灵敏式热通量传感器

近日，中山大学电子与信息工程学院（微电子学院）教授李朝晖和副教授沈乐成率领的研究团队基于硫系微纳加工平台，成功研制出了包含15个微腔的超高灵敏度光学超声传感器阵列，并融合新型通信算法数字光频梳技术，开展基于硫系片上阵列器件结构的并行信号解调及光声计算成像相关研究。相关研究论文发表于Nature Communications。 基于硫系微环传感器阵列和数字光频梳解调技术的光声成像示意图。研究团队 供图近年来，李朝晖/沈乐成团队一直致力于搭建面向硫系微纳器件的制备平台，并依此开展多物理场的传感与成像应用研究。在算法研究方面，他们提出了基于先进光信息处理算法的数字光频梳技术，具有高效、大带宽以及多维解调等优势，并结合光学微腔实现双共振模式下的超声信号解调；在技术创新方面研发了具有高调制效率的非悬浮硫系声光调制器；在成像应用与调控方面开展了面向生物医疗的高通量全息成像和高速光场调控。这些研究成果表明先进光信息处理技术与新型硫系材料器件的结合在生物成像、医疗传感等方面具有巨大的潜力和前景。基于上述积累，该团队近日研制出包含15个微腔的超高灵敏度光学超声传感器阵列。该微环传感器阵列具有高灵敏度、大带宽和小尺寸等优点，其中单个微环传感器具有175 MHz（-6 dB）的检测带宽和2.2?mPaHz?1/2的噪声等效压力，性能指标领先。基于可调的数字光频梳技术，研究团队还研发了一套可与微环传感器阵列相匹配的高性能并行信号检测方案，对高速动态粒子、静态叶脉和活体斑马鱼等展示了光声计算成像结果。上述研究工作得到科技部重点研发计划、国家自然科学基金和南方海洋科学与工程广东省实验室（珠海）的资助。

近日，中科院上海应用物理研究所、苏州纳米技术与纳米仿生研究所、复旦大学中山医院、上海计量测试技术研究院合作开发了一种基于DNA纳米结构修饰界面的电化学生物传感器，用于microRNA肿瘤靶标的超灵敏检测，相关工作已于日前发表于Nature杂志社新出版的综合性期刊Scientific Reports。 　　微小RNA(microRNA)是一种内源性的非编码单链RNA，在细胞的一系列生理发育过程中起着重要的调控作用。研究者发现microRNA的异常表达与很多肿瘤的发生发展直接相关，特别是发现它可以稳定地在血清中存在，是一类非常有前景的肿瘤标记物。 　　与传统的PCR等均相检测方法相比，基于表面反应的电化学生物传感器对疾病相关的microRNAs检测具有更加廉价、更容易实现现场检测的优点。然而，电化学生物传感器的灵敏度常常受到界面传质过程和拥挤效应的限制。 　　为了解决这些问题，中科院上海应用物理研究所研究员樊春海及其团队之前已发展了利用三维DNA纳米结构修饰金电极表面的新方法，可以显著增强表面分子的结合能力和提高检测灵敏度。 　　在樊春海指导下，闻艳丽等科研人员将这种DNA纳米结构修饰表面用于microRNA的传感检测。研究表明，这种新型的生物传感器可以检测到aM(10-18 mol/L)水平(1000个分子)的microRNAs，具有良好的单碱基区分能力，且能与前体RNA很好地区分。利用这种新型生物传感器灵敏度高、重复性好、无须标记和无须PCR扩增的优点，研究者对于一系列食管鳞状细胞癌病人样本中的microRNAs表达水平进行了分析，并实现了对癌组织和癌旁组织的良好区分。

中国科学技术大学郭光灿院士团队在基于里德堡原子的低频射频电场测量上取得重要进展。该团队史保森、丁冬生课题组利用非共振外差方法实现了基于里德堡原子的低频射频电场精密探测，相关成果以“Highly sensitive measurement of a MHz RF electric field with a Rydberg atom sensor”为题发表在国际应用物理期刊《Physical Review Applied》上。 　　里德堡原子由于其较大的电偶极矩和极化率等独特性质，在微波测量领域展现出巨大应用潜力。基于里德堡原子的量子传感器在测量精度﹑抗干扰性以及可朔源等方面有望超越传统微波接收系统，因此该研究方向受到广泛关注，例如：美国陆军研究室、桑迪亚国家实验室等开展了相关研究，并取得了重要进展[Physical Review Applied 13, 054034 (2020)，Physical Review Applied 15, 014047 (2021)]。尽管里德堡原子传感器在GHz高频微波频段探测取得了重要进展，但在MHz附近的低频波段却遇到困难，测量灵敏度较低，其主要原因在于低频电场与里德堡原子之间的耦合是一种弱的非共振相互作用，受限于光谱测量分辨率，人们难以测量微弱微波电场造成的扰动，这就限制了里德堡原子微波测量向低频波段的扩展。 　　在本工作中，研究团队基于AC Stark效应和非共振外差技术，通过引入一个本地振荡电场来放大系统对微弱信号电场的响应，最后通过测量探测光的电磁诱导透明光谱得到信号电场的强度。研究团队实现了对30-MHz微波电场(波长近10米)的高灵敏度测量，最小电场强度为37.3µV/cm，灵敏度为−65 dBm/Hz，动态范围超过65 dB。此外，研究团队还演示了1 kHz振幅调制(AM)信号的传输和接收：通过对探测光束信号进行解调，并分别方波和正弦波调制下提取初始调制信息，保真度均达到98%。图1 (a)里德堡态激发 (b)传感器示意图图2 (a)系统灵敏度 (b)和(c)AM解调信号演示 这项工作提高了MHz电场的原子传感器灵敏度，有助于原子电场传感技术的发展。该工作对里德堡原子传感器的在其他领域的应用，如远程通信、超视距雷达和射频识别(RFID)也有参考价值。 　　中科院量子信息重点实验室硕士研究生刘邦为本文的第一作者，丁冬生教授、史保森教授为本文的共同通讯作者。该成果得到了科技部、基金委、中科院、安徽省重大科技专项以及中国科学技术大学的资助。

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美研制出廉价石墨烯海绵传感器 灵敏度是现有最好设备的10倍 　　据美国《大众科学》网站近日报道，美国伦斯勒理工学院的科学家最新研制出了一款纤巧、便宜且能重复使用的新式传感器，其由石墨烯泡沫制成，性能远超现在市面上的商用气体传感器，而且，在不远的未来，科学家们能在此基础上研制出更优异的炸弹探测器和环境传感器。 　　新传感器摒弃了阻止传感器应用和发展的诸多限制。最近几年，在操作纳米结构并用其制造性能卓越的探测器以精确追踪空气中的化学物质方面，科学家们已经取得了重大的进步，然而，他们研制出的各式各样的传感器，尽管从理论上而言很好，但却并不实用。 　　目前传感器的设计都非常复杂，常常依赖单个纳米结构，而且，科学家们需要对这样的结构进行仔细操作以及更加精确的分析。另外，制造出的传感器往往不能重复使用，且必须在特定的温度或压力下才能工作，因此，科学家们一直没有制造出一款可靠、便宜且可以重复使用的手持传感设备。 　　现在，伦斯勒理工学院的科学家们使用石墨烯泡沫研制出了这种邮票大小的新型传感器。他们将石墨烯，即单层碳原子，种植在泡沫镍结构上，随后移除泡沫镍，留下一个类似泡沫的石墨烯结构，其具有独特的电性，能够用于执行传感任务。 　　当将其暴露于空气中时，空气中的粒子会被吸收到泡沫表面，而且每个这样的粒子会用不同的方式影响石墨烯泡沫，对其电阻进行微小的改动。让电流通过其中并且测量电阻的变化，就能知道泡沫上依附的是什么粒子。科学家们让大约100毫安的电流通过该泡沫，结果发现，这种石墨烯泡沫能够导致粒子解吸，也就是说，粒子自动从传感器上剥落下来，清除这些粒子，传感器就可以重复使用了。 　　科学家们对传感器进行了微调，让其来探测氨水(自制爆炸物硝酸氨的关键成分)，该石墨烯泡沫传感器在5分钟到10分钟内就设法探测到了这种富有攻击性的粒子，而且效率是现有市面上最好探测器的10倍。科学家们接着用其来探测有毒气体二氧化氮(爆炸物分解的时候也会释放出这种气体)，结果表明，其效率也是目前商用传感器的10倍。 　　石墨烯泡沫非常容易处理且操作简单，而且在室温下也能很好地工作，这都是科学家们非常心仪的特质，该石墨烯泡沫传感器可让科学家们更快制造出更便宜实用的手持传感设备来对大气进行探测。

