权健量子检测

近日，英国科学家首次展示了一种新型激光雷达系统，其使用量子探测技术在水下获取3D图像。该系统拥有极高的灵敏度，即便在水下极低的光线条件下也能捕获详细信息，可用于检查水下风电场电缆和涡轮机等设备的水下结构，也可用于监测或勘测水下考古遗址，以及用于安全和防御等领域。 在水下实时获取物体的3D图像极具挑战性，因为水中的任何粒子都会散射光并使图像失真。基于量子的单光子探测技术具有极高的穿透力，即使在弱光条件下也能工作。在最新研究中，研究人员设计了一个激光雷达系统，该系统使用绿色脉冲激光源来照亮目标场景。反射的脉冲照明由单光子探测器阵列检测，这一方法使超快的低光检测成为可能，并在光子匮乏的环境（如高度衰减的水）中大幅减少测量时间。激光雷达系统通过测量飞行时间（激光从目标物体反射并返回系统接收器所需的时间）来创建图像。通过皮秒计时分辨率测量飞行时间，研究人员可以解析目标的毫米细节。最新方法还能区分目标反射的光子和水中颗粒反射的光子，使其特别适合在高度浑浊的水中进行3D成像。他们还开发了专门用于在高散射条件下成像的算法，并将其与图形处理单元硬件结合使用。在3种不同浊度水平下的实验表明，在3 m距离的受控高散射场景中，3D成像取得了成功。量子检测技术在陆地上的应用，较多见诸报道。其实这种技术在水下的应用，同样空间广阔。例如，利用它进行海底地形勘测、水下考古、海底设备检测等等。不过，将这种技术应用于水下，绝对不意味着将其直接“照搬”。以在海洋中的应用为例，需要考虑海水的腐蚀性、洋流的运动、海底光照条件等多种特殊因素。因此需要使用特殊的耐腐蚀材料，进行特殊的设计，以更加适应水下环境的应用。

2023年10月4日，瑞典皇家科学院宣布，美国麻省理工学院的蒙吉巴文迪（Moungi G. Bawendi）、美国纳米晶体科技公司的阿列克谢埃基莫夫（Alexei I. Ekimov）和美国哥伦比亚大学的路易斯布鲁斯（Louis E. Brus）荣膺2023年诺贝尔化学奖，表彰他们 “发现和合成量子点”的科学贡献。在当今的材料应用领域中，纳米科学技术发展中的多个里程碑式工作来自于量子点相关研究。量子点（Quantum dots， QDs）已经成为备受瞩目的技术革命之一。图1. 化学家Moungi Bawendi（左）、化学家Louis Brus（中）和物理学家Alexei Ekimov（右）一、量子点是什么？量子点是一类半导体纳米微晶（Semiconductor Nanocrystals），简单来说，量子点是肉眼看不到的、极其微小的无机纳米晶体，直径在2-10nm。每当受到光或电的刺激，量子点便会发出有色光线，我们所看到的光线的颜色由量子点的组成材料和大小形状决定，一般来说，通过改变量子点晶体的尺寸可以改变发光颜色。具体而言，由不同的元素组成+量子点的方式进行命名，如“碳量子点”“硅量子点”。Alexei Ekimov是发现量子点的第一人，1981年他发现用氯化铜着色的玻璃，如果氯化铜颗粒大小不一样，玻璃颜色则会不一样，颗粒越小则越蓝，证实了量子点的尺寸发光效应。一般量子点颗粒越小，会吸收长波，颗粒越大，会吸收短波。比如2nm大小的量子点，可吸收长波，显示出蓝色。8nm大小的量子点，可吸收短波，呈现出红色。二、量子点在食品安全检测领域的应用因为量子点具有可调荧光和高光稳定性等独特特性，这些特性使其在食品安全检测中比传统荧光标记物更具优势。量子点的荧光可随尺寸和组成的改变而调节，从而实现对不同目标物的特异性检测。作为迄今为止人类发现的最优秀的发光材料，量子点已在食品安全检测领域展现出巨大潜力。