生物传感

“随着智能制造、工业互联网、健康医疗产业的发展，作为其核心技术的生物传感器产业也随之迎来庞大的市场需求，山东省生物传感器重点实验室将加快产业化应用，抢夺市场先机。”山东省科学院副院长刘孟德在14日举行的生物传感器技术及产业发展论坛上表示。市场蛋糕巨大当日，国内生物传感器领域的专家齐聚济南，围绕临床检验、家庭医疗、环境监测、工业过程和生化反恐等诸多领域的生物传感器技术及相关产业，探讨以山东省生物传感器重点实验室和山东省生物传感器技术研究推广中心为载体，组建生物传感器工程技术中心，加速推动产业化发展。　　山东省科学院生物研究所所长、山东省生物传感器重点实验室主任史建国告诉记者，从20世纪80年代起，生物传感器在生物医学检验、疾病诊断与治疗、食品分析、环境监测、工业过程检测与控制、毒物检测及战争生化预警等领域得到广泛应用，并成为现代分析仪器的前沿科技领域和国际市场竞争的热点。“我国在生物传感器新原理、新方法和新结构方面已取得一系列国际先进或国际领先的科研成果，但研究成果向产业转化进程还比较缓慢。”中国科学院生物物理研究所研究员张先恩告诉记者，2010年全球生物传感器市场销售额突破了100亿美元，预计2020年将达到225亿美元。其中临床检验占44.9%，家庭诊断20.2%，环境监测14.3%，实验室10.7%，工业过程6.6%，生化反恐3.3%。但我国目前生物传感器产品的国际市场份额不超过10%。根据全球知名市场调研公司PMR发布的一份新报告，未来6年，全球生物传感器市场将经历快速增长，该市场2014市值为129亿美元，到2020年将达到225亿美元，复合年增长率为9.7%。由于医疗保险普及率的不断扩大、人口基数大以及卫生保健系统的不断升级，亚太地区将成为增长最快的地区。　　“当前慢性病及生活方式相关疾病发病率上升、不断增长的老龄人口、生物传感器在各行业的广泛应用、纳米技术在医疗保健领域的应用，推动了生物传感器市场的快速增长。”张先恩表示。推动产学研协同创新山东在生物传感器领域的技术和产业化已经走在了前面。据史建国透露，山东省科学院生物研究所意欲借助其工业生物传感器研究和产业化应用的科技平台，组建跨部门、跨行业、跨区域的生物传感器研发布局和协同创新体系。据了解，山东省科学院生物研究所是我国惟一实现生物传感器产业化应用的科研单位，已先后研制出葡萄糖、还原糖、乳酸等多种生化分析传感器，建立了生物传感器在工业环境下运行的实验方法、操作规程、配套试剂及培训服务体系，产品占国内市场95%以上(其余5%为进口产品)，在我国食品发酵、生物医药等科研及产业领域实现了广泛应用，突破了传统生产过程只依赖于物理和化学传感器的落后局面，打破了国外技术封锁，为我国生物工业的过程控制提供了先进的技术支撑。“以氨基酸发酵产业为例，全国年产量300多万吨，年总产值超过400亿元 生物传感器应用于氨基酸生物反应器的系统优化、葡萄糖流加控制、产物分离提取等过程，可提高产率10%-15%，年增经济效益达40亿元以上。按照整个工业生物技术产业应用情况计算，年增经济效益可达100亿元以上。”史建国说。　　据史建国透露，山东省科学院生物研究所将与中科院及相关企业合作，利用生物传感器研发布局和协同创新体系，开发新的酶分子元件，增加生物传感器检测指标，实现对多种代谢产物的检测 将生物传感器与物理、化学传感器融合，研发多传感器分析模块，建立工业生物过程的在线检测与自动控制系统 生物传感器与信息技术、物联网技术结合，构建新型的智能化工业生物过程控制与运行模式。　　“当前山东工业转型升级的焦点和瓶颈问题是缺乏关键的核心技术对传统产业进行产业升级，山东省科学院组建生物传感器研发布局和协同创新体系是有益的探索。”山东省经信委科技处处长封宗庆当日表示，我省将积极推动此类产学研协同创新。

仪器信息网讯 2015年6月17日，&ldquo 第四届中国食品与农产品质量安全检测技术国际论坛暨展览会&rdquo 在北京国家会议中心开幕。此次会议特别设置了&ldquo 食品与农产品中重金属元素和其他有害物质检测&rdquo 、&ldquo 食品与农产品安全微生物检测&rdquo 、&ldquo 饮用水安全检测&rdquo 等九个专题。大会第二天，来自中国科学院广州生物医药与健康研究院曾令文研究员在&ldquo 食品与农产品中重金属元素和其他有害物质检测&rdquo 专题中做了题为&ldquo 核酸生物传感器在重金属离子检测中的应用&rdquo 的报告。 专题现场 中国科学院广州生物医药与健康研究院 曾令文研究员 　　在报告中，曾令文首先介绍了重金属污染的危害、污染源和污染特点。他说，随着工农业生产的迅速发展，食品污染问题越来越严重，重金属是最主要的污染物质之一，会通过食物链的富集最终残留在人体内，对人体的组织器官构成了严重威胁。重金属污染源主要有工业污染、农业污染、生活污染和环境事故污染等。具有不可逆转性、生物积累性、难以降解、生物催化以后毒性会转变等特点。 　　同时曾令文提到，与其他国家相比，我国重金属污染相对比较严重。大气、土壤、水体都存在重金属污染的现象，污染一旦产生，面积会不断扩大。 　　其次，曾令文在报告中详细介绍了目前重金属的检测方法。据他介绍，传统重金属检测方法主要有光谱法、电化学法和基于显色螯合剂的方法等。光谱法主要包括原子吸收光谱法、原子发射光谱法、原子荧光光谱法和分光光度法等方法。光谱法和电化学法需要借助相关的仪器进行检测，具有灵敏度高、特异性好等优点。但是样品处理繁琐、检测成本和技术要求较高，不利于基层单位使用。而基于显色螯合剂的方法具有简便快速、成本低等优点，但是灵敏度不足、其他离子会干扰检测的特异性。 　　为了解决传统方法在检测重金属污染中面临的问题，在曾令文的带领下，课题组研制了两种新型生物传感器，基于核酸酶(DNAzyme)的传感器和基于荧光铜纳米颗粒的荧光传感器，并进行了大量实验验证方法的可行性和灵敏度。据他介绍，两种方法具有以下优点：简单、快速、检测成本较低 降低对仪器的依赖，肉眼即可观察结果 适合在基层实验室或野外使用等。 　　在介绍基于核酸酶(DNAzyme)的传感器在重金属检测中的应用时，曾令文说，该方法在检测重金属离子时主要有两种方法，试纸条法和荧光法。 　　试纸条法中主要制备了Pb2+和Cu2+特异性的DNAzyme检测试纸条，并进行相关实验进行检验。对于Pb2+来说，该方法检测限可以达到10pM，线性范围为10pM-100nM，特异性非常好，不受其他离子干扰，用湖水做回收率分析实验，结果可达88%-106%。对于Cu2+来说，该方法检测限可以达到10nM，特异性分析实验中，铜离子为0.3&mu M，其他离子为3&mu M。 　　荧光法中，主要制备了铜离子检测的荧光传感器和基于比色法检测铜离子的传感器，铜离子检测的荧光传感器的灵敏度可达12.8pM，线性范围是20pM-1&mu M，特异性分析实验中，铜离子为1&mu M，其他离子为10&mu M。基于比色法检测铜离子的传感器，灵敏度可达240nM，线性范围是0.4&mu M-100&mu M，特异性分析实验中，铜离子为10&mu M，其他离子为100&mu M。 　　在介绍基于荧光铜纳米颗粒的荧光传感器在重金属检测中的应用时，曾令文谈道，用该方法检测铅离子，灵敏度为5nM，线性范围为5-100nM，选择性分析实验中，铅离子为0.3&mu M，其他各离子为3&mu M。 　　最后，曾令文总结了基于核酸酶(DNAzyme)的传感器和基于荧光铜纳米颗粒的荧光传感器在进行重金属检测中的优点，并展望了两种方法在未来重金属检测中的应用前景。 　　编辑：张葳

日前，德国拜罗伊特大学和图宾根马克斯普朗克发育生物学研究所科学家开发出一种新型传感器，可以实时显示植物细胞中生长素的空间分布，并可快速检测环境变化对植物生长的影响。这种传感器为研究人员打开了观察植物内部运作的全新视角。相关研究成果发表在最近的《自然》杂志上。　　无论是种子的胚胎发育、根系生长，还是植物对阳光方向的反应，生长素都具有协调植物对外界刺激反应的功能。为了触发对外部刺激的反应，它必须存在于所需的细胞组织中。迄今为止，人们还无法在细胞分辨率上直接确定生长素的时空分布。　　此次，研究人员开发出一种新型基因编码的生物传感器，可将植物体内生长素的分布定量可视化。其特殊之处在于，它是一种植物经改造后可自己产生的人造蛋白质，而不必经由外部引入。他们利用这种传感器实时观察了细胞组织需要生长素的时空间分布动态过程。　　在开发这种生物传感器时，研究人员发现大肠杆菌中有一种蛋白质可与两种荧光蛋白偶联，并在这些配对蛋白非常接近时发生荧光共振能量转移(FRET)。这种蛋白可与氨基酸色氨酸结合，但与生长素的结合要差得多。他们希望通过基因改造，使其能更好地与生长素结合，并使其FRET效应只在蛋白质与生长素结合时发生。　　研究人员对植物进行了基因改造，使其在某种刺激下可在细胞组织中产生满足这些要求的蛋白质。于是，新型生物传感器诞生了：强烈的荧光信号表明了细胞组织中生长素的位置，提供了细胞内生长素分布的精确“快照”，且不会对生长素控制过程造成永久影响。　　“传感器的发展是一个漫长的过程，在这个过程中，我们已经获得了关于蛋白质如何被选择性地改变以结合特定小分子的基本见解。”拜罗伊特大学蛋白质设计学教授比尔特哈克说，“预计在未来几年，新的生物传感器将发现更多关于植物内部运作以及它们对外界刺激反应的新见解。”

