否走在繁忙的街道上？如果是這樣，很可能是汽車交通，”NIEHS 的鮑爾肖說。“他們在家裡——在廚房裡嗎？那麼可能是烹飪油煙。”
考因認為，如果研究人員能夠將人們接觸到的物質與他們的健康影響一一對應起來，“那麼我們可以更好地瞭解風險，並將其新增到我們需要採取的行動的考量中。在制定政策時，有些事情我們可以控制。但是你需要根據你實際看到的情況來權衡你可能採取的行動。”
個人決策也是如此。考因指出，雖然將人們束縛起來並在實驗室中讓他們接觸空氣汙染是不道德的，但研究物件本質上會自己做這件事：“他們會站在公共汽車後面聊天 20 分鐘。”他補充說，有了智慧感測器，我們可以破譯是什麼引發了哮喘發作：“他們是站在公共汽車後面，還是在亨利叔叔吸菸時？”一個答案很可能有助於化解研究物件未來嚴重的健康問題。