一个国际联合研究小组近日宣布，通过在石墨烯中加入硼原子的方式，他们开发出一种灵敏度极高的气体传感器。该装置能“嗅”出空气中浓度极低的有害气体，在人们还未察觉时发出警报。该研究还有助于改善锂离子电池和场效应晶体管的性能。　　用石墨烯制成的气体传感器已具有很高灵敏度，但科学家们并不想止步于此，希望通过在石墨烯中掺入其他元素的方式让其性能得到进一步提升。　　美国宾夕法尼亚州立大学物理学、化学和材料学教授莫里西欧特伦斯经过不断更换掺入元素，成功合成了1厘米见方的高品质掺硼石墨烯片。为防止硼化合物暴露在空气后快速分解，他们研制中用到了类似起泡器的化学气相沉积系统。　　核心部件制成后，被送往本田研究院的美国公司进行组装。2010年诺贝尔物理学奖获得者、英国曼彻斯特大学科学家康斯坦丁诺沃肖洛夫的实验室负责研究传感器的传输机制。此外，比利时、日本和中国的科学家也促成了这项研究。　　测试显示，新的气体传感器能够探测到浓度极低的有害气体分子，如空气中含量为十亿分之一的氮氧化合物和百万分之一的氨气，灵敏度比单纯用石墨烯制成的气体传感器要分别高出27倍和1000倍。　　负责此项研究的本田研究所首席科学家阿维迪克哈瑞泰元认为，新方法开辟了一条制造超高灵敏度气体传感器的新途径。该技术未来极有可能突破1000的五次方分之一检出限，在灵敏度上，比目前最先进的气体传感器高6个数量级。　　未来这种传感器有望在科学实验和工业中获得广泛的应用，无论是有毒有害气体、超标排放的汽车尾气，还是大气污染中的氮氧化合物都会在它面前一一显出原形。研究人员称，除检测有毒和易燃气体外，这种掺硼的石墨烯理论上还能帮助改建锂离子电池和场效应晶体管。　　相关论文发表在11月2日出版的《美国国家科学院院刊》。 来源：科技日报

小分子作为分子量小于 1000 道尔顿的化合物，在生命活动中发挥着重要的作用。对小分子进行检测和分析，无论是在生物医学领域，还是在疾病的早期诊断中，都是非常必要的。目前，市场上已出现不少小分子检测方法，包括光谱学、电化学等技术，但它们也同时存在着各种缺点，比如操作复杂、通量小、设备昂贵等。与上述传统的检测技术相比，场效应晶体管（field-effect transistors，FET）这种传感器平台则具有诸多优点，如灵敏度高、响应速度快、即时检测等。在该平台中，石墨烯作为导电通道，当其与小分子相互作用时，和电荷转移相关的化学掺杂效应会改变它的电势，导致石墨烯 FET 通道的电导发生实时变化。其中，必须说明的是，小分子的电荷量或分析物的氧化还原性，对化学门控调制起着决定性作用。也就是说，这种晶体管传感器，更适用于检测那些带电量较多的分子，而无法很好地检测那些电荷很少、且氧化还原性能较弱的小分子。复旦大学魏大程研究员带领的课题组，以新型场效应晶体管材料的研发为研究重点（课题组主页：www.weigroupfudan.com）。近期，该课题组发现了一种光化学门控效应，可以通过引入额外的光门控调制，来提高小分子的检测灵敏度。基于此，他们在石墨烯 FET 通道上，生长了具有良好光敏性的共价有机框架材料，能够吸收大量的光能量，并产生丰富的光电子，进而放大对化学信号的电流响应。图丨团队合照（来源：魏大程）接着，该团队采用光门控和化学门控协同的策略，开发了一款光增强化学晶体管传感器，实现对不同小分子，包括中性分子在内的高灵敏检测。利用该器件，他们成功检测到由细胞产生的、浓度低于 10−19M 的二羰基代谢物甲基乙二醛（methylglyoxal，MGO），至少比现有的技术低 5 个数量级。需要说明的是，MGO 是糖尿病、心血管病等疾病的重要参与分子，此前传统的小分子检测方法，很少能够实现对浓度低于 10−9M 的 MGO 的检测。在检测 MGO 的基础上，该器件还可以通过在共价有机框架材料上设计活性位点的方式，实现对其他具有不同电荷性质的小分子的检测。并且，对共价有机框架材料的分子结构进行调整，还能满足对其他疾病标志物的检测，比如蛋白质、离子、核酸等。图丨光增强化学晶体管（来源：Journal of the American Chemical Society）据魏大程介绍，该研究开始于 2018 年左右，整个过程持续了两到三年时间。“我们先是发现了一些光增强的电学响应信号现象，但并不清楚其中的机理，后来做了很多对比实验，同时也进行反复的讨论分析，才明白其实际上是光栅效应和化学效应的协同作用导致的。”他说。同时，他也表示：“我们利用光增强技术的好处是，能够对信号放大，使晶体管传感器发展成一个通用平台，既可以检测带电量较高的小分子，也可以检测带电量较低的小分子。”图丨光增强化学晶体管（来源：Journal of the American Chemical Society）2023 年 4 月 25 日，相关论文以《用于小分子超灵敏检测的光增强化学晶体管平台》（Photo-Enhanced Chemo-Transistor Platform for Ultrasensitive Assay of Small Molecules）为题在 Journal of the American Chemical Society 上发表[1]。图丨相关论文（来源：Journal of the American Chemical Society）复旦大学硕士研究生王乾坤、艾昭琳为该论文的共同第一作者，复旦大学魏大程研究员为论文的通讯作者。整体来看，该研究拓宽了晶体传感器平台的应用范围，具有快速、易于操作、高灵敏等优点的传感器件，有望在生物医学研究、健康监测和疾病诊断中实现应用。魏大程表示：“我们实验室主要想将晶体管传感器与医疗相结合，开展一些生化检测方面的研究。不过，实现小分子检测只是研究的一部分，这里面还有许多科学问题和技术问题有待解决。比如，我们想实现对癌症的检测。虽然这方面也已经有了很多相关技术，但在进一步提高检测的准确性上还有研究的空间，所以接下来我们也计划朝着这个方向进行探索。”此外，生化传感领域，尤其是晶体管传感技术，目前尚处于实验室阶段，现在，临床上还没有在大规模使用的产品。该团队也正在和相关企业进行交流，希望能够基于所开发的技术，打造一些具有较强实用性的产品，推动产业领域的应用。

天津大学精密仪器与光电子技术学院教授李恩邦研究发现一种新技术构成的光纤应变传感器，具有灵敏度高且对温度变化不敏感等特点。 　　光纤应变传感器是世界上应用广泛的传感器类型，具有许多电传感器不可比拟的优点，对于保障大型设施安全、防止恶性和灾难性事故发生具有非常重要的意义。 　　李恩邦的研究成果已发表在《应用物理快报》上，英国物理学会官方网站optics.org和美国《激光世界》杂志也对此进行了报道。