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。

中科院上海光学精密机械研究所信息光学与光电技术实验室研制的光学生物传感器继成功应用于2008年北京奥运会等重大活动的安全保卫之后，近日又在上海世博会出入境检验检疫、环境空气有害物监测等方面得到应用，为世博安全运营提供了科技保障。 　　光学生物传感器是通过检测生物分子之间微观特异性反应所产生的光学信号来检测微量目标被检物的一种光学仪器，具有灵敏、特异、稳定及适合于现场快速检测等优点。上海光机所信息光学与光电技术实验室黄惠杰研究员课题组与军事医学科学院、中国检验检疫科学研究院等单位长期合作，研发的上转换发光生物传感器与定量金标免疫分析仪等先进的光学生物传感技术现已成功应用在生物安全、食品安全、临床诊断等多领域，并获得了用户的广泛好评。

近年来，我国的食品安全突发事件层出不穷。而这些食品安全问题大多源于食源性致病菌的污染和食品生产、加工过程中对农药、兽药、添加剂等的不科学使用，甚至是违用、滥用等违法、违规行为所致。要从根本上解决食品安全问题，就必须对食品的生产、加工、流通和销售等各环节实施全程管理和监控，食品安全快检技术也就随之应运而生。 “实验室检测方法和仪器很难及时、快速而全面的从各环节监控食品安全状况，而快速、方便、准确、灵敏是食品安全快检技术的最大优势。”中国检验检疫科学研究院首席科学家邹明强说。 以前，检测瘦肉精、三聚氰胺需要价值数百万元甚至上千万元的仪器设备，如今，一张价值几元的检测卡插在猪尿和牛奶中，几分钟就会显示结果。一个粉笔盒大小的试剂盒，可以精确地检测出食品中是否含有对人体有害的农兽药残留物及其含量̷̷这就是食品安全快检的“魔力”。 “以试剂盒、ELISA、PCR、纳米生物技术、生物传感技术、便携式分析仪器等为代表的快速检测、移动检测技术在中国食品安全保障体系中扮演着重要的角色。”邹明强认为，其中生物传感器技术具有快速、灵敏、特异、简便等特点，在食品检测领域具有广阔的应用前景。 近几年，在邹明强的带领下，中国检验检疫科学研究院研究团队针对禽流感、甲型H1N1流感和瘦肉精等重大公共卫生安全事件迫切的检测技术需求，基于微纳生物传感技术，以发展“既快又灵”的高效检测技术为目标，通过原理创新和技术发明，构建了服务于食品和公共卫生安全保障的检测方法系统。该项目荣获2014年度北京市科学技术奖一等奖。 中国检验检疫科学研究院研究团队正在进行项目研讨 小小快检用处大 据了解，食品质量安全检测方法有很多，包括现场检测方法，实验室定量检测方法，以及确认方法等。从实验室检测来看，快速检测方法其实是起到了有益的补充，这是由它自身的特点决定的。与传统仪器方法相比，快检技术快速、简单，可以测固体及液体样品。而且快速检测对配套的前处理设备要求不高，可以允许提取样品中杂质成分的存在，同时也就决定了其市场地位在筛选中的必须性，这样可以与高档的仪器进行互补，以快速检测方法进行初筛，再用仪器方法进行确证，从而构建效率和准确度均较高的检测体系。 快速检测的优势在于前端，直接性、时效性、现场感。快速检测的形式是与生产现场、时间要求相结合，而传统的实验室检测通常用时较长，例如将产品送到第三方检测中心进行检测，快则几日，慢则一两周，对于生产经营者来讲，时间成本的损耗是巨大的。这就需要企业自身在生产初期、源头位置对风险加以把控。产品质量安全需要依靠质量管理与前端风险排查、检测，这样才有可能在产品出厂前，最大程度保证其质量安全。 构建“既快又灵”的检测技术系统 据了解，现有快检技术，主要为胶体金免疫层析法和酶联免疫吸附法，虽然操作简便、成本低，但其灵敏度不够高。“如果强调灵敏准确，则难于实现便捷，存在‘灵而不快’问题，导致安全因子发现不及时；若兼顾快速、高通量，则不宜实现灵敏可靠，存在‘快而不灵’问题，导致误检和漏检，留下安全隐患。”邹明强说，“既灵敏又快速”的检测技术成为亟待攻克的技术难题。 生物传感器检测技术系以识别元件（酶、抗体/抗原、核酸、标记材料等）为特异性载体而转换为电、光、磁等信号实现检测，为解决上述问题提供了新兴的技术途径。 “针对我国食品和公共卫生安全检测的更高要求，亟待开展融合前沿微纳米技术的现代生物传感检测技术攻关，大幅度提升检测灵敏度、定量化、通量、多靶分型和同检等分析性能，实现既快又灵检测，提供高效、实用、便捷、可靠的快检解决方案，破解‘检不出’‘检不准’‘检不快’难题，为食品和公共卫生安全提供服务和技术支撑。”邹明强表示。 在邹明强的带领下，研发团队通过研究纳米金颗粒原位聚集效应，建立层析快检卡通用增敏技术，开发荧光胶乳定量试纸条及荧光检测仪，解决“快而不灵”的问题，实现高危病原“既快又准”检测。 项目团队提出了流式技术竞争式免疫分析新原理，发明了编码微球及荧光探针试剂制备技术，开发多种小分子同步检测方法，解决“灵而不快”的问题，实现多种农兽药高通量筛检，引入不确定度概念，保证检测结果客观、准确；阐明酶分子构象稳定机制，突破抗原决定簇类结构修饰难题，建立酶活性保护技术与类特异抗体制备技术，开发类检试剂盒（卡），解决农兽药类检稳定性及包容性难题，并开发共轭滤光定量检测器，实现层析快检卡数字判读；集成荧光探针、生物信号转导等，建立分子马达核酸分型传感检测技术，实现食源性病原菌多型同检。 “由此我们构建了‘既快又灵’的检测技术系统，成果应用实现标准化及产业化，为提升公共卫生安全应对能力提供检测技术支持。”邹明强说。 传统检测技术实现飞跃 “该项目综合利用多项微纳生物传感技术，建立了系列高灵敏高通量检测技术，在实现技术创新的同时也推动了相关技术的进步。”邹明强说。 首先，项目技术改善提升了传统检测技术水平，实现了传统检测技术的飞跃。胶体金免疫层析检测技术具有简便快速、成本低等优势，现场检测应用广泛，但灵敏度低与不能定量检测大大限制了它的应用范围。该项目建立了纳米金增敏技术，大幅度提高传统胶体金检测方法的灵敏度，在与禽流感国家标准检测方法的比对测试中，准确度一致，灵敏度相当，增敏技术使胶体金检测技术达到了定量PCR的水平，有效提高了疫病防控水平。 同时，项目研发团队用荧光标记取代了传统的金标记，实现了层析检测的定量检测，更加扩展了层析检测技术的应用范围，特别是通过目标物含量的多少来进行的检测。“这项技术使传统免疫层析技术实现了灵敏度大幅提升与定量测定。”邹明强说。 其次，该项目是多技术交叉融合，通过合力提升了技术水平。在流式荧光编码微球检测技术中，应用化学与材料技术合成了量子点等标记物，应用生物技术实现了目标物的准确捕获，在检测结果的判定中又引入了不确定度等统计学概念，使检测结果更加客观科学，几种技术集合在一起形成的是具有多种优点的检测技术。 最后，根据应用需求，建立了点面结合的检测技术。准确测定目标物是检测技术的终极目标，而测定类别也具有广泛的实际需求。然而，目前广泛使用的农残酶抑制法快筛法，因酶试剂难于在通常条件下保存和运输，制约了该法的应用可靠性。 “该项目发明了稳定贮藏酶试剂配方，有效保障了该方法的可靠性，提高了其应用价值，该方法一次可检测涵盖约300种高毒农药。”邹明强说。 据了解，该项目团队围绕快检仪器、试剂（卡、盒）及方法构建了较为完整的快检技术系统，获国际专利授权1项，国家发明专利授权15项，软件著作权1项，制定国标3项，医疗器械注册证6项，发表SCI论文35篇。项目禽流感层析传感增敏技术经第三方检测机构验证，与国标定量PCR法检测结果一致且灵敏度相当；参加全国甲型H1N1流感双盲双测筛选名列第一；鉴定意见认为项目整体技术达到国际先进水平。 “项目以需求为牵引，以应用为导向，利用微纳生物传感技术实现了检测技术的突破，既推动了检测技术的进步，也反馈促进了微纳生物传感技术的发展。”邹明强说。 项目成果开花结果 如今，项目成果已广泛用于甲型H1N1流感全国联防联控、国境检验检疫、国家残留监控计划、北京奥运和上海世博会食品安全保障，大力促进了我国应对公共卫生安全水平提升。 据了解，自2005年以来，项目团队基于项目微纳生物传感原理开发了系列快速检测技术及产品，并积极进行产品规模化生产，开拓产品市场，为科技成果转化树立了良好典范，陆续在我国出入境检验检疫、农业、工商、质监和卫生等200多个食品检测机构和1000多家企业得到广泛应用，出口至20多个国家或地区。 北京勤邦生物公司基于该项目核心技术开发的磺胺类十五合一试剂盒、磺胺类试纸条、喹诺酮类试剂盒、喹诺酮类试纸条、四环素类试剂盒、四环素类试纸条、β -内酰胺类+四环素类二联卡、呋喃西林代谢物试剂盒产品显著提高了检测性能，实现了多靶同检，大幅提升了企业自检自控能力，取得了良好的社会效益和经济效益。 据介绍，勤邦公司的部分产品性能指标优于国外产品，检测成本仅为同类产品的2/3，有效替代进口产品。检测集约化和多元化，检测效率高，检测成本低，节约了资金。相关快检产品被评为“中关村国家示范区新技术新产品”，并出口至印度、泰国、新加坡等10多个国家，近三年经济效益显著。 “如今，利用该项目成果的快检产品已广泛应用于全国各地蔬菜、水果农残检测。”邹明强介绍说，宁夏天然蜂产品公司应用项目成果进行产品自检自控，有效保障了其产品质量安全，“十里花”蜂产品畅销国际市场。“应用项目快检技术缩短检验周期，提高检测效率，保障了50多亿元销售额产品安全”。