首先，列举一些研究的范围：（1）检测食品中的食源性致病菌。目前，已确认30余种病原微生物可导致食源性疾病，其中细菌感染引发住院和死亡的人数最多。致病性大肠杆菌是一类常见的致病菌，是我国居民腹泻的首要病原菌，更是国际公认的卫生监测指示菌。目前有报道显示碳量子点（carbon quantum dots，CQDs）可用于检测大肠杆菌。也可以用于检测金黄色葡萄球菌、牛奶中沙门氏菌等。（2）检测食品中的生物毒素。生物毒素是生物机体分泌代谢或半生物合成的、不可自复制的有毒化学物质，由生物毒素引起的食物中毒已引起各国高度重视。目前有报道显示CQDs可用于黄曲霉毒素等的检测。（3）检测食品中的农药残留。（4）检测食品中的兽药残留。（5）检测食品中的重金属离子。（6）检测食品添加剂。量子点不仅在食品安全检测领域的研究工作很多，也有已经成型的检测仪器产品：（1）量子点微球荧光定量检测仪：通过将量子点包裹进纳米级微球中，制备出新型标记材料，能够实现对目标物的精准捕捉和定量检测。量子点微球荧光定量分析仪（力德力诺，点击图片可直达）量子点微球荧光定量分析仪的检测项目检测类别检测项检测样本真菌毒素黄曲霉毒素B1粮食、饲料原料、花生、油呕吐毒素粮食、饲料原料、花生、油玉米赤霉烯酮粮食、饲料原料、花生、油赭曲霉毒素A粮食、饲料原料、花生、油兽药残留氟苯尼考鸡肉、鸡蛋、鱼肉金刚烷胺畜禽组织、禽蛋氯霉素水产组织、蜂蜜恩诺沙星畜禽和水产组织呋喃唑酮水产组织、蜂蜜呋喃它酮蜂蜜氧氟沙星畜禽和水产组织孔雀石绿水产组织磺胺总量畜禽和水产组织农药残留多菌灵果蔬吡虫啉果蔬克百威果蔬啶虫脒果蔬多效唑果蔬腐霉利果蔬灭蝇胺果蔬（2）量子点荧光定量检测仪：应用竞争抑制免疫层析的原理，通过检测线荧光定量卡中的荧光强弱程度，定量分析真菌毒素、兽药残留、瘦肉精、抗生素、动物疫病、农药残留、临床检查项目等。量子点荧光定量检测仪（深芬仪器，点击图片可直达）量子点荧光定量分析仪检测项目：（1）真菌毒素残留类（黄曲霉毒素、呕吐毒素、玉米赤霉烯酮、赭曲霉毒素A等）。（2）激素残留类（莱克多巴胺、克伦特罗、沙丁胺醇、己烯雌酚等）。（3）水产品安全类（呋喃妥因代谢、呋喃西林代谢、呋喃它酮代谢、呋喃唑酮代谢、孔雀石绿、氯霉素）。（4）抗生素残留类（磺胺、喹诺酮、喹乙醇等）。（5）其他（食品有毒有害物质、非法添加物类、水质监测等）。另有晶格创研生物技术（北京）有限公司以及江西维邦生物科技有限公司也生产量子点荧光定量快速检测产品。三、展望量子点在食品安全检测领域的应用研究探索工作还在不断推进，相信未来会不断推出新的产品。另外，量子点成像芯片的研究在2024年也有了新的突破，据报道，2024年3月，光谷实验室联合科研团队（华中科技大学实验室、温州实验室）研发的胶体量子点成像芯片（也称“视觉芯片”）已实现短波红外成像。目前，已完成小试、中试，可大面积加工，兼容12寸CMOS晶圆制备工艺，同时成本极低，有望颠覆市场。在食品检测、半导体检测等工业应用中，基于短波红外成像的机器视觉如同机器的“眼睛”，具有重要意义。联合科研团队先后突破了材料-器件-电路-集成-系统5个关键环节，突破传统工艺限制，开拓全新工艺路线，低温一体化集成，开发研制出国内首款量子点红外成像样机，售价将只有国外的1%，成本大大降低。将这种“视觉芯片”装到手机、检测器上，可以“穿透”介质，看到肉眼看不到的“真相”。参考资料：神奇的纳米发光材料.朱邦尚.澎湃新闻，2023年11月18日碳量子点及其荧光探针在食品安全检测应用中的研究进展.杨茂杰等.食品科学，2023年44卷光谷实验室颠覆性技术突破，量子点芯片成本将降低90%以上.长江日报，2024年3月7日