据美国媒体报道，美国密歇根大学研究人员正在开发一种便携式可调节的二维微型气体（气相）色谱仪，能识别并检测化学气体成分，更加灵敏智能，可用于探测爆炸物、化学武器挥发气体，还能通过病人的呼吸诊断病情，侦查矿井是否安全等。仪器也非常节能，对矿井作业和偏僻地区医疗室具有很大优势。相关论文近日发表在《分析化学》杂志上。 该校生物医学工程系教授范旭东(音译)解释说，挥发气体中的各种成分就像一团团微小的云重叠在一起，检测之前要把它们分开，而在挥发性混合气体中，要识别各种成分非常困难。目前大部分传感器是让混合气体依次通过两个试管（仪器信息网注：这里可能是指色谱微柱），第一个试管内涂有一层聚合物，会减缓较重分子速度，大致把各种气体按重量分开。 研究人员正在开发的传感器在分离各种化学成分方面更有效。让气体先通过第一个试管获得初步线索，然后用一个泵和压缩机从第一个试管中收集气体，间隔规律地送入第二个试管中，进行第二道检测。第二个试管内涂有一层极化聚合物，一端带正电另一端带负电，会减慢那些被极化了的气体分子的速度，未极化的分子能以更快速度通过。根据这些信息，研究人员就能识别出气体中的化学成分。再给这套系统加上一个决策装置并连接计算机，通过计算机能看到各种化学成分逐步分离的整个过程。 在决策装置引导下，一小团云完全通过后，压缩机才能再次运作，这种方法能让同一种分子聚集在一起，分析数据更容易。第二道检测过程还可以增加一个轮换试管，让气体更快通过，此时决策装置还充当&ldquo 接线员&rdquo ，当一个试管正&ldquo 忙&rdquo 时就把气体送入另一个试管。这样气体从第一个试管出来进入二道检测试管时就不会停顿。 二道检测试管还可以专门定做，用不同涂层做成各种长度的试管来分离特殊气体，比如一种专用分子&ldquo 热线&rdquo ，可以探测某些特殊分子。范旭东说：&ldquo 如果怀疑某地有化学武器泄露，我们就送一批这种专用分子&lsquo 热线&rsquo 过去，能极灵敏地识别出这些成分。&rdquo 目前，研究小组已经证明了新装置能在两个检测试管之间分配气体，智能传感器能识别包含20种不同成分的化学气体，以及植物释放的混合物成分。 无论是探查爆炸物、化学武器，还是监测矿井安全，对于化学气体检测仪器而言，最重要的一条就是灵敏度。如果不能迅速准确地检查出目标物，即使是再尖端的技术也可以说意义不大。本文介绍的这套仪器一方面能使不同分子尽可能分开并分别聚集，另一方面通过轮换试管和定做试管的方式使检测过程更加高效和具有针对性，这些都是强化灵敏度的关键因素。与此同时，这种仪器似乎并不复杂，也大大提高了它作为实用技术进行推广的可能性。

滨松微型光谱仪FT系列 C13053MA滨松新型微型光谱仪FT（扁平型）系列为封装在小且薄盒子的多色仪，其内部集成了光学元件、图像传感器以及驱动电路。使用时可通过光纤将测量光导入光谱仪，后通过USB接口传输测量结果。而该光谱仪也不需要任何外部电源，可直接通过USB总线供电。产品外形（80*60*12 mm）该产品使用了石英透射光栅，因此具备高通量的优点，而内部没有运动部件，则保证了测量能够连续稳定地进行。另外，值得注意的是，FT系列内置了高灵敏度的CMOS图像传感器，其灵敏程度与CCD保持了相同的水平，且同时具有电源功耗低的优点。微型光谱仪FT系列连接示例该产品的光谱响应范围在500到1000nm，可应用于食品酸甜度分析、塑料分类以及膜厚测量等。另外，其还具有可用于短时间积分的触发功能，亦可胜任对脉冲发射的光谱测量。在软件方面，滨松除了拥有免费软件能够进行测量条件、获取保存数据、画图等等的设置以外，DLL函数规格也是完全公开的，因此用户可以创建自己原始的测量软件程序。点击按钮，查看产品详细信息：欢迎关注滨松中国官方微信号

灵敏度高、线性传感范围宽的柔性压力传感器在机器人触觉、健康监测、可穿戴设备领域具有重要应用。构筑微结构可以提高传感器的灵敏度，但由于软材料在压力作用下的结构硬化问题使传感器的响应逐渐饱和，导致器件呈现较窄的传感范围和显著的非线性响应。针对这一问题，来自南方科技大学的郭传飞教授团队设计了由微穹顶阵列与带有次级微柱的微穹顶（分级微穹顶）阵列而形成的一种分级互锁结构，有效提升界面结构的可压缩性，显著降低结构硬化，实现柔性压力传感器的高灵敏度（49.1 kPa-1）、线性响应（相关系数R20.995）和宽传感范围的统一（~485 kPa）。传感器的响应/恢复时间小于5 ms，可以检测频率高达200 Hz的振动刺激，显示出良好的动态响应特性。将传感器用于机械手的抓取任务中，结合机器学习，帮助机械手识别被抓取物体的重量，提升机器人触觉感知能力。相关工作以“Graded Interlocks for Iontronic Pressure Sensors with High Sensitivity and High Linearity over a Broad Range”为题发表于国际期刊《ACS Nano》。 该研究使用面投影微立体光刻技术（nanoArch S130，摩方精密）打印具有微穹顶结构以及分级微穹顶结构的树脂作为模具，进一步地，通过模板法获得具有微穹顶结构的环氧树脂/Au电极及离子膜。打印模具尺寸：9 mm×9 mm×1.5 mm，单个微穹顶尺寸（电极模具）：宽290 μm，高480 μm；次级微柱尺寸（离子膜模具）：直径28 μm，高70 μm。每层打印精度设置为5 μm，以实现分级互锁结构的高精度、定制化打印。 这项工作为制造具有高灵敏度、高线性度和宽压力响应范围的柔性压力传感器提供了一种策略，在未来的触觉器件中具有广阔的应用前景。 图1. 分级互锁结构的可压缩性及器件传感原理 分级互锁结构由微穹顶结构与带有次级微柱的微穹顶结构组成。微柱在分级互锁结构中具有重要作用。一方面，它提高了结构的可压缩性，减少结构硬化，使应力分布更均匀，有助于实现线性形变；另一方面，微柱结构的引入减小了电极与离子膜之间的起始接触面积，可有效提高了器件的灵敏度（图1）。 图2. 分级互锁型柔性压力传感器的制备该研究使用面投影微立体光刻技术打印具有微穹顶结构以及分级微穹顶结构的树脂作为模具。进一步地，通过模板法获得具有微穹顶结构的环氧树脂/Au电极及离子膜，并与平面电极PET/Au组合、封装，获得分级互锁型器件（图2）。 图3. 分级互锁型柔性压力传感器的传感性能分级互锁结构的设计实现了器件的高灵敏度、高线性度及宽传感范围的统一，同时提升了器件的响应速度，实现对高频振动刺激的精准检测，呈现出良好的动态响应特性（图3）。 图4. 分级互锁型柔性压力传感器的线性传感特性 将该传感器用于开发线性响应的电子天平，并用于测量几种未知物体的重量，其输出结果与商业电子天平的称量结果几乎一致，表明了自制电子天平对质量的测量比较准确、可靠，而且无需额外的非线性校准，大大简化数据处理过程（图4）。 图5. 基于机器学习的抓取任务感知与重量识别 柔性压力传感器的一个重要应用是为机器人带来触觉感知能力，使机器人能够像人类一样与外界互动。将分级互锁型传感器集成在气动抓手表面，实现机械手在抓取物体时的触觉感知；结合机器学习，帮助机械手识别物体的重量（图5）。原文链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.1c10535作者：白宁宁

2020年12月底，比利时IMEC（Interuniversity Microelectronics Centre,微电子研究中心）推出全世界最小的基于鳍式场效应晶体管（FinFET）的生物传感器（BioFET），尺寸仅为13纳米鳍宽和50纳米栅极长，并成功在其300毫米洁净室实现生产。目前该传感器可检测的极限为几十个DNA分子，最终目标是能够实现单个DNA分子的高精度检测。由于场效应晶体管（FET）的高集成度和低成本优势，其在DNA、蛋白质和病毒检测等生物传感应用中具有很大的应用潜力。该技术的基本原理是当生物分子与化学修饰的栅极电介质表面结合时，其阈值电压会发生变化，从而产生可测量的信号。此次IMEC通过先进的CMOS FET器件，即三维栅FinFET，成功提高了生物传感器灵敏度。基于实验和模拟，IMEC预测70纳米以下的FinFET可以实现信噪比（SNR）大于5的单分子检测。IMEC首席健康技术官Peter Peumans表示这项技术可能改变微观生命观测领域的游戏规则。