“生物传感器的广泛开发与应用，主要归功于生物元件对于其敏感的分析物具有很强的特异性，不会识别其他分析物。利用生物传感器，可以快速、实时获得有关分析物准确可靠的信息。”袁吉锋说。合成生物学的发展推动了细胞生物传感器的开发。这种生物传感器以活细胞为生物元件，基于活细胞受体检测细胞内外的微环境状况和生理参数的变化，并通过两者之间的相互作用产生细胞信号转导，进一步激活不同的信号输出模块，从而产生不同的信号。袁吉锋介绍，从本质上讲，其他类型的生物传感器使用的是从生物中提取出的生物元件。而基于活细胞的细胞生物传感器是一种独特的生物传感器，它可以通过模拟细胞正常的生理生化变化来检测信号。目前，这种生物传感器已成为医疗诊断、环境分析、食品质量控制、化学制药工业和药物检测领域的新兴工具。“用于构建细胞生物传感器的生物元件包括细菌细胞、真菌细胞以及哺乳动物细胞。我们这次所构建的工程化酵母生物传感器，正是基于酿酒酵母细胞所构建的真菌细胞传感器。”袁吉锋说，酿酒酵母细胞用于生物传感器的构建，在细胞性能上具有优势。作为一种真核生物，酿酒酵母细胞与哺乳动物细胞的大多数细胞特征和分子机制一致，特别是与感知和响应环境刺激密切相关的GPCR信号通路具有极高的相似性；酿酒酵母是酵母物种中第一个基因组已完全测序的真核生物，并且遗传修饰工具非常完备；酿酒酵母的培养条件简易、培养成本低、生长速度快、温度耐受范围宽，可以通过冷冻或脱水等方式进行储存和运输，具有生物安全性。可进一步设计改造成检测试纸基于工程化酵母细胞构建生物传感器多年来一直是研究热点。袁吉锋团队此次通过人工转录因子，将GPCR信号通路与高效基因转录模块——半乳糖调控模块进行耦合，在酵母生物传感器中引入了一个额外的正反馈回路，以此来增强酵母生物传感器的灵敏度和信号输出强度。袁吉锋解释说：“我们相当于设计了一种正反馈放大器，让酿酒酵母细胞中GPCR在识别到白色念珠菌的信息素信号之后，不仅能通过人工转录因子激活下游信号报告模块的表达，同时还能驱动半乳糖调控模块自身的转录因子Gal4表达。两个转录因子协同作用，就能持续激活和放大报告基因的输出信号。”数据显示，相比于初始传感器的性能，改造后的酵母生物传感器的检测限提升了4000倍，激活浓度提升了9700倍，信号输出强度提升了近3倍，尤其是信号输出的持续时间得到了明显提升。初始传感器在检测使用2小时后就出现荧光信号的衰退，而改造后的传感器在使用12小时后仍可产生明显的荧光信号。“此次构建的酵母生物传感器，可以设计成一种简单、低成本的检测试纸，用于检测医疗样本或环境样本中的病原真菌。”袁吉锋介绍，只需将试纸浸入待检测液体样本中，即可实现对该样本快速灵敏和可视化的检测。

研究背景淡水受到天然和合成化学物质的污染是一项全球性的环境挑战。特别值得关注的是影响脊椎动物繁殖的化学物质和刺激微生物繁殖的无机化合物，因为它们进入环境后都会产生严重的生态影响。由于化学物质的释放可能是动态且瞬态的，需要在原位实时检测这些化学物质。这种检测也必须具有不同非生物条件的环境准确性。实时化学传感对于环境和健康监测中的应用至关重要。生物传感器可以通过基因电路检测各种分子，利用这些化学物质触发有色蛋白质的合成，从而产生光学信号。关键问题虽然生物传感器可以满足污染物监测需求，但仍存在以下问题：1、传感速度通常较慢，难以实现原位监测生物传感器都依赖转录调节进行检测，而蛋白质表达过程将这种传感的速度限制半小时以上，光学信号通常很难原位检测到。2、工程化微生物传感器会降低信噪比和时间响应工程化的微生物虽然提供了机械完整性和支持连续传感，但它们会衰减信号传输，进而降低信噪比和时间响应。新思路有鉴于此，美国莱斯大学Caroline M. Ajo-Franklin等人将合成生物学和材料工程相结合，开发出能够产生电读数且检测时间为分钟的生物传感器。使用模块化的、八组分合成的电子传输链对大肠杆菌进行编程，使其产生电流以响应特定的化学物质。按照设计，该菌株在暴露于硫代硫酸盐后，在2分钟内产生电流。然后，对电流传感器进行了修改，以检测内分泌干扰物。将蛋白质开关纳入合成途径，并用导电纳米材料封装细菌，可在3分钟内检测城市水道样品中的内分泌干扰物。该研究结果提供了一种设计规则，可以用质量输运模型有限的检测时间来感知各种化学品，并为保护生态和人类健康的微型低功耗生物电子传感器提供了一个新的平台。技术方案：1、设计了基于大肠杆菌的生物传感器在大肠杆菌中设计了一种合成电子转移（ET）途径，制备了生物传感器，并评估了各个模块的性能，优化了输出模块的功能，并分析了其性能。2、证实了对硫代硫酸盐的快速检测和定量作者构建了I+C+O+菌株，测量了硫代硫酸盐依赖性EET。通过改进，获得了更高的信噪比，信号强度及再现性，证实了工程菌株产生的电信号能够快速、连续地检测和定量硫代硫酸盐。3、设计了多样化的活体电子传感器作者利用Fd开关以确定活体电子传感器是否可以多样化，证实了工程化Fd可测量合成ET途径中非代谢中间体的分析物，并将响应时间减少了约4倍。4、证实了传感器在城市水道样品的适用性作者证实了2-EWE传感器在具有不同非生物特征的城市水样中具有一致的功能，并通过改进实现了高度可再现的响应，提高了信噪比，获得了更高的稳态电流和更快的响应时间。技术优势：1、开发了超快的生物传感器作者开发了利用ET合成信号转导方法，通过结合合成生物学和材料工程开发了生物传感器，可以产生电子读数，并将检测时间由半小时以上缩短至几分钟。2、实现了城市水道内分泌干扰物的快速测量将蛋白质开关纳入合成途径，并用导电纳米材料封装细菌，可在3分钟内检测城市水道样品中的内分泌干扰物。快速的响应时间非常适合于环境中瞬时化学暴露的连续监测。3、开发了提高信噪比的改进方法利用细胞封装来实现比率传感，并加入导电纳米材料以提高EET的效率，这两种方法都提高了信噪比，并导致了质量传输有限的响应时间。4、为连续、实时环境传感的设计提供了研究平台本文研制的活体电子传感器为连续环境传感提供了一个可扩展的平台，可以在不同的环境中进行长时间的准确操作。技术细节传感器设计作者在大肠杆菌中设计了一种合成电子转移（ET）途径。使用硫代硫酸盐来测试该策略，用三个模块设计了硫代硫酸盐依赖的ET途径。为了评估各个模块的性能，使用了基因组编码和质粒编码的遗传电路的组合，使模块组件能够即插即用表达。为了优化输出模块的功能，作者分析了其表达、EET以及在不同诱导条件下对细胞适应度的影响。为了测量细胞色素的表达，监测了细胞颗粒的相对红色。为了以高通量的方式评估EET，测量了诱导细胞还原细胞不可渗透的WO3纳米棒的能力。使用最佳诱导策略，表明优化的输出模块是功能性的。作者确定了耦合模块的SQR，并证明了细胞可以在表达输出模块的同时在输入模块中合成全蛋白。图 带有合成ET链的大肠杆菌传感器硫代硫酸盐的快速检测和定量为了确定ET通过全合成途径是否依赖于硫代硫酸盐，将所有三个模块集成在一起以构建I+C+O+菌株，并在BES中测量浮游细胞的硫代硫酸盐依赖性EET。结果表明整个通路就像一个硫代硫酸盐传感器。为了改善低信噪比，将每个菌株和工作电极封装在藻酸盐-琼脂糖水凝胶中。与浮游细胞相比，封装细胞对硫代硫酸盐的反应具有更高的信噪比（平均增加30倍以上）。此外，相对于浮游细胞，它表现出更高的信号强度（增加5倍）、更高的再现性（标准偏差减少50%）和更高的线性（R2增加10倍）。探讨了该传感器对不同硫代硫酸盐浓度的响应，表明I+C+O+菌株的电流响应与硫代硫酸盐浓度呈线性关系，证实了工程菌株产生的电信号能够快速、连续地检测和定量硫代硫酸盐。图 活体电子传感器的封装实现了硫代硫酸盐的快速检测和定量传感器多样化为了确定活体电子传感器是否可以多样化，以响应影响脊椎动物繁殖的化学物质，利用Fd开关在翻译后对化学配体进行响应。为了量化每个反应器中4-HT诱导的电流变化，计算了IsC+O+应变相对于IC42AC+O+菌株的电流百分比差异。DMSO和4-HT信号的比较显示，在7.8分钟内以95%的置信度检测到4-HT，信号强度增加0.93%±0.33%。尽管工程Fd产生的信号低于野生型Fd，但它能够检测合成ET途径中非代谢中间体的分析物。因此，与以前的微生物生物电子传感器相比，IsC+O+活电子传感器按设计对4-HT作出响应，并将响应时间减少了约4倍。图 表达电子蛋白质开关的活体电子传感器能够快速检测内分泌干扰物城市水道样品测量在添加了硫代硫酸盐或4-HT的河流和海洋样品中测试了BES，证实2-EWE传感器在具有不同非生物特征的城市水样中具有一致的功能。由于这些城市水样的导电性差且氧化还原活性化合物丰富可能会干扰生物电子传感，引入了生物相容性和导电性TiO2@TiN纳米复合材料进入包封基质以增加接触表面并促进细菌-电极界面处的电子转移。这些纳米颗粒-活性传感器混合物在装置之间显示出高度可再现的响应，提高了信噪比，并且在1mM硫代硫酸盐存在下具有更高的稳态电流，并具有更快的响应时间。本工作开发的活体电子传感器可用来专门检测与环境相关的浓度和条件下的分析物，其传质限制动力学比之前的状态快十倍。图 用导电纳米颗粒封装的活体电子传感器能够快速检测环境中的污染物展望总之，本文研制的活体电子传感器为连续环境传感提供了一个可扩展的平台。实时传感需要快速的分析物检测，在没有样品准备的情况下，可以在不同的环境中进行长时间的准确操作。活体电子传感器可在各种环境条件下使用有限的仪器实时检测目标化学品。为了实现长期的环境部署，可以将碳源和辅助化学品纳入封装矩阵，以优化非生物-生物界面的电信号传输。此外，这些传感器可以被安装到通过清除环境中存在的能量来自我供电的设备中。小型、可部署的实时生物电子传感器可以分布在不同的环境位置，这将彻底改变监测化学品在生态系统中迁移的能力。这将为农业的可持续发展提供重要信息，减轻工业废物排放的影响，并确保水安全。参考文献：Atkinson, J.T., Su, L., Zhang, X. et al. Real-time bioelectronic sensing of environmental contaminants. Nature(2022).DOI：10.1038/s41586-022-05356-yhttps://doi.org/10.1038/s41586-022-05356-y