生物传感器在医学领域也发挥着越来越大的作用。临床上用免疫传感器等生物传感器来检测体液中的各种化学成分，为医生的诊断提供依据。 　　在国家自然科学基金和中科院理化所青年基金项目的支持下，中科院理化所研究员唐芳琼领导的研究团队采用超声雾化法制备的水溶性碲化镉量子点，实现对乳酸脱氢酶(LDH)活性的定性定量分析。 　　日前，该研究成果在国际电化学与传感器领域影响因子排名第一的杂志《生物传感器与生物电子学》(Biosensors and Bioelectronics)上相继发表两篇论文。相关工作已申请两项中国发明专利。 　　拓展纳米材料的应用 　　生物传感器已应用于监测多种细菌、病毒及其毒素。生物传感器还可以用来测量乙酸、乳酸、乳糖、尿酸、尿素、抗生素、谷氨酸等各种氨基酸，以及各种致癌和致变物质。 　　乳酸脱氢酶存在于机体所有组织细胞的胞质内，并有着一定的正常范围。机体代谢异常，出现病变会引起乳酸脱氢酶含量的变化。因此，开发新型、快速、高效检测乳酸脱氢酶活性水平的方法可实现对常见的心肌炎、心肌梗塞、肾病、肝癌等疾病的早期诊断和实时调控。 　　“而将具有激发范围宽，发射光谱窄，荧光量子产率高，可通过调节尺寸、组成或结构来调节发射峰位，实现多色发光等优异光学特性的量子点用于开发信息容量大、响应速度快、灵敏度高、操作简便、成本低廉、便于携带的生物传感器，成为光学生物传感器研究的新热点。” 该团队成员之一、中科院理化所研究员任湘菱说。 　　唐芳琼领导的纳米材料可控制备与应用研究室一直致力于用价廉、可工程化的方法制备量子点并应用于生化检测，采用超声雾化法制备的水溶性碲化镉(CdTe)量子点实现对乳酸脱氢酶活性的定性定量分析。她们制备的新型生物传感器的检测范围为150~1500U/L，最低检测限达75U/L。 　　研究人员进而把这种方法拓展到血清中葡萄糖浓度的测定，并初步实现了对这两种物质的同时检测。她们构建的新型光学生物传感器与其他的量子点光学生物传感器(例如基于荧光能量共振转移的光学生物传感器)相比，不需要昂贵而复杂的生化分子修饰，方法简单快捷，操作易于掌握。此方法拓展了纳米材料的应用领域，为开拓生化检测分析的新途径提供了可供参考的实验和理论基础，促进了酶生物传感器的实用化发展。 　　“我们的目标是家庭化” 　　“通常用于检测乳酸脱氢酶的传感器制备过程复杂，需要一些复杂的分子，或者酶自身需要修饰，这样就需要一两天甚至更长的时间。而且需要经过专门培训的人来操作。我们这个检测体系可以用一些商品化的酶，医疗或生物制品市场可以买到的酶直接进行配制，配制过程一般只需要半个小时。”任湘菱说。 　　大多数人会每年进行一次体检，医生们却认为这个时间过长。不过，去医院体检是件很麻烦的事。通常要排队、挂号、检查要花上大半天时间，过几天还要再去取结果。很多人嫌麻烦，就不去体检了。 　　“如果我们能做到检测设备微型化，检测方法很容易掌握，而且能快速检测。自己在家隔几个月检查一下，既能发现疾病隐患，又方便了居民。” 任湘菱说，“现在家庭自己检查血压、血糖的多些，检测其他指标的比较少，主要是因为检测设备技术复杂，我们的目标就是实现体检家庭化。” 　　该团队用这一新技术作了血清检测，其结果和医院常用的设备对比十分吻合。 　　“要实现体检家庭化，还有大量的工作要做。未来我们会考虑做成试剂盒或试纸，和现在的血糖仪一样是用试纸插进去读数。”任湘菱说，“这属于光学传感器，我们主要的研究领域是生物试剂和纳米材料，因此也希望能和进行光传感、光器件研究的人合作，将比色转化成读数。”