据美国科学促进会网站5月2日(北京时间)报道，美国密歇根大学研究人员正在开发一种便携式可调节的二维微型气体色谱仪，能识别并检测化学气体成分，更加灵敏智能，可用于探测爆炸物、化学武器挥发气体，还能通过病人的呼吸诊断病情，侦查矿井是否安全等。仪器也非常节能，对矿井作业和偏僻地区医疗室具有很大优势。相关论文近日发表在《分析化学》杂志上。 　　该校生物医学工程系教授范旭东(音译)解释说，挥发气体中的各种成分就像一团团微小的云重叠在一起，检测之前要把它们分开，而在挥发性混合气体中，要识别各种成分非常困难。目前大部分传感器是让混合气体依次通过两个试管，第一个试管内涂有一层聚合物，会减缓较重分子速度，大致把各种气体按重量分开。 　　研究人员正在开发的传感器在分离各种化学成分方面更有效。让气体先通过第一个试管获得初步线索，然后用一个泵和压缩机从第一个试管中收集气体，间隔规律地送入第二个试管中，进行第二道检测。第二个试管内涂有一层极化聚合物，一端带正电另一端带负电，会减慢那些被极化了的气体分子的速度，未极化的分子能以更快速度通过。根据这些信息，研究人员就能识别出气体中的化学成分。再给这套系统加上一个决策装置并连接计算机，通过计算机能看到各种化学成分逐步分离的整个过程。 　　在决策装置引导下，一小团云完全通过后，压缩机才能再次运作，这种方法能让同一种分子聚集在一起，分析数据更容易。第二道检测过程还可以增加一个轮换试管，让气体更快通过，此时决策装置还充当“接线员”，当一个试管正“忙”时就把气体送入另一个试管。这样气体从第一个试管出来进入二道检测试管时就不会停顿。 　　二道检测试管还可以专门定做，用不同涂层做成各种长度的试管来分离特殊气体，比如一种专用分子“热线”，可以探测某些特殊分子。范旭东说：“如果怀疑某地有化学武器泄露，我们就送一批这种专用分子‘热线’过去，能极灵敏地识别出这些成分。” 　　目前，研究小组已经证明了新装置能在两个检测试管之间分配气体，智能传感器能识别包含20种不同成分的化学气体，以及植物释放的混合物成分。

眼泪是由泪腺分泌的，其在全身循环并接触到身体的各个器官和组织。眼泪含有蛋白质、多肽、脂质、代谢物和电解质，可以作为多种疾病的生物标志物，不仅包括眼部疾病（例如干眼综合症、角膜炎、夜盲症、急性结膜炎等），还包括系统性疾病（例如癌症、糖尿病、帕金森病、阿尔茨海默病、囊性纤维化和多发性硬化症等）。此外，与血液检测相比，泪液分析更加方便、无创，且患者耐受性好。因此，泪液分析已成为临床监测健康的常规检查。然而，现有的泪液分析方法面临着三大障碍：1）泪液中目标分子的浓度极低（通常在皮摩尔水平）；2）可收集的泪液量很小（仅微升水平）；3）同时检测多种生物标志物有困难。这些挑战不可避免地导致了不准确的诊断。此外，基于质谱和或免疫分析的方法通常需要大型分析实验室设备，这使得POCT即时检测变得困难。近日，复旦大学附属眼耳鼻喉科医院洪佳旭主任医师与苏州大学功能纳米与软物质研究院王后禹教授、何耀教授合作，在 Advanced Materials 期刊发表了题为：Framework Nucleic Acids Combined with 3D Hybridization Chain Reaction Amplifiers for Monitoring Multiple Human Tear Cytokines 的研究论文。该研究开发了一种无线便携式泪液分析传感器，仅需3mL泪液即可灵敏检测泪液中的干眼综合症（DES）相关的四种细胞因子（IFN-γ、IL-6、TNF-α、MMP-9），检出限低至0.1 pg/mL。该研究为开发个性化、准确诊断多种眼病的泪液传感器奠定了基础。在这项研究中，研究团队开发了一种无线便携式泪液分析传感器，可以对泪液中的四种细胞因子——干扰素-γ（IFN-γ）、白细胞介素-6（IL-6）、肿瘤坏死因子-α（TNF-α）和基质金属蛋白酶-9（MMP-9）进行灵敏的定量分析。这四种泪液细胞因子与干眼症（DES）密切相关。该传感器的检测策略基于DNA四面体框架（DTF）与三维杂交链反应（3D-HCR）放大器的偶联。最近，框架核酸使制造用于癌症诊断、药物递送、生物计算和智能治疗的多维有序纳米结构成为可能。此外，杂交链反应（HCR）提供了在各种环境中对分子信号进行多重、等温、无酶放大的解决方案，因此已被用于生物检测、原位成像和DNA纳米结构的构建。然而，其在泪液分析中的应用仍存在空白。在这项新研究中，研究团队利用DNA四面体框架（DTF）有效地捕获了具有可控多分支臂的3D-HCR产物。3D-HCR产物的组装由特定细胞因子触发，传统的1D-HCR具有不可控多分支臂，表现出相对较低的扩增效率，而3D-HCR产物显示出11.0倍的电化学信号增强。3D-HCR器件能够以100pg/mL、1pg/mL、1pg/mL和0.1pg/mL的检测限对MMP-9、IFN-γ、IL-6和TNF-α进行灵敏检测，且仅需3mL眼泪。研究团队使用所开发的传感器和商业ELISA试剂盒对临床干眼症（DES）样本进行的双盲测试显示，两者之间没有显著差异。与单一生物标志物诊断相比，基于多种生物标志物的这种传感器的诊断准确性提高了约16%。总的来说，该研究所开发的系统为泪液传感器提供了潜力，促进了各种眼病的创新诊断方法的开发，有望实现对各种眼病的个性化和准确诊断。长期以来，洪佳旭主任和何耀教授团队围绕角膜病的关键临床问题展开攻关，相关药物和器械研发均已推进至临床研究阶段，建立了良好的“临床-科研-转化”协作范式。

科技日报讯 荷兰代尔夫特理工大学的科学家发现用石墨烯薄片制成的&ldquo 鼓面&rdquo ，能够在光的作用下发生振动，根据这一原理能够检测到非常微小的位置和力度的变化，未来有望据此用石墨烯制造出具备超高灵敏度的传感器设备和量子计算机内存芯片。相关论文发表在近日出版的《自然· 纳米技术》杂志上。 　　石墨烯以其独特的机械和电气性能闻名于世，而最近荷兰的科学家们发现，这种神奇材料还具有一种独特功能。由于单层石墨烯只有一个原子厚，质量极低，因此研究人员设想能否用其制造出一面能够感受到微小振动的&ldquo 鼓&rdquo 。这面鼓的鼓面由石墨烯制成，敲击它的鼓槌则是以微波频率发射的光。 　　领导这项研究的荷兰代尔夫特理工大学的维伯· 辛格博士和他的同事用石墨烯在一个光力学空腔中对这一设想进行了验证。他们发现，在光力学空腔中，他们能够通过观察光干涉现象产生的图案，检测出物体位置及其微小的变化，精度能够达到17飞米(原子直径的一万分之一)。 　　物理学家组织网近日报道称，实验中的光不仅有利于检测到鼓的位置，同时也能够向鼓面施加压力。来自光的推力非常非常小，但足以推动质量极小的用石墨烯制成的鼓面，让其发生位移。这意味着科学家们可以用光敲击石墨烯制成的鼓。根据这一原理有望制造出具备超高灵敏度的传感器设备。 　　此外，科学家也可以用它来制造内存，这些微波光子能够将光转化为机械振动，并将其存储长达10毫秒的时间。虽然对人类而言10毫秒极其短暂，但对目前的计算机芯片而言这已经不少了。辛格称，他们的一个远期目标是通过这种二维晶体鼓来研究量子运动。 　　辛格说，如果敲击一个普通的鼓，鼓面只会发生上下振动。而如果敲击的对象是一个量子鼓，将不仅能够通过敲击让鼓面发生振动，还能使其形成一种量子叠加状态：鼓面将同时既在上面也在下面。这种奇怪的量子运动不仅具有科学相关性，还能够在量子记忆芯片上获得应用。在一台量子计算机中，量子比特同时既可以是0也可以是1，因此其运算速度远远超过目前传统的计算机。石墨烯制成的量子鼓就具备这种能力，它能够在用与普通RAM芯片相同的方式来存储数据的同时，接收和存储量子计算机的量子计算结果。