研究人员开发了新的信号处理技术，与光流体生物传感器芯片一起使用，以检测浓度变化8个数量级的纳米珠混合物。图片来源：霍尔格施密特/加州大学圣克鲁斯分校美国加州大学圣克鲁斯分校团队在用于检测或分析物质的芯片传感设备方面取得重大进展，为研制高灵敏度的便携式集成光流体传感设备奠定了基础。这些设备即使涉及浓度变化很大且完全不同类型的生物粒子时，仍然可同时进行多类型的医学测试。该研究成果发表在最新一期《光学》杂志上。研究人员将新的信号处理技术应用于基于光流体芯片的生物传感器，能对8个数量级浓度的纳米珠混合物进行无缝荧光检测，将传感器可工作浓度范围扩大了1万倍以上。团队表示，新设备足够灵敏，不但可检测单个生物分子，还能在非常宽的浓度范围内工作，以同时测量和区分多种粒子类型。这一多类型分析测试平台，原理基于光流体芯片，通过用激光束照射粒子，然后用光敏探测器测量粒子的响应来检测粒子。还使得该平台具有执行各种类型分析所需的灵敏度，可检测包括核酸、蛋白质、病毒、细菌和癌症生物标志物等粒子。在这项新工作中，研究人员还开发了一种信号处理方法，得以同时检测高浓度和低浓度的粒子。他们结合不同的信号调制频率：高频激光调制以区分低浓度的单个粒子，低频激光调制以在高浓度下同时检测来自许多粒子的大信号。团队还应用到最近开发的一种极速算法，以实时识别和高精度区分。这种信号分析方法，本质是用不同浓度和各种荧光颜色的纳米珠溶液泵送光流体的生物传感器芯片。目前，其能正确识别浓度差异在混合物中超过1万倍的纳米珠。未来，其将用于分析来自人工神经元细胞组织类器官的分子产物，为人们带来神经源性疾病和儿科癌症等领域的新见解。

近日，中科院上海光机所精密光电测控研究与发展中心收到国家知识产权局颁发的“上转换发光生物传感器”发明专利证书，这表明该仪器已具有自主知识产权。 　　上转换发光生物传感器通过检测以纳米或亚微米红外上转换发光颗粒为标记物的免疫层析试纸条上检测带与控制带上的发光信号而实现样品中被检物的定量检测，是一种基于上转换发光技术的光学生物传感器(简称“UPT生物传感器”)，具有敏感性高、特异性强、稳定度高、适合于现场快速检测等优点。自2003年起，上海光机所紧跟国际先进光学生物传感技术发展动向，与军事医学科学院微生物流行病研究所、上海科炎光电技术有限公司等单位合作，发挥各自的专业特长与技术优势，开展了基于上转换发光技术的光学生物传感系统的研究与应用工作，其中上海光机所负责UPT生物传感器的研制。经过6年多的潜心研究，上海光机所解决了诸如试纸条表面上转换颗粒分布的精确定量测量、微弱光电信号的提取与处理、功能带自动搜寻定位算法等多项关键技术，研制成功了四代UPT生物传感器，已有100多台仪器成功应用于新疆、青海、云南、内蒙古、甘肃等鼠疫疫源地鼠疫菌的现场检测，国境口岸反生物恐怖现场快速检测，2008年奥运会安保等多中场合。 　　自本世纪初以来，上海光机所精密光电测控研究与发展中心大力拓展光学技术在生物医学领域的应用研究，经过近10年的不懈努力，使光学生物传感器发展成为该中心一个重要的研究方向。除UPT生物传感器外，该中心还研制成功了光纤倏逝波生物传感器、时间分辨荧光分析仪、定量金标免疫分析仪等生物医学快速检测仪器，至今共获得4项国家发明专利。同时，本中心与合作单位提出的“多重检测UPT生物传感技术”已作为子课题列入2008年启动的国家科技重大专项“艾滋病和病毒性肝炎等重大传染病防治”。目前，该中心科研人员与相关企业合作，正在积极推进UPT生物传感器在临床诊断方面的应用，预计明年初UPT生物传感器将在乙肝、人C反应蛋白、甲胎蛋白等疾病标志物的快速诊断中得到实际应用。

葡萄糖检测和实时连续监测，对于糖尿病等疾病的诊断和预防以及制糖和发酵过程中的可控生产至关重要。在这一过程中，以葡萄糖氧化酶(Gox)、普鲁士蓝(PB)、电极为核心的葡萄糖生物传感设备颇具前景。近日，中国科学院过程工程研究所生化工程国家重点实验室开发出具有邻域纳米结构的新型三维(3D)介孔生物传感膜，提高了葡萄糖生物传感设备中传感区域面积、PB利用率以及底物对传感区域可及性，具有优异的灵敏度和长期稳定性。相关研究成果发表在《先进功能材料》(Advanced Functional Materials)上。 　　由于PB形成速率快且极易团聚，使其在电极上的合成和分布难以控制，导致PB高密度无序堆积，形成传感区域面积小、PB利用率低且空间位阻大的逐层分布传感结构，传感灵敏度低且稳定性差。 　　针对上述问题，万印华团队以单宁酸-3-氨丙基三乙氧基硅烷-铁(TA-APTES-Fe)三元涂层作为结构导向剂，调控PB的固定化位置和组装速率，分别通过配位和共价作用将PB和GOx相邻固定在3D介孔碳纳米管(CNTs)膜电极中，制备出具有邻域纳米结构的介孔生物传感膜。与逐层纵向分布的生物传感器相比，新型传感膜将传感区域从2D平面扩展到3D介孔膜电极中，从而提高了PB的利用率以及葡萄糖和过氧化氢(H2O2)对传感区域的可及性。同时，这一结构拉近了级联传感单元间的距离，从而缩短H2O2到达传感界面的扩散距离，有效抑制H2O2向主体溶液中的扩散，降低其无效耗散。实验数据表明，在流通模式下，新型传感膜的灵敏度高达31.2 μA mM-1，可稳定连续监测蔗汁中的葡萄糖浓度长达8小时无电流响应漂移。 　　针对生物传感器污染问题，该团队基于PB的pH响应多酶活性，提出了利用GOx-PB级联反应依次产生微气泡和芬顿氧化来模拟“疏松-降解”膜清洁过程。原位产生的微气泡带来的剪切作用有助于疏松膜表面污染层，进而增加自由基对污染物的可及性，从而实现被污染的生物传感膜的自清洁。 　　研究工作得到国家重点研发计划和国家自然科学基金的支持。图1.受细胞膜上电子传递链结构启发，开发具有邻域纳米结构的三维介孔生物传感膜示意图。图2.生物传感膜“疏松-降解自清洁机制”示意图。

石墨烯，是当前世界上最薄、最轻、最硬、导电性最好而且拥有强大灵活性的纳米材料。它的强大能力常常令人咋舌。一块1厘米厚的石墨烯板，能够让一头5吨重的成年大象稳稳站在上面 用石墨烯做的手机电池，一秒内就能把电充满 以石墨烯为材料的平板电脑，可以随意折叠成手机大小放在口袋里。在电子、航天军工、新能源新材料等领域也有着广泛应用。　　11月25日，在中科院文献情报中心产业情报研究中心主办的第20期《产业技术情报》发布会上，研究人员详细梳理了石墨烯在超级电容器和生物传感器方面的应用情况，首次将两个发布主题聚焦于同一领域，并基于权威数据库分析，对两者未来的发展趋势作出研判。　　石墨烯超级电容器技术：中国处于快速增长期　　当今能源及环境问题日趋严重，以新能源电动汽车为代表的绿色交通工具的发展需求越来越大。而解决其制动能量回收系统的问题是产业发展的关键之一，因此产业对兼顾高能量密度与高功率密度的电化学储能器件的需求越来越迫切。与此同时，超级电容器因具备使用寿命长、充电时间短等优点，被赋予较大期待。石墨烯超级电容器主要研究领域包括：用于电极材料的过渡金属氧化物、活化煤以及氮掺杂石墨烯、集电器表面等方面，涉及技术包括氧化石墨烯单体、过度金属氧化物、氮掺杂、煤活化等。　　随着2004年英国曼彻斯特大学物理学家发现石墨烯的分离制备方法，石墨烯在超级电容器中的应用也逐渐开始迅速发展，专利年发表数量快速增长，于 2012年达到峰值每年280项。目前相关技术专利平均在每年250项左右。中国的石墨烯超级电容器领域技术的发展2009年起迅猛增长，年申请量迅速超过每年100项，于2012年达到峰值，此后基本保持在每年120项以上，处于快速增长期。　　记者发现，在石墨烯超级电容器技术专利权人排名中，前25名专利权人中数量最多的是来自中国的机构(17家)。排名前5位的依次是：海洋王照明科技股份有限公司、中国科学院、韩国三星公司、美国Nanotek仪器公司和浙江大学。　　“从产业技术情报发布的内容来看，我们国家在石墨烯领域的论文和专利的数量还是比较可观的，这些数据充分反映了我们国家的科技活力。”清华大学化工系教授骞伟中说。　　他介绍，目前石墨烯的主要制造市场和应用市场均在中国，国内的众多机构在该领域进行了专利布局。北京和江苏已分别成为国家石墨烯发展和研发较为集中的地区，未来5年到10年这些地区还将在石墨烯领域进行大力布局。　　“从产业化角度来看，目前石墨烯电容器领域技术更多地集中在高校实验室，离产业化还有一段路要走。我们国家应推动高校和企业的衔接，大力推动石墨烯电容器的产业化发展。”骞伟中建议。　　石墨烯生物传感器：中国SCI发文量位列第一　　石墨烯因其特殊的纳米结构，优良的光学、电学等特性以及良好的生物相容性，迅速成为生物传感器研究中的热点材料，并成功检测多种生物小分子、DNA、酶、蛋白质以及细胞等。　　“生物传感器是生命分析化学及生物医学领域中的重要研究方向，已广泛应用于临床疾病诊断和治疗研究。但石墨烯生物传感器目前处于实验室阶段，还未实现产业化。”国家纳米科学中心博士研究生史济东说。　　据中科院文献情报中心研究人员介绍，石墨烯用于生物传感器领域研究的重点集中在以下两个方面：一是石墨烯电化学生物传感器，包括安倍型传感器、电化学发光型和场效应晶体管型等，涉及酶传感器(用于检测过氧化氢、葡萄糖、抗坏血酸、多巴胺、尿酸等)、免疫传感器(用于检测病毒、细菌、癌症标志物等)、DNA传感器、蛋白质传感器等 二是石墨烯光学生物传感器，包括荧光传感器和基于共振能量转移传感器。　　石墨烯用于生物传感器领域的SCI论文发文年代分布呈现出如下特征：2005 年至2009年发文量相对较少，年发文量不超过100篇，主要来自美国和中国，研究进展相对缓慢，处于技术孕育期 随着2010年英国曼彻斯特大学物理学家安德烈海姆和康斯坦丁诺沃肖洛夫因在石墨烯材料方面的研究获得诺贝尔物理学奖，全球石墨烯用于生物传感器领域的SCI发文量增长趋势逐渐明显，其中 2015 年SCI发文量突破了2300篇，相关技术进入快速成长阶段。　　统计数据显示，全球共有85个国家和地区开展了石墨烯用于生物传感器的相关研究，其中中国、美国、印度等10个国家和地区在石墨烯用于生物传感器领域的SCI发文量占总量的81.61%。其中中国在该研究中占有明显优势，发文量占全部论文的47.76% 位居第2位的是美国，发文量占全部论文的 9.39%。　　在高被引论文方面，石墨烯用于生物传感器领域的SCI论文属于ESI高被引论文有345篇，来自35个国家和地区。其中ESI高被引论文主要来自中国(176篇)、美国(86篇)、新加坡(39篇)、韩国(23篇)和印度(15篇)。　　值得一提的是，前10位ESI高被引SCI论文中，有6篇发文来自中国福州大学、中科院长春应用化学研究所、清华大学和中科院上海应用物理研究所4家机构，可以看出中国在该技术领域拥有一定的技术优势。