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据美国物理学家组织网3月22日(北京时间)报道，美国科学家研制出一种超灵敏传感器，可使用其增强的拉曼散射来探测包括癌症信号、炸药等物质，其灵敏度比普通拉曼散射传感器增强了10亿倍。 　　拉曼散射是指光通过介质时由于入射光与分子运动相互作用而引起光的频率变化，1928年由印度物理学家钱德拉塞卡拉拉曼发现。在拉曼散射中，一束单色光照射到一个物体后，其反射光会包含另外两种频率的光，这两种光的频率仅与该物体的分子组成相关，这就潜在地提供了一种有效识别物质的方法。但由于这种额外的光太微弱，科学家几十年来很难将拉曼散射付诸于实践。 　　上世纪70年代，科学家研制出表面增强拉曼散射(SERS)技术，可以通过将所鉴别物质放在粗糙的金属表面或金、银小粒子之上来增强拉曼信号。但科学家随后发现，这种增强的拉曼信号仅出现在传感器表面的几个随机点上，很难预测其具体位置，仍然非常微弱。 　　而普林斯顿大学电子工程系教授斯蒂芬周领导的团队摒弃了以往设计和制造拉曼传感器的方法，研发出一种全新的SERS结构：一块芯片上布满一行行由金属和半导体组成的小柱子。 　　新传感器获胜的“秘密武器”就是这些小柱子的排列方式：每个柱子上部和底部各有一个由金属制成的中空部分 柱壁上布满直径约为20纳米的金属粒子(等离子体纳米点)，金属粒子之间有2纳米左右的空隙。金属粒子和空隙能显著增强拉曼信号 中空部分能捕捉光信号，让光多次而不是仅一次地通过等离子体纳米点，从而也能增强拉曼信号。迄今为止，该芯片的灵敏度比不经过拉曼增强而研制出的传感器高10亿倍，而且其灵敏度非常稳定，能可靠地应用于感应设备中。 　　除灵敏度大增之外，借助纳米压印技术和纳米粒子自组装技术，新芯片能实现高质量、规模化制造，研究人员已经在4英尺的晶片上制造出这些传感器。 　　美国海军研究实验室的科学家也在进行相关实验，希望军队也能使用该技术探测化学物质、生物试剂和炸药。

在最新一期的Nano Letters上(Nano Lett., 2011, 11 (9), pp 3974–3978, DOI:10.1021/nl202303y)，中科院上海微系统与信息技术研究所王跃林/李铁课题组与上海应用物理研究所樊春海课题组以快报形式报导了他们在超高灵敏硅纳米线DNA传感器方面的合作研究进展。 　　研究人员在传统半导体加工技术的基础上，利用硅材料自身的工艺选择性，基于自上而下方法发展了硅纳米线加工技术，并实现了纳米级尺寸的精确控制。硅纳米线不但宽度可以达到20纳米，而且其三角形截面具有更大的比表面积，有利于器件性能的提高，为批量制备高检测灵敏度的阵列FET生物传感器迈出了坚实的一步。 　　通过对硅纳米线进行硅烷化修饰、表面单分子膜层自组装以及单链DNA探针的固定，他们研制的DNA传感器成功实现了对低至1 fM 的DNA靶标分子的响应，这是目前已报导的最灵敏的基于硅纳米线FET的DNA传感器。 　　这种DNA传感器还可以实现对单碱基错配的分析和对多种病原DNA序列的同时检测。

氨气是一种有毒易挥发且具有强刺激性的工业气体，作为化学原料广泛应用于化学工业、食品加工和医疗领域。痕量氨气的检测对于环境和人体健康保护以及工业生产安全防范具有重要意义。现有氨气传感技术存在工作温度高、选择性差及响应速度慢等方面的不足，难以满足实际应用需求。中科院声学所超声学实验室王文研究团队与中科院空天技术研究院孙建海团队合作，将微纳声表面波器件技术与氧化石墨烯-氧化锡（GO-SnO2）纳米复合材料相结合，设计并制作了一种在室温条件下(25摄氏度)灵敏度达到ppb级的新型声表面波氨气传感器。该复合材料具有较大的表面积和较多的化学活性位点，大幅增加了氨气吸附效率，从而提高了传感器灵敏度与响应速度。研究人员利用氧化石墨烯-氧化锡纳米复合材料制备于声传播路径表面，构建出了小尺度声表面波氨气传感器。他们结合鉴相传感电路，对所研制的声表面波氨气传感器进行实验测试，结果表明相对于国内外已报道氨气传感器，该传感器实现了低检测限（40ppb）、高灵敏度（0.098 mV/ppb）以及快速的传感响应(16.4 s)，此外还具有良好选择性和重复性的特点，在痕量氨气的检测中具有很好的应用前景。相关研究成果在线发表于Top期刊Sensors and Actuator B-Chem.（IF：9.221）。本研究获得国家自然科学基金(No.11774381,No.62174163)、国家重点研发计划(No.2020YFB1506205)资助。图1 氧化石墨烯-氧化锡纳米复合材料的表征（图/中科院声学所）图2 声表面波氨气传感器及其响应特性（图/中科院声学所）

随着物联网的快速发展，开发高灵敏柔性化学阻敏型气体传感器对有毒有害气体的实时监测和安全预警具有重要研究意义。对于传统的硅基气体传感器而言，其高功函数金属叉指电极与半导体敏感材料之间能垒不匹配的问题限制了电荷有效传递及传感性能提升。该工作设计了Ti3C2TxMXene非金属电极（ME）和Ti3C2Tx/WS2气敏材料集成的全柔性纸基传感器，通过同质导电电极和敏感材料的创新设计有效解决能垒不匹配的难题。Ti3C2Tx/WS2纳米片敏感材料具有高导电性、快速电荷转移和丰富的活性位点等优势，与MXene同质导电电极在单一传感通道中形成欧姆接触和肖特基异质结，其异质结调节效应、功函数匹配设计和金属诱导间隙态（MIGS）抑制效应等能有效提升气体传感性能。实验结果表明，柔性纸基ME+Ti3C2Tx/WS2对1 ppm NO2的气体传感响应值（15.2%）是传统金叉指电极Au+Ti3C2Tx/WS2传感响应值（4.8%）的3.2倍，最低理论检测极限为11.0 ppb，同时具备出色的抗湿度稳定性。该工作为基于MXene同质导电电极和气体传感材料集成的全柔性气体传感器设计提供了一种新的思路。研究亮点1.采用激光雕刻辅助压印技术制备柔性纸基Ti3C2TxMXene低功函数非金属材料电极，降低传统高功函数金属电极和半导体电子亲和力之间的能量差，抑制金属诱导间隙态的形成，有效提高金-半界面处的载流子迁移速率。2.构建基于柔性纸基同质Ti3C2TxMXene电极（ME）集成Ti3C2Tx/WS2气敏材料的全柔性气体传感器，实现了室温下对NO2气体的高灵敏度和高选择性传感，其气体传感性能优于传统金叉指电极（AuE）集成的传感器。3. Ti3C2Tx/WS2异质结调节效应促进界面处的电荷载流子传输效率，协同增强了对NO2的吸附性能和传感响应值。调节肖特基势垒高度（SBH）、抑制金属诱导间隙态形成能有效避免费米能级钉扎效应，实现了电荷载流子的自由转移。

p style=" text-align: center " img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201704/insimg/18580eb5-c78e-4baa-a5ae-f6bc8e181e94.jpg" title=" 149034298047758_meitu_5.jpg" / /p p & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp 对界面上电荷传输信息的精准获取，是深入认识生命活动与光电能量转化过程的基础，可应用在超灵敏光电生物传感器的构建和敏化太阳能电池光电转化效率的提高等方面。 /p p 　　刚刚获得2016年度上海市自然科学一等奖的“功能化界面电荷传输过程中的电分析化学基础研究及其应用”项目，所研究的正是这一领域。 /p p 　　针对界面光电分析化学基础研究中存在的关键问题与挑战，华东理工大学龙亿涛、花建丽、应佚伦、马巍、武文俊等老师，经过10年的努力，取得了多项成果：在研制界面光电分析装置上，通过设计与制备结构可控的光电分子，聚焦功能化动态界面电荷传输过程，发展了高时空分辨的“电化学—纳米光谱”单纳米粒子动态界面传感新方法，应用于纳米粒子界面电荷传输的动态、原位、实时、高通量分析 提出纳米孔道电化学限域效应，建立纳米孔道单分子界面分析技术，实现了对多尺度界面单分子动态结构研究，为功能化复杂界面电荷传输新机制的研究提供了新方法。 /p p 　　据介绍，该获奖团队目前正在以筹建中的“国际合作联合实验室”和“界面光电分析化学基础研究”创新研究群体项目为依托，通过构建新型功能化动态界面，对单分子水平和单颗粒水平上的电荷传输机制进行探索。 /p p br/ /p

由悬浮石墨烯制成的纳米机械谐振器对压力变化表现出高灵敏度。然而，由于受空气阻尼的影响，这些设备在非真空环境中表现出明显的能量损失，以及由于石墨烯的轻微渗透，参考腔内不可避免地出现微弱的气体泄漏。2023年6月12日，北京航空航天大学李成副教授团队在ACS Appl. Mater. Interfaces期刊发表名为“High-Sensitivity Graphene MOEMS Resonant Pressure Sensor”的论文，研究提出了一种利用微电子机械系统技术的新型石墨烯谐振压力传感器，其特点是将多层石墨烯膜密封在真空中，并粘附在带有凹槽的压敏硅膜上。这种方法创新性地采用了间接敏感的方法，在大气中表现出60倍的能量损失，并解决了基底和石墨烯之间长期存在的气体渗透问题。值得注意的是，所提出的传感器表现出1.7Hz/Pa的高压力灵敏度，比硅的同类产品的灵敏度高5倍。此外，全光封装腔结构有助于实现6.9×10-5/Pa的高信噪比和低温度漂移（0.014%/℃）。所提出的方法为使用二维材料作为敏感膜的压力传感器的长期稳定性和能量损失抑制提供了一个很好的解决方案。MOEMS石墨烯谐振压力传感器其特点是通过阳极键合实现10-3Pa的真空封装，大大降低了压力差下基底和石墨烯之间高空气阻尼和气体渗透造成的能量损失。总的来说，所提出的传感器为提高信噪比和实现二维材料谐振传感器的可靠使用提供了一个有前途的解决方案。

项目研制的毒品爆炸物检测仪样机 　　近日，由中科院合肥物质科学研究院智能所承担的863计划新材料技术领域项目“基于一维纳米材料的电容-电导式高灵敏传感器研究及毒品/爆炸物快速检测”通过了国家科技部专家组的验收。 　　该项目以一维纳米材料的边缘场效应为理论依据，研究了单壁碳纳米管等一维纳米材料的可控生长及其对气体分子的吸附、极化特性等敏感作用机理，制备出了可用于毒品和爆炸物检测的高性能纳米传感器，并结合传感器阵列和智能识别技术研制出毒品/爆炸物检测仪原理样机。 　　项目共申请国家发明专利4项，发表SCI论文19篇，完成并部分超过了合同规定的各项指标，获得了验收专家的一致好评。

近期，中科院合肥物质院智能所吴正岩和张嘉团队设计出一种可检测铅离子(Pb2+)的便携式电化学传感器，实现了铅离子的精准和便捷检测。相关研究成果已被电化学分析领域权威期刊Journal of Electroanalytical Chemistry接收发表。 　　重金属离子对环境的污染被认为是全世界最严重的环境问题之一。铅离子作为一种高毒性的重金属离子，排放到环境中可造成较严重的污染，被动植物吸收后，通过食物链进入人体，会显著影响人体的健康，因此对铅离子的检测也受到越来越多的关注。然而，传统的检测方法具有样品预处理过程复杂、耗时长和仪器昂贵等缺点，研发特异性高、灵敏便捷、检测步骤简单的铅离子检测方法尤为迫切。 　　针对此类问题，课题组开发出基于钴掺杂的普鲁士蓝结合MXene材料的便携式电化学传感器。该传感器可以检测纳摩尔浓度的铅离子，同时也展现出较高的抗干扰能力，良好的稳定性，并在瓶装水、自来水和湖水等真实样品检测中均表现出出色的铅离子检测性能。 　　该研究工作得到国家自然科学基金和安徽省科技重大专项的资助与支持。传感器的制备及检测机理图

供稿：张昕编辑：小武老师、Jiang电化学传感器在工业生产及生活领域中的应用非常广泛，尤其在优化控制过程方面起到非常重要的作用。常见领域有汽车尾气检测、电厂工业废气监测、工业锅炉以及家用壁炉的优化控制等。近几年，使用复合材料（例如：贵金属+金属氧化物）电的混成电位电化学传感器成为研究重点。近期研究人员发现相较于均匀材料分布的电，采用非均匀材料制成的电展现出了佳的气敏性能和应用前景，但非均匀材料电过程以及气敏机理一直没有得到较为全面系统的论述。传感器 （图片来源于：https://www.lamtec.de/en）基于此背景，2017年德国卡尔斯鲁厄应用技术大学（KUAS）传感器与信息系统研究所做了新的尝试，采用层级结构的金+铂+氧化锆合成电，用于混成电位型气敏传感器，并对其电过程和气敏机理进行了深入研究和论证。卡尔斯鲁厄应用技术大学（KUAS）图片转自网络实验中采用辉光放电光谱仪和环境扫描电镜等表征手段，同时配合稳态（开路电位法）和动态（循环伏安法）电化学方法，发现该复合电材料可以提高气敏传感器的灵敏度。同时实验还揭示了这种新型层级结构电的非均匀材料分布特性，以及与电电化学性能之间的相互关联。本次实验采用GD-Profiler2辉光放电光谱仪超快速剖析了电中各元素随深度变化的情况。结果表明，电表面修饰的金层在高温烧结后不仅仅附着在电表面，还扩散到了电内部。结合开路电位法，研究人员还发现，采用厚膜工艺制备的铂+氧化锆电（微米级）在表面修饰纳米级别的金层后，其电化学催化性能发生了明显改变。修饰后的电在含有一氧化碳的气氛中呈现出混成电位特性。相较于修饰较薄金层的电，拥有较厚金层的电对一氧化碳的响应更灵敏，这是因为修饰的金层削弱了电对氧还原反应的催化性能。实验表明：修饰的金层越厚，氧还原反应被削弱的越明显。这一结果也得到了循环伏安法的验证。金+铂+氧化锆合成电横截面结构示意图该工作以《Mixed-potential gas sensor with layered Au,Pt-YSZ electrode: Investigating the sensing mechanism with steady state and dynamic electrochemical methods》为题，发表于Sensors and Actuators B：Chemical，原文作者为Xin Zhang/Heinz Kohler/Ulrich Guth。（扫描下方二维码可直达英文原文）扫一扫阅读英文原文如需了解该研究中的测试方法，可扫描如下二维码留言咨询，我们的应用专家将乐于为您提供解答服务。扫一扫咨询技术附：卡尔斯鲁厄应用技术大学（传感器与信息系统研究所）研究方向：基于半导体材料的化学气体传感器的研究，包括气敏机理，气敏纳米材料的合成制备，微单片阵列式传感器器件的结构与设计，以及该型传感器在生活及工业过程中的应用 基于氧化锆的全固态电化学传感器及其在烟道废气检测中的应用 化学催化放热式气敏传感器研究，包括器件设计、催化涂层材料制备及其在可燃气体检测中的应用。KUAS传感器与信息系统研究所图片转自网络HORIBA科学仪器事业部结合旗下具有近 200 年发展历史的 Jobin Yvon 光学光谱技术，HORIBA Scientific 致力于为科研及工业用户提供先进的检测和分析工具及解决方案。如：光学光谱、分子光谱、元素分析、材料表征及表面分析等先进检测技术。今天HORIBA 的高品质科学仪器已经成为全球科研、各行业研发及质量控制的首选。