仪器信息网讯 2012年3月27-28日，由北京食品学会及北京食品协会联合主办，太平洋国际展览有限公司承办的“第五届中国北京国际食品安全高峰论坛(CBIFS)”在中国国家会议中心召开 。本次高峰论坛旨在为食品行业及食品安全检测部门提供更加广泛的学习和交流机会，针对当前重要的食品安全热点难点问题展开深入探讨，发布最新的食品安全前端技术和应用解决方案。论坛吸引了800余名业内人士参加、60余家企业参展，仪器信息网作为合作媒体亦参加了本次会议。 　　在“微生物、毒素及致病菌检测”专题研讨会上，军事医学科学院微生物流行病研究所杨瑞馥研究员作了主题为“生物传感器在食品致病微生物检测中的应用”的报告，简要介绍了上转发光技术、国内外上转发光技术研究进展以及该技术在食品致病菌检测中的应用，现对该报告作简要报道： 报告人：军事医学科学院微生物流行病研究所 杨瑞馥教授 报告题目：生物传感器在食品致病微生物检测中的应用 　　上转发光技术与金标技术类似，但金标技术不能定量，受环境因素影响大，且检测结果不能长期保存，而上转发光技术正好克服这些缺点。 　　杨瑞馥研究员等利用上转发光技术，经过多年实验，研制出能进行定量检测的生物传感器，研制历程跨过了纳米颗粒研制、试剂研制、仪器研制到仪器应用几个阶段。 　　纳米颗粒经由稀土元素烧制，通过活化修饰，再与抗体或抗原结合，利用上转换发光材料在红外光激发下发射可见磷光的特性，通过对免疫层析试纸条上经生物反应而结合上去的上转换发光材料颗粒的含量进行检测，计算出被测样品中特定生物分子的浓度。 　　该试剂环境耐受性强(耐受 PH3-7的范围)，不易猝灭，最突出的特点是自然界没有上转发光，因此使得样本处理变得简单，点样之后就能检测，没有本底干扰。 　　国外对上转发光技术的研究始于上世纪90年代，但因为没有清楚了解纳米颗粒的特性，控制不好反应效果。因此，杨瑞馥研究员对上转发光技术的研究可说是走在了国际前列。 　　杨瑞馥研究员等研制的基于上转发光技术的生物传感器通过了可靠性试验，在我国首台航母上得到了安装，也进入了生产线和临床。该生物传感器还可应用于食品致病微生物的检测，已开发相关的微生物类检测试剂十几种，曾在世博会期间被用于食品样品的快速检测，特异性达到100%，检测结果重现性好。

纳米生物传感器，听起来是一个非常陌生的名词，但验孕棒等试纸产品，你肯定不会陌生，它们就是此类传感器的“化身”。　　中科院宁波材料技术与工程研究所研究员黄又举精耕于纳米材料领域，构建出纳米生物传感器新材料，旨在推动更多的检测产品进入寻常百姓家。　　可以设想，将来如果你对蔬果农残担忧，用这种试纸测一测，有无农残，指标多少，便一目了然 甚至一些人体健康指标也可以利用生物传感器，转化为看得见、摸得着的直观呈现。　 人物名片　　姓名：黄又举　　职务：中科院宁波材料技术与工程研究所研究员　　荣誉：2015年第六批宁波市“3315计划”创新人才　　课题研究收获“意外之喜”　　黄又举大学学的是高分子材料科学与工程专业，后进入中国科技大学攻读博士学位。他坚信，材料若能结合生物领域，将拥有非常广阔的发展前景。博士毕业后，他远赴新加坡南洋理工大学从事博士后研究，主要研究方向是化学与生物医学工程领域。　　“我在攻读博士后之前从未涉及过纳米粒子方面的研究，后来因为研究需要相关的材料，才学习合成纳米粒子材料，没想到展现了这方面的天赋。”4年在新加坡深造研究让他收获了“意外之喜”。　　2013年10月，黄又举通过“春蕾人才”计划，进入中科院宁波材料技术与工程研究所工作。去年12月，由于他出色的科研表现，被破格提升为项目研究员。　　在攻关纳米生物传感器核心材料等关键问题上，黄又举潜心研究了五六年。　　纳米金材料是他的研究重点。纳米金材料是纳米传感器的核心材料，被广泛应用于试纸条、试纸盒中，其大小、形状以及自组装行为直接影响到可视化的性能。　　传统纳米金合成主要是通过调控反应动力学和热力学，进而调控形貌和大小，但众多实验参数常常会影响纳米金的大量高质量制备。黄又举则突破了传统的方法，提出了纳米金的两种新生长模式———智能化合成与非连续性生长模式。　　他研发出超过20种单分散的不同形貌的金纳米粒子，包括球形、方形、棒状、片状、星形、线形以及一些复杂的多级纳米结构。与现有的其他产品相比，这种合成方法确保纳米粒子在大规模制备条件下，仍能保持粒子的高度均匀性。　　“市场上纳米金粒子产品存在纯度不足、形貌种类有限等缺陷。”黄又举说，“我们团队研发出来的产品纯度和品质都非常高，且在相同的单位价格之下，能够生产出更大体量的产品。”　　生物传感器应用非常广阔　　“此类传感器的应用空间非常广阔，主要集中在一些可视化的试剂盒、试纸条上。”他介绍说，“目前市面上较为常见的就是验孕试纸，以后的应用方向还可以针对男性、小孩等受众，同时在食品安全领域也可大做文章。”　　如在食品安全领域，普遍的家庭要检测蔬果是否含有毒素，不可能购置大型的仪器，只能通过一些简单的工具去鉴别，因此可以通过裸眼观察到颜色变化的试剂、试纸成为较为理想的工具、方法。　　“在目前推崇‘精准医疗’的大环境下，需要更多的生物传感器去检测各类人体指标以达到预防的目的。”黄又举对研究领域的前景充满了信心。　　据了解，他和团队合成的纳米金样品已经受到国内外多家高校、院所和公司的青睐与好评，样品已经免费试用于美国斯坦福大学、新加坡南洋理工大学、新加坡国立大学、韩国成均馆大学和各类生物公司等30余家机构。　　同时，他与众多企业合作展开一些专利布局。浙江星博生物科技有限公司就与其合作，研发了可商业化的男性生殖健康体外检测产品。　　今年，黄又举还与宁波美成生物科技有限公司合作在中科院材料所筹建了“食品安全快速检测材料与技术联合实验室”，引入了20余个快检便携式仪器，主要进行食品检测技术方面的研究和应用，争取向提供第三方检测服务方面发展。　　黄又举表示，目前他们正在研究定量检测的问题，主要面向一种能随目标物浓度变化产生颜色变化的试纸条和试剂盒。“例如，你拿一张检测毒素的试纸去检测某个东西，试纸可以直接通过不同的颜色来显示毒素含量，就像pH试纸随着酸碱性浓度的不同显示不同的颜色”他说。　　他表示，在互联网高速发展时代，可以将可视化生物传感器与移动医疗结合，通过相关生物传感器芯片、手机APP以及医疗大数据处理平台的构建，实现可视化生物传感器的商业化。