p 　　发展适合于现场快速检测海洋生物大分子及海洋细菌的生物传感器技术，对于及时快速地开展海洋环境监测和评价具有重要意义。目前，对生物大分子的检测，一般采用酶联免疫法、生物化学测试法、聚合酶链式反应法等技术 对全细胞的检测，则通常需要通过细胞培养实验来完成。然而，上述方法存在仪器复杂、设备昂贵、检测耗时长等缺点，仅适用于实验室分析。 /p p 　　在海洋环境中，贻贝可通过其足丝分泌贻贝粘蛋白，该蛋白具有优越的粘滞性和良好的生物相容性。近期，中国科学院烟台海岸带研究所研究员秦伟课题组利用聚多巴胺类仿贻贝粘蛋白材料，成功构建了表面分子印迹聚合物电位型传感器，实现了对蛋白质分子及细胞体的高灵敏、高选择、快速电化学检测。他们采用基于仿贻贝粘蛋白的表面分子印迹技术，在电位型传感器表面原位构建了生物分子选择性识别印迹层 利用表面分子印迹层与待测生物分子之间的高选择性识别作用，实现了样品中生物分子在传感器表面的高选择性分离与富集 利用聚离子作为指示离子，指示富集前后传感器膜界面的电位变化，从而实现了对蛋白质分子及细胞体的免标记电化学检测(如下图)。该方法有效解决了电化学生物传感器难以实现免标记分析的难题，有望应用于海洋病毒及海洋致病菌的现场快速检测中。 /p p 　　相关研究成果已于近日发表在化学期刊《德国应用化学》(Rongning Liang, Jiawang Ding, Shengshuai Gao, Wei Qin*. Mussel-Inspired Surface-Imprinted Sensors for Potentiometric Label-Free Detection of Biological Species. Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, doi: 10.1002/anie.201701892)。此外，秦伟课题组也于近期在该期刊发表了关于电化学生物传感研究的其它成果(Angew. Chem. Int. Ed., 2016, 55, 13033–13037)。 /p p style=" text-align: center " img width=" 600" height=" 495" title=" W020170526571669789953.jpg" style=" width: 600px height: 495px " src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201705/insimg/dfa6e65f-ceeb-4ed3-8f15-be9f33a61853.jpg" border=" 0" vspace=" 0" hspace=" 0" / & nbsp p /p p & nbsp 基于海洋贻贝粘蛋白的仿生电化学生物传感器检测原理 /p p /p p /p /p

石墨烯(Graphene)是由单层碳原子构成蜜蜂窝形式的二维纳米结构，具有大的比表面积和良好的载流子传导性能，预期在高灵敏、低功耗室温生物化学传感器方面将得到广泛应用。然而，由于传感物质与石墨烯之间的吸附、电荷转移和脱附等相互作用，器件的有效制作方法和性能优化等方面还有大量工作需要探索。 　　一氧化氮(NO)气体一方面是有害气体，另一方面却是重要的生物功能信息传递分子。及时监测呼出气体的NO浓度变化，可对哮喘等肺部疾病的发作提前预警。然而，目前NO呼吸气体测试仪器体积偏大、价格昂贵，而且大都集中在大型医疗机构，无法在更大范围内推广使用。 　　近期，中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所器件部刘立伟课题组李伟伟等与中科院物理所科研人员合作，在制作基于石墨烯的高灵敏一氧化氮气体传感器方面取得进展。研究人员以微纳加工图形化的石墨烯为电极，利用交流电泳技术制作金属纳米颗粒修饰还原的氧化石墨烯传感通道。气体分子的作用降低了石墨烯与金属颗粒之间Schottky势垒的厚度，实现了1 ppb(10亿分之一)至1 ppm(100万分之一)的高灵敏探测性能，对于低功耗、室温NO高灵敏呼吸和环境探测具有潜在应用价值。器件制作示意图和性能测试如图所示。 　　该项工作成果已经发表在ACS Nano(2011, 5 (9), pp 6955–6961)上。 　　该项研究得到了国家基金委、科技部、苏州市科技发展计划的资助，并得到苏州纳米所加工和测试平台的技术支持。 　　基于石墨烯的高灵敏传感器件结构和性能

近年来，分子互作仪市场涌现出很多新品牌、新产品参与市场竞争，技术多元化，“百花齐放”。目前国内外分子互作仪厂商已涌现近20余家，为帮助广大科研工作者了解前沿分子互作技术、增强业界相关人员之间的信息交流，同时也为用户提供更丰富的分子互作产品与技术解决方案，仪器信息网特别策划了《“百舸争流”，谁将成为下一代金标准？——分子互作技术与应用进展》专题。本期，我们特别邀请到布鲁克（北京）科技有限公司市场拓展经理李晨先生谈一谈布鲁克分子互作仪发展历程、创新技术以及他对未来市场的看法。仪器信息网：贵司在分子互作领域主推的仪器产品是什么？请您谈谈该产品的核心竞争力。李晨：在分子互作分析领域，布鲁克拥有一系列极具特色的表面等离子体共振仪（SPR）。在今年2月SLAS会议上，布鲁克隆重推出了一款革新性分子互作新品："Triceratops" SPR #64表面等离子体共振仪，它采用创新8通道流通池正交旋转式设计，不仅继承了先前产品特色优势，而且在灵活性和检测通量等方面实现了大幅提升。在生命科学、药物研发等研究领域，SPR技术凭借实时、非标记检测等优势已成为分子相互作用生物物理特性表征不可或缺的分析手段。然而，当前分子相互作用分析平台并非十全十美，尤其在实验灵活性和检测通量等方面仍存在一定限制，往往一个实验需要重复多次，严重影响了实验效率和项目进程。在与用户沟通交流时，他们经常提及希望能在一次实验中同时分析不同浓度的样品、使用不同种类的缓冲液、以及对多个不同靶标进行分析等，避免重复性操作。为解决上述难点与痛点，布鲁克在SPR产品设计中，特别针对灵活性和通量等方面进行了诸多技术革新。比如，借助于流体动力学隔离（ HI ）连续流微流控技术等技术，布鲁克SPR传感器的每一个检测点位都可以固定不同的靶标，并对不同样品进行独立分析，因此，在一次实验中可以实现如多候选药物对应多靶标的高通量筛选。另外，布鲁克SPR产品具有丰富灵活的检测点位（24-64个），帮助用户轻松应对不同应用的复杂实验设计，比如在一次实验中可以设置多个对照（如blank surface, capture molecule surface, active surface）、多个off-targets以及多个同工酶等。通过单针控制功能（INC），8个进样针既可独立操作，也可以协调运行，不但实现低通量和高通量分析的灵活转换，而且可以在一次实验中同时分析8种不同条件（浓度、pH等）的样品，仅需一次实验即可获得样品对于多靶标的完整动力学参数。此外，单针控制功能设计还能降低SPR芯片消耗，在单次分析中可以实现仅使用部分SPR芯片，从而增加SPR芯片的使用次数，帮助用户节省使用成本。仪器信息网：请介绍贵公司分子互作技术路线的发展历史。李晨：从2008年开始，布鲁克先后推出了一系列不同通量的SPR产品，比如SPR-2、SPR-4等。随后，布鲁克不断攻坚和研发高通量SPR产品，并于2020年先后推出了SPR-24 Pro和SPR-32 Pro两款产品，分别为24个检测点位和32个检测点位，每天可分析的分子间相互作用力高达8800个和13200个（扣除对照）。凭借出色的性能表现和优异的使用体验，该SPR Pro系列获得了广大科研工作者及制药企业用户的认可，包括罗氏、辉瑞、葛兰素史克、赛诺菲、苏黎世联邦理工学院、Max Planck研究所等众多国内外知名的研究所及药企，帮助用户取得了一系列突破性的成果。今年2月新推出的"Triceratops" SPR #64系统，将高灵敏度的检测与卓越的微流控性能相结合，通过创新8通道流通池正交旋转设计，实现对64个传感器检测点位的同时检测，进一步突破了以往SPR系统的瓶颈，每天可分析高达30000+个分子间相互作用力（扣除对照）。SPR #64具有出色的信噪比和宽泛的动态范围，既能够确保对小分子相互作用进行稳健的测量，又能确保在大分子、高密度靶标表面或RI缓冲液时进行准确的分析。目前SPR仪器的清洁程序是单独的操作，需要用户手动干预。布鲁克SPR #64通过其独特的双棱镜传感器自动完成这项任务，将样品分析和清洁维护双重任务合并在同一个耗材中，从而有效提高生产效率和易用性。布鲁克 SPR #64 表面等离子共振仪自SPR #64新品正式上市以来，陆续受到全球各地用户们好评，比如，美国犹他州盐湖城Biosensor Tools LLC公司总监David Myszka博士曾表示：“这款新型SPR #64仪器系统，提供了灵活性、灵敏度以及高通量的黄金组合，彻底改变了以往繁琐的耦合化学测试以及表面密度测定过程。得益于8个独立通道的设计，我们可以在单次实验中同步探索多种条件组合并找到最佳实验条件。想象一下，在SPR #64的帮助下，研究者只需进行一次实验就能得到精准且理想的实验数据，这样的体验无疑令任何科研工作者都倍感满意与欣喜。”德国莱比锡弗劳恩霍夫细胞治疗与免疫学研究所药物设计与靶标验证部门生物分析组组长Martin Kleinschmidt博士表示：“在与布鲁克公司的合作中，我测试了他们的新型表面等离子体共振仪SPR #64。我们成功地分析了针对于8个不同靶标的1000多个含抗体样本，在获得稳定数据结果的同时，较以往SPR系统大幅节省了分析时间。这款新的'Triceratops' SPR #64系统显著提升了分析通量。”仪器信息网：贵公司分子互作仪主要应用在哪些领域？ 李晨：布鲁克SPR拥有非常广阔的应用范围，比如药物筛选、结合分析（动力学和稳态）、特异性和选择性分析、热力学、蛋白质定量、作用模式研究、基于不同条件的结合作用（例如，基于不同pH 条件的结合）、表位表征（例如，表位分组）等。同时，布鲁克的高灵敏度SPR技术，能够分析低浓度样品及弱相互作用，支持从小分子到大分子等不同的分子类型，如小分子、寡核苷酸、大环化合物、多肽、蛋白质、脂质体和类病毒颗粒等。除了生命科学研究及药物研发等主要应用领域外，我们也在不断与不同领域的客户合作，探索SPR新的应用领域及方向。仪器信息网：您如何看待分子互作仪市场及发展前景？李晨：对于分子互作仪市场，我们看到近几年仪器在高通量、自动化、技术融合等方面不断发展，未来随着技术的不断创新，也将促使这一市场持续增长。布鲁克除了在SPR高通量及灵活性上不断创新以外，在实验室自动化、数智化，以及提升用户交互体验等方面也在不断创新。比如，SPR #64系统配备内置触摸屏，可实现即时访问与可视化操控，确保用户可直接与仪器进行快速交互。同时，该设备可通过其专属API实现直接控制，或使用可选的外部机械臂实现完全自动化操作。并且，SPR #64软件从数据采集到最终报告的每一个阶段，都实现了高性能、灵活性和易用性的整合，每个模块的设计均直观易懂，并针对重点应用领域，如SPR亲和力与动力学测定、热力学分析及表位表征等提供向导式流程指引。同时，得益于布鲁克丰富的产品线，我们可以将SPR与其它类型的仪器（如质谱等）进行整合，从而衍生出不同的工作流程，进一步丰富数据维度，并提升用户的工作效率。李晨 布鲁克（北京）科技有限公司质谱中国区市场拓展经理李晨，博士毕业于北京大学药学院。曾参与完成国家自然科学基金、国家十一五科技支撑计划、国家973、重大新药创制等多个项目。在多家著名跨国科学仪器公司历任应用经理、产品经理、垂直市场经理等职位，开发了包括制药、多组学、食品环境、临床法医等多领域的解决方案，推动前沿分析技术在各研究及应用市场的发展，并与客户合作完成多篇高水平文章及标准。现任布鲁克（北京）科技有限公司质谱中国区市场拓展经理。欢迎投稿！投稿文章将在《分子互作技术与应用进展》专题展示并在仪器信息网相关渠道推广。投稿邮箱：zhaoyw@instrument.com.cn，关于征稿内容要求也可邮件咨询或电话联系：13331136682（同微信）。

放线菌能生产种类繁多的次级代谢产物，而微生物发酵是人们获取这些天然产物的重要手段。对于某一目标产品，野生菌株的产量一般难以满足工业生产的要求，需要经过长期的菌株驯化以提升产量。小分子生物传感器与液滴微流控的组合已被证明是放线菌菌株改造和高通量筛选的有效手段。然而，在菌株驯化过程中，目标产物的产量往往是阶段上升的，而多数生物传感器仅能在一定的操作范围内响应目标化合物，难以支持从野生菌株到工业菌株多阶段的长期驯化。因此，在不同的菌株改造阶段，需要不同性能参数的生物传感器相适配以实现高通量筛选。近日，中国科学院天津工业生物技术研究所高通量编辑与筛选平台实验室研究员王猛带领的科研团队，通过对红霉素生物传感器的多轮迭代诱导和筛选，获得了一系列不同灵敏度和操作范围的生物传感器。通过表征实验，该团队证明了转录调控因子（TF）的表达水平与生物传感器灵敏性之间的关联，展示了调控TF蛋白表达水平是改变TF生物传感器性能参数的一种快速而便捷的方法。为了模拟工业菌株驯化过程，该团队从两株产量不同的红霉素生产菌株出发进行液滴共培养实验，证明了生物传感器性能参数与生产菌株产量范围的适配性是成功筛选的前提条件，并从两个不同初始产量红霉素生产菌株文库中筛选到产量提升6.8倍的突变株。基于基因组学的生物信息学分析使该团队在高产突变株中挖掘到多个有益位点，以指导未来的理性代谢工程改造。相关研究成果发表在ACS Synthetic Biology上。研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、合成生物学海河实验室重大攻关类项目、中国科学院青年创新促进会及天津市合成生物技术创新能力提升行动的支持。小分子生物传感器的改造和高通量筛选过程

近期，中科院合肥研究院智能所吴正岩和张嘉团队设计出一种高灵敏度的适配体传感器，可以实现对血液中凝血酶浓度的精准检测。相关研究成果已被分析化学领域权威期刊Biosensors & Bioelectronics接收发表。 传感器的制备及检测机理图 　　凝血酶是一种蛋白水解酶，能催化纤维蛋白原转化为纤维蛋白，促进血液凝固，与白血病、血栓性疾病、血管壁炎症、阿尔茨海默症等多种疾病密切相关。在正常情况下，血液中不存在凝血酶，在凝血过程中凝血酶由凝血酶原转化生成。因此，精准地检测低浓度凝血酶对于相关疾病的诊断和治疗以及药物疗效的评价具有重要意义。 　　针对此类问题，课题组开发出高灵敏度的适配体传感器，利用具有优异电子传输通道的Ti3C2Tx MXene多级孔结构框架作为传感材料，同时选择具有高的电催化效应的金属纳米探针作为信号放大器，构建出应用于血液中凝血酶精准检测的高灵敏度适配体传感器。该传感器可以检测皮摩尔浓度的凝血酶，同时也展现出优异的抗干扰性和稳定性。 　　该研究工作得到安徽省高校协同创新计划项目、安徽省科技重大专项的资助与支持。