2021年11月13日，第十五届全国化学传感器学术会议（15th SCCS）于线上开幕。本次会议以“化学生物传感新时代”为主题，安排了16位大会邀请报告、176位分会场邀请报告和44位口头报告，内容涵盖化学与生物传感器、生物分析化学、纳米技术与化学生物学、环境分析化学、传感阵列、生物芯片和微流控芯片、化学生物传感器的微型化、系统集成及产业化、分析仪器研发等热点领域。会议首日，国家自然科学基金委化学部王春霞、中科院长春应化所汪尔康、中科院长春应化所董绍俊、湖南大学谭蔚泓、南京大学陈洪渊、中科院生态环境研究中心江桂斌、清华大学李景虹、中科院上海硅酸盐研究所施剑林、中科院精密测量科学与技术创新研究院刘买利、中科院大化所张玉奎、中科院长春应化所杨秀荣、香港中文大学（深圳）唐本忠、国家纳米科学中心赵宇亮、大连理工大学彭孝军、上海交通大学樊春海、东南大学顾宁等分别带来了精彩报告，吸引超千人实时在线观听，仪器信息网视频号约三千人次点播。 国家自然科学基金委化学科学部化学测量学项目主任 王春霞研究员报告题目：《化学测量学 学科发展与NSFC改革》王春霞研究员在报告中分析了化学测量学2018年-2020年面上项目申请代码分布，2018年-2021年面上项目各代码申请与资助分布，人才项目领域分布情况等，并对化学测量学领域的特征与前沿问题进行了讨论。她讲到，当前我国化学测量学的发展注重方法与原理创新，以生命分析为研究重点，与尖端分析仪器装置的研发紧密结合，已初步建成一支高素质的研究队伍。 中科院院士、发展中国家科学院院士、中国科学院长春应用化学研究所研究员 汪尔康报告题目：《极谱学发展促进现代电分析化学》汪尔康院士在报告中回顾了极谱学与现代电分析化学发展历史，并对电分析化学的发展趋势做出了展望。此外，还重点介绍了在本领域取得的主要研究进展和重要成果。汪院士于20世纪70年代研制成功我国第一台大型脉冲极谱仪，80年代后又首创多功能新极谱仪。先后研制成功经典极谱仪、各类示波极谱仪、方波极谱仪和示波方波极谱仪以及循环伏安仪和油/水界面循环伏安仪等多种电分析仪器等。20世纪末，研制出国际首创、具有我国自主知识产权的“毛细管电泳/电化学发光检测仪”。汪院士重视水质监测仪的研制，首创生化需氧（BOD）原位在线监测方法和装置，并与吉林光大企业合作，研制出全套水质参数监测仪，成功在全国范围多个站点推广应用。 发展中国家科学院院士、中国科学院长春应用化学研究所研究员 董绍俊报告题目：《生物燃料电池与自供能生物传感器的研究发展》董绍俊院士围绕电化学界面微结构与宏观间的相应关系，早在80年代初就率先在国内开展了化学修饰电极的研究至今。面向国际科学发展前沿，董院士开展了分子自组装有序膜修饰电极研究，在电极界面修饰、自组装、表征、界面电化学理论和应用等方面开拓发展，取得了系列创新成果。近期，董院士发展了多类生物燃料电池（BFC）及自供能生物传感器，将生物计算与生物燃料电池相结合，不仅发展了能够模拟布尔逻辑的生物计算体系，还设计了以医疗检测为目的的自供电逻辑适配体传感器等。报告中，董院士重点介绍了团队在生物燃料电池与自供能生物传感器方向的研究进展。 中科院院士、发展中国家科学院院士、湖南大学教授 谭蔚泓报告题目：《人脸识别式的诊断》谭蔚泓院士在报告中提出，人脸识别式的诊断是疾病诊断的未来。人脸识别是最有效的多参数表征方法，而多参数特征测定最能有效提高识别和诊断的精确性。开发分子识别工具（蛋白、核酸多组学信息）和发展新型数据算法（提高多参数分析性能），帮助获取疾病多靶标表征和对获取的多靶标参数进行有效解析，进行疾病分析分型，可实现疾病的精准治疗。此外，疾病精准诊断还需要多参数、多维度、新靶标、产生大量数据，人工智能利用高效计算模式，模拟人类思维，自动分析与判别，大大推动了疾病诊断+治疗的新范式。 中科院院士、南京大学教授 陈洪渊报告题目：《智能传感技术的今天与明天》陈洪渊院士在报告中强调了智能传感器在智能制造中的重要性，全面分析了传感器的发展现状与未来趋势，并重点介绍了纳米孔道单分子智能传感器的发展。疾病的发生往往是从单个分子、单个细胞的异常变化开始的，单个体异质性与生命活动密切相关，因此亟需发展针对单分子的化学测量技术，纳米孔道单分子智能传感器应势发展。报告中，陈院士分享了团队面向全民健康和精精准诊疗对生命分析化学提出的新挑战，在纳米孔道电化学传感器、纳米孔道测序传感器和纳米孔道荧光传感器等方面的研究成果。此外，陈院士讲到，未来智能传感技术将在实时动态表征核酸适配体或核酸酶的结构和构效关系中取得重要应用。 中科院院士、发展中国家科学院院士，中科院生态环境研究中心研究员 江桂斌报告题目：《成组毒理学与细胞测试技术》江桂斌院士在报告中介绍了环境和食品中有毒化学污染物研究面临的科学难题以及本领域的发展态势，讲述了高通量多功能成组毒理分析系统总体设计思路，并分享了团队取得的系列重要成果，如ITA小型机的研制和市场推广。此外，江院士提到，在生命科学飞速发展的今天，如何在低剂量下促使细胞反应发生，通过什么手段缩短细胞培养时间，如何找到和发现更多毒性靶点，能否找到替代细胞反应的传感器，计算毒理和机器学习如何发挥作用等问题，还需要大家来思考，以实现分子毒理学的跨越进步。 中科院院士、清华大学教授 李景虹报告题目：《单细胞分析化学》李景虹院士讲到，当前生物学研究已进入“单细胞生物学”研究阶段，而单细胞具有组分多、含量小、结构复杂、其生命活动涉及微观层次的动态分子过程等特点，现有的生命分析化学手段已经无法满足单细胞复杂体系的分析需求，因此需要分析化学家提供高时空分辨、多组分、高通量、实时动态的新方法和新工具，来迎接单细胞生物学时代的到来。在此背景下，李院士团队在RNA高通量成像、单分散纳米金颗粒的线粒体氧化应激放大器等方面做了一系列工作并取得了重要进展。李院士讲到，单细胞分析技术将助力精准医学，如单细胞水平疾病早期预警以及单细胞水平个性化药物筛选。 中科院院士、中科院上海硅酸盐研究所研究员 施剑林报告题目：《纳米催化医学与纳米生物检测》“纳米催化医学”是由施剑林院士团队提出的一个新的研究方向，旨在通过响应肿瘤部位的特异内场微环境或外源性激光、超声作用场，利用无毒/低毒纳米材料所引发的瘤内原位催化反应，高效实现肿瘤细胞的氧化损伤及细胞死亡。该催化肿瘤治疗方法不使用高毒性化疗药物，具有高效、特异性强、安全性高的特点。施剑林院士在报告中分享了团队在该方向取得的多项重要研究进展。 中国科学院院士、中科院大化所研究员 张玉奎报告题目：《薄膜基光化学传感技术及其应用》张玉奎院士在报告中讲述了光化学传感的研究进展，提到现有食品安全快速检测技术的关键问题、中低毒农药快速检测的关键问题、叠层技术实现病毒快检的科学问题等，并分享了团队基于以上问题在光化学传感、农药残留快速检测和病毒快速检测方面的研究成果。 中科院院士、中科院长春应化所研究员 杨秀荣报告题目：《基于双偏振干涉方法的生物分子相互作用研究》双偏振干涉方法是21世纪发展起来的研究生物分子相互作用的分析方法，是基于生物分子在相互作用过程中质量、厚度、密度的变化而探讨生物分子相互作用的定量关系、分析构象变化，以及动力学的分析方法。杨秀荣院士在报告中分享了本团队基于双偏振干涉方法在DNA/抗癌药物的相互作用、适配体/金属离子Cd2+的相互作用、Aβ蛋白/Lilrb2受体之间的相互作用、以及Aβ蛋白/Apo E蛋白亚型的相互作用等方面取得的系列研究成果。杨院士认为，双偏振干涉是实时、在线免标记研究生物分子相互作用的有力工具，对于深入认识生命现象、设计和开发新药具有重要意义，此外，双偏振干涉方法还可应用于生物纳米、表面科学、药物发现、脂质研究等不同领域。 中科院院士、发展中国家科学院院士 香港中文大学（深圳）教授 唐本忠报告题目：《Sensing by AIEgens》唐本忠院士在2001年首次提出AIE概念，它与传统发光材料相反，AIEgens在稀溶液中只能微弱发射或无荧光发射，但在聚集体或固态中荧光发射增强。在报告中，唐本忠院士介绍了聚集诱导发光（AIE）的工作机制，并分享了团队在AIE发光剂（AIEgens）的研究和应用方向取得的一系列重要成果。 中科院院士、发展中国家科学院院士、国家纳米科学中心主任 赵宇亮报告题目：《生物表界面化学信息测量方法与应用》赵宇亮院士在报告中讲到，由于纳米生物分析方法学面临着诸多挑战，基于此，当前已发展出不同的纳米生物创新分析方法，如融合大科学装置的生命分析方法，利用X射线成像分析技术，建立体内ADME/Tox特征分析方法，可实现AuNPs在组织器官之间转运的2D成像分析等。此外，赵院士认为，新的分析测量方法，才能支撑科学创新研究，如纳米探针法，靶向识别细胞受体的高分辨成像。在报告的最后，赵院士提到国家药监局纳米药物重点实验室，该实验室定位于纳米技术应用和医药产品的研究与评价，建立纳米技术的医药产品研究评价体系，探索纳米技术-产品性能-生物功效内在规律，将促进我国纳米医药产业创新发展。 中科院院士、大连理工大学教授 彭孝军报告题目：《智能染料分子：从靶标识别到肿瘤诊疗》彭孝军院士提出了通过分子智能设计，提升分子识别、肿瘤早期诊断、手术引导与光/声动治疗等应用功能的科学理念，并带领团队，通过染料分子创新设计和性能调控研究，开发出荧光识别和传感性能优异的多种染料探针，攻克了相关染料的耐受性和清洁制造工艺等工程难题，形成了信息打印染料和血液细胞分析用染料等系列专利技术，且部分已得到产业化应用。彭院士在报告不仅分享了本团队在智能染料分子方向的研究进展，也对智能响应医学诊疗染料未来作出了展望。 中科院院士、上海交通大学教授 樊春海报告题目：《框架核酸：从分子创造到智能制造》樊春海院士在报告中介绍了基于框架核酸开展纳米构筑、单分子分析和纳米机器人方面的最新研究进展。框架核酸不仅制备简单、结构可控，而且易于实现精确的生物功能化，尤其是将框架核酸与无机纳米粒子结合起来，可以进一步拓宽分子机器的功能多样性。 本次会议为期3天，第二日和第三日分别有6、5个分会场同时进行，两百多位学者继续共话“化学生物传感新时代”，欢迎大家持续关注。

生物传感器为基因分析、传染病检测和食品安全等领域提供了一种廉价、便携检测生物分子的新工具。中国科学院上海应用物理研究所物理生物学研究室樊春海课题组长期致力于电化学生物传感器的研究，取得了系列研究进展。近日，应化学综述杂志Accounts of Chemical Research邀请，裴昊、左小磊等撰写了相关综述论文，并发表于Acc. Chem. Res.,2014, 47, 550&ndash 559。 　　生物分子探针在传感界面上的组装过程很大程度上决定了生物传感检测的性能。如何调控生物分子在界面上的密度和取向，减少生物分子与界面的非特异 性吸附并避免界面分子间的侧向作用力则已成为该领域的挑战性问题之一。针对这一问题，樊春海课题组对DNA分子在宏观和纳米界面上的组装过程进行了系统研 究。由于DNA是一种软物质，常规使用的一维单链探针容易产生链间纠缠而聚集。2003年发展出了具有一定刚性的二维结构DNA探针，在一定程度上解决了 这一问题(Fan et al. PNAS 2003, 100, 9134) ，并在DNA和核酸适配体检测方面展现出明显的优越性。近年来，通过引入DNA纳米技术发展出刚性的三维结构DNA探针，实现了DNA探针之间距离的精确 调控。这为构筑有序的生物分子界面提供了新的途径，提高了界面生物识别能力，进而显著提升了生物传感器的检测能力。在这一新型生物传感平台上深入研究了界 面识别和电子传递等物理化学机制，并实现了核酸、抗原和小分子的超高灵敏检测，相关结果相继在JACS, Angew. Chem.,Adv. Mater., Sci. Rep.等杂志发表。

中国科学技术大学生命科学与医学部特任教授薛林课题组与德国马克思普朗克医学研究所教授Kai Johnsson合作，构建并利用半合成生物传感器揭示辅酶A（CoA）细胞内的代谢平衡。10月31日，相关研究成果在线发表于《自然-化学生物学》。CoA半合成生物传感器以及对CoA代谢平衡的重新诠释 受访者供图CoA由维他命B5在体内合成，是人体内最重要的代谢物（辅酶）之一，其参与体内众多代谢通路，比如三羧酸循环、氨基酸代谢、蛋白翻译后修饰以及基因表达调控等。“已有研究证明，神经退行性疾病、肥胖以及肿瘤等代谢性疾病的发生发展都与CoA的代谢失调密切相关。”薛林介绍。然而，自1946年细胞内的CoA被发现以来，至今仍未找到能够在活细胞内准确检测其浓度和分布的有效方法，导致人们对细胞如何调控CoA的平衡与代谢过程还不明确，与其相关疾病的分子机制更是知之甚少。此次工作中，研究人员采用蛋白质标记技术构建了针对CoA的半合成生物传感器。“这种传感器是由自标记蛋白、荧光蛋白以及CoA受体蛋白构成的复合体。其具有荧光，与CoA结合后荧光颜色会发生改变，再通过检测荧光颜色变化从而实现CoA的定量检测。”薛林解释说。研究人员进一步利用该传感器首次实现了活细胞细胞质和线粒体内CoA的原位分析，揭示了CoA在亚细胞内的平衡与代谢调控机制。利用荧光寿命成像技术，研究人员还首次实现了对不同细胞系细胞质及线粒体内游离CoA浓度的准确测定。薛林表示，“由此，我们为开发CoA代谢相关的神经及代谢疾病的抑制剂或药物提供了高效的分子工具，有助于实现对肿瘤等疾病的治疗。此外，我也希望CoA传感器可以被更多生物学家所使用，揭示更多CoA相关的生命科学问题。”审稿人认为: “CoA在能量和脂肪代谢中具有核心地位，如何检测其在细胞内的波动长期困扰着生物学家，薛博士及其合作者首次报道了CoA特异性的生物传感器，直接解决了这些挑战，并为这些问题提供优雅的解决方案。”

供稿：sophie编辑：joanna生物传感器可以检测到生物物质变化信息，并将这些信息反馈出来。例如，生物传感器感知到人体生物物质的变化，判断人由睡眠状态进入清醒状态，将此信息反馈给电视机，电视接收到这个信息后便自动播放早间新闻。生物传感器品类众多，其中肽核酸（pna）阵列芯片与srpi结合形成的生物传感器稳定性高，与核酸杂交特异性及亲和力强，是生物学研究的有力工具，在基因治疗、分子杂交、pcr扩增、核酸捕获和基因分离等领域有广泛的应用前景。但如何有效提高此类生物传感器工作效率，仍是时下研究热点。其中待检测核酸与生物传感器中pna阵列芯片的杂交效率，对整体工作效率优化起到了至关重要的作用，因此在这方面的研究还需要不断深入。(图片来源于网络)近期布达佩斯工业与经济大学无机和分析化学系研究人员利用spri表面等离子共振成像技术强大的并行检测的能力，制备高杂交效率的pna阵列芯片，将实验周期缩短到原来的十分之一。布达佩斯工业与经济大学(图片来源于网络)众所周知，传统的方法制备pna阵列芯片，将巯基修饰的pna通过au-s键固定到镀金芯片上。修饰的过程需要优化固定缓冲液的种类和ph值，配体本身的浓度等实验条件，以实现高的杂交效率。该过程通常涉及几十次控制实验，以获取优的实验条件。而布达佩斯工业与经济大学的方法是采用spri表面等离子体共振技术，采用spri-plex ii表面等离子体共振成像仪作为检测工具。利用阵列式芯片的并行处理能力，将上述需要条件优化的实验巧妙的安排在一块芯片完成，大的提高实验成功率。研究结果表明：预杂交的pna探针固定形成的pna阵列芯片的后续杂交效率优。该种方法可以拓展到其它的免标记检测体系，快速优化实验条件，缩短实验周期，获得稳定的实验结果。图为两种肽核酸层微点样固定方法及相应杂交结果利用单链pna点样方法出现两种结果，均表现弱spr信号： a：pna探针“lie down”导致待检测rna不能与之杂交 b：pna探针浓度太高造成空间位阻使rna不能与之杂交利用dna预杂交的pna点样方法，结果如c所示：spr信号增强，即此时的pna杂交效率更高。此项研究工作以《reliable microspotting methodology for peptidenucleic acid layers with high hybridization efficiency on gold spr imaging chips》为题，被选为《analytical methods》封面文章，（扫描二维码可直达英文原文）。 扫描识别查看二维码阅读英文原文如您希望了解本研究中的仪器测试方法，还欢迎扫描下方二维码留言，与我们的技术专家咨询。 扫描识别查看二维码进行留言得益于这些研究人员的精益求精和探索精神，人类生活不断得到改善。未来，也许一只鞋都会比人更“机灵”。它可以自动调节大小、形状、温度、质地和颜色，还会在你需要时，自己滑动到你的双脚跟前。生物传感在不同领域的应用进步，不禁让人好奇，再过十年，我们的生活会发生怎样的变化呢？如果你有这方面的预想，不妨和我们交流一下吧！今日话题借助生物传感器，可能是这样：清晨，电视机察觉你醒了，自动播放新闻午间，咖啡机发现你累了，自发制作咖啡为你提神夜里，电灯感知到你的睡意，主动调暗灯光……除了这些酷炫的体验，你还有什么脑洞大开的想法呢？欢迎进行留言。免责说明horiba scientific公众号所发布内容（含图片）来源于文章原创作者提供或互联网转载。文章版权、数据及所述观点归原作者原出处所有，horiba scientific 发布及转载目的在于传递更多信息及用于网络分享，供读者自行参考及评述。如果您认为本文存在侵权之处，请与我们取得联系，我们会及进行处理。horiba scientific 力求数据严谨准确，如有任何失误失实，敬请读者不吝赐教批评指正。我们也热忱欢迎您投稿并发表您的观点和见解。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。

生物传感器由于其快速、准确、简便的特点，并且借助于目前微流控分析技术可实现高通量分析，在生命科学研究、疾病诊断和预后监控、环境质量监控、生物安全等领域具有广阔的应用前景。目前的研究主要集中在即时检测（POCT）、无创分析、在线检测、现场监测、细胞生物学应用等方面。光纤生物传感器由于其独特的高灵敏度、集成度高、抗电磁干扰、远程传输等特点受到了广泛关注。 长春光机所吴一辉研究团队致力于这一研究领域近10年，目标是为了实现癌症标志物的超低浓度检测，以期待对癌症的早期筛查和预后监测提供技术支撑降低癌症的发病率及死亡率。针对这一目标，该研究团队近期在光纤传感器的高灵敏度、高重复性、高特异性等方面取得重要研究进展，实现了从“能测”到“能用”的跨越。 针对微纳光纤耦合器的重复性差问题，提出结合熔融拉伸法和湿法腐蚀法的复合制备方法。在折射率为1.333的水和折射率为1.365的氯化钠液体介质中，通过该复合制备方法均可实现微纳光纤耦合器的色散转折点位置从1600nm至900nm的精确调控，精度优于1nm。并且通过制备色散转折点位置一致的光纤耦合器解决其重复性问题。该研究工作发表在国际期刊Journal of Lightwave Technology （JCR 1区，DOI:10.1109/JLT.2020.3033660，2021）上。 900-1600nm宽谱范围色散转折点精确可控调节 在高灵敏度色散转折点检测原理方面，提出一种全新的Z形锥形微纳光纤结构，，通过优化两种该结构微纳光纤的尺寸参数可以实现折射率的超高灵敏度检测，目前实现的灵敏度与微纳光纤耦合器灵敏度相当。相关的研究工作发表在国际光学期刊Optics Express（JCR 1区，https://doi.org/10.1364/OE.441874，2021）上。 Z型微纳光纤结构示意图 临床应用过程中，面对血清等复杂样本最大的挑战是血清中干扰蛋白产生的非特异性吸附，为了解决这一问题，该团队提出血清预吸附的方法，并在空白血清重合的前提下，实现了微纳光纤耦合器免疫传感器在宽动态范围的稀释血清中进行肿瘤标志物的无标检测。并且为了实现临床样本的无标定量检测，提出了一种基于标准血清波长偏移的方法来减少个体差异的影响。与吉大二院合作，首次展示了基于微纳光纤耦合器免疫传感器的人血清中CEA的无标记定量检测，检测结果与临床检查非常吻合。相关研究工作发表在国际传感领域权威期刊ACS Sensors（JCR 1区，https://doi.org/10.1021/acssensors.1c01031，2021）上。 无标定量检测方法 微纳光纤生物传感与临床化学发光法对临床癌症病人检测结果对比 针对微纳光纤传感器中获得高重复性、高灵敏度、高特异性的研究方法或结构目前已经申请国家发明专利，上述三篇论文的共通讯作者为长春光机所周文超副研究员和吴一辉研究员，该部分研究工作得到国家基金委重大科研仪器研制项目、国家自然科学面上项目、中科院青促会等项目的支持。

2013年12月10日，Hamilton(瑞士哈美顿)宣布已签署了一项协议，收购全球生物量监测公司Fogale Nanotech的生物传感器业务。这笔交易预计在2013年12月完成，具体交易金额没有披露。随着该项收购的完成，Hamilton成为唯一能提供所有有价值过程监测参数的传感器制造商，如pH、溶解氧和生物量。 　　据Hamilton实验室和传感器副总裁Jö rg Pochert介绍，FOGALE的生物传感器主要利用活细胞的介电性能，其优势在于只测量活细胞密度。不同于光学技术，该系统对于气泡、微载体、细胞碎片，以及悬浮液中的其它颗粒不敏感。(编译：杨娟)

美国国防高级研究计划局（DARPA）、西门子、美国陆军、佐治亚理工学院（Georgia Tech Research Institute）和 Paragraf（最近收购了Cardea Bio）合作，开发了一种利用石墨烯场效应晶体管的电子生物传感平台，该平台能够同时评估多个生物信号。这篇名为“A Single Multiomics Transistor for Electronic Detection of SARS-Cov2 Variants Antigen and Viral RNA Without Amplification”的论文登上了《Advanced Materials Technology》杂志的封面。这一成就标志着这种新型多组学方法的首次公开展示，也成为了首个能同时检测 COVID-19 蛋白质和 RNA 生物信号的方法。Paragraf San Diego 首席创新官说：“拥有一个可以在小型检测设备上同时检测蛋白质和 DNA/RNA 生物信号分析物的单一技术平台是一项重大的技术进步。虽然它最初会影响我们检测病毒感染的时间和地点，但随着时间的推移，它也将适用于其他类型的疾病。这将为任何类型的疾病或生物威胁提供新的、更好的、更快的诊断。”Paragraf 首席执行官补充说：“该项目是在 COVID-19 大流行期间启动的，旨在培育可以快速部署以检测新冠的技术，为未来的任何大流行设想一个灵活的多组学即时检测平台。”我们在圣地亚哥的 Paragraf 团队与合作伙伴一起成功完成了这项计划，实现了 DARPA 设定的目标。更重要的是，这一新颖的突破结合了 Paragraf 以标准半导体工艺大规模生产石墨烯电子产品的独特能力，标志着在护理点测试中可能出现的新方向的开始。”“到目前为止，PCR 一直是任何规模的 DNA/RNA 检测的支柱。然而，这项技术还不能成为一种方便或快速的护理资源。除此之外，抗体/抗原侧向流动测试是用于快速护理点蛋白质检测的首选工具，但它们本身无法提供 PCR 的实验室级准确性。这个多组学项目的成果代表了第一代新型多组学平台，具有相当的准确性和特异性，可以推动护理点疾病检测的水平。可以将其视为提供实验室级别的准确性以及方便和易于使用的横向流动测试。”首席商务官总结道。

Exploring Interfacial Graphene Oxide Reduction by Liquid Metals: Application in Selective Biosensing布鲁克纳米表面仪器部 李勇君 博士自室温和近室温液态金属（LMs）出现以来，此类材料因其软流体性质、高电子和热导率特性而受到研究者们越来越多的关注。其中，镓及其共晶合金因其低毒性和低蒸汽压等特性成为了LMs家族的典型代表之一，其可用于驱动表面化学反应，设计纳米结构等应用。到目前为止，众多研究者已经在 LMs 表面探索了多种反应，以生成基于层状材料和纳米粒子等不同涂层，但其表面在暴露于氧的情况下易形成天然氧化层而快速钝化，形成损害LMs导电性的绝缘表面，从而限制了在电化学和电子系统中的应用。因此，在LMs表面建立导电层，以实现高导电界面是对于需要电子、电荷转移这类应用的一种有前景和十分重要的策略。2021年11月，澳大利亚新南威尔士大学和中国香港大学的研究人员通过共晶镓（Ga）-铟（In）液态金属（EGaIn）与氧化石墨烯（GO）的界面相互作用成功实现了衬底上、单独GO的还原（rGO），合成了基于rGO与LM的核-壳复合材料(LM-rGO)。进一步，研究者通过布鲁克公司的原子力显微镜（AFM）、 峰值力扫描电化学显微镜（PF-SECM）、纳米红外光谱（nanoIR）、X射线能谱（EDS）等技术系统、详细地表征和讨论了LM对GO的还原能力，LM-rGO界面的相互作用，LM的界面传递，以及LM-rGO的电化学性能等，证实了LM−rGO是一种有效的功能材料和电极改性剂。最后，研究者基于LM-rGO开发出来的纸基电极实现了抗生物干扰的多巴胺选择性传感，展示了该低成本技术的商业应用前景。该项研究工作最终以“Exploring Interfacial Graphene Oxide Reduction by Liquid Metals: Application in Selective Biosensing”为题发表在2021年11月的《ACS NANO》杂志上。原文导读：研究背景：在过去十年中，自室温和近室温液态金属（LMs）出现以来，其在治疗学、微流体学、材料合成和催化等多个研究学科中得到了广泛的应用。作为LM家族的代表，镓及其共晶合金因其低毒性和低蒸汽压而倍受关注。具体而言，Ga基LMs的可调表面特性以及柔软、动态的界面使其成为合成多种材料的理想反应介质。基于Ga的LMs的另一个独特特性与Ga的不同氧化状态有关，这使得能够在电解或电流调节中调整氧化还原介导的合成路线。在界面上，LMs通常用于两种设想的合成路线：①作为柔软的超光滑模板，然后从表面剥离目标材料，②作为反应点和稳定载体，用于生成颗粒。将所有这些优点结合在一起，基于Ga的LMs可被视为有效的功能载体，为功能化合物的保留和生成提供了多功能界面。还原氧化石墨烯 (rGO) 是常用、流行的平面材料之一，其具有高导电性和跨平面的机械强度等特点。尽管研究者们已经提出了许多用于rGO 生产的方法，但开发一种高度可控的在室温下可行，并且对试剂的需求最少的还原方法仍然具有很大的前景。凭借其超反应性界面，可提供两种自由电子和离子，LMs 可能可以提供这样的反应介质，使 GO 薄膜和各种厚度的GO膜能够在室温下实现还原。一方面，LMs的动态可再生界面可用作重复使用的还原GO试剂，从而在无需任何外部输入（特别是施加电压）的情况下将成本和废物产生降至最低。 另一方面，LMs 的非极化表面可以轻松地从其表面捕获产生的 rGO，无需额外的化学步骤及可形成LM-rGO核-壳复合结构。在本研究中，研究者探索了共晶镓-铟 (EGaIn)和 GO 薄片之间的界面相互作用，考虑了不同的方法：包括利用 LMs 块体作为反应模板来还原GO 和利用LMs微颗粒作为的小型反应位点来合成复合材料。对于这两种情况，研究者都对 LMs表面的 rGO 进行了广泛的表征，以全面了解还原 rGO的特征和组成。 最后，研究者将合成的LM-rGO 微颗粒复合物用于标准电化学电池和电化学纸基分析装置 (ePAD) 中的传导表面改性修饰剂，用于在存在其他生物干扰的情况下对多巴胺 (DA) 进行选择性生物传感和检测。结果及讨论：为了研究LM对GO的界面影响，研究者考虑了不同的实验条件，包括使用LM块体作为软介质来还原不同厚度的GO膜、单独的膜，以及利用LM微液滴作为还原剂核心来生成LM-rGO核−壳复合结构。1. 衬底上GO膜的LM还原研究图1 a, 显示了衬底（Si/SiO2）上GO放入LM中还原的方法。通AFM表征还原前后的GO单层膜发现：LM处理后，单层膜膜厚从1.2 nm减小到了0.6 nm，膜厚的减小可归因于GO还原后变形的sp3碳结构和各种含氧官能团的去除。另外，通过对另外两个GO和rGO样品的AFM图像进行厚度统计分析，研究者进一步证实了暴露于LM后GO单层的厚度减少（图2，原文补充信息Figure S2）。在石墨结构的拉曼光谱中，D带（ID）和G带（IG）的强度之比被认为是石墨烯层内缺陷的指标，拉曼光谱显示LM还原前后的ID/IG从0.89变化到1.2，同时结合ID/IG拉曼成像（图1. d、e）可以进一步确认LM相对均匀地还原了GO单层。在这种方法中，LM大部分在设计的原电池中既是导体又是电解液。换句话说，导体本身可以提供一个充满离子和反应性金属位置的环境，而不是使用外部介质来移动负责电偶反应的电荷载体。LMs的柔软性还提供了液体块体和目标基板之间的有效界面接触，使所需的金属物种易于在表面上接触。图1. （a）基于衬底的GO的LM还原方法示意图 AFM图像：（b）暴露于LM前的GO样品和（c）LM反应后获得的rGO样品 （d）衬底上的GO和（e）浸入LM后获得rGO的拉曼光谱测量，D带和G带的表面拉曼成像及相应的ID/IG成像。图2. Si/SiO2衬底上不同样品的AFM成像和厚度分析：（a-b）LM还原前的GO样品和（c-d）LM还原后的rGO样品。2. 单独GO膜的LM还原研究为了进一步探索开发的基于LM的工艺能力，研究者探索了其独立薄膜GO的LM还原潜力。图3 a，显示了制备独立GO膜的LM还原方法。拉曼光谱证实了还原的有效性（图3c）。为了研究暴露于EGaIn前后表面官能团的分布，转移的厚rGO样品（~1.6 μm, 原文Figure S3-nanoIR表征的测量膜厚度）被进一步通过纳米红外光谱（nanoIR）进行了表征。如图3d所示，纳米红外成像是一种基于AFM的高空间分辨率化学成像和光谱研究技术，其中脉冲红外激光用于产生光热诱导共振和热膨胀。光吸收引起的膨胀激发了AFM悬臂梁的共振振荡，悬臂振荡的振幅正比于相应波长的红外光谱吸收。该技术被用于在高空间分辨率下评估GO和rGO样品中表面官能团的分布。从GO的纳米红外光谱（图3f）中可以看出，羰基峰1730 cm−1（C=O）具有很高的纳米红外振幅, 纳米红外成像也显示了GO表面上相对均匀的羰基分布。另外，GO样品的纳米红外光谱在1615 cm−1处也显示出明显的峰值，对应于GO中的C=C。同样，纳米红外光谱成像也显示了C=C分布的均匀性。GO和rGO之间的主要区别在于：rGO样品纳米红外光谱中羰基峰的消失（图3e），证实了厚GO样品的成功还原。纳米红外光谱中剩余的C=C振动（1593 cm−1），源自石墨烯环，在rGO纳米红外成像中也显示出高振幅和适当的分布（图2e）。最后，表征研究结果证实基于LM还原工艺也可以用于生成独立的rGO膜。图3.（a）单独GO的LM还原方法示意图 （b）单独GO膜的照片；（c）在暴露于LM之前和之后的GO薄膜拉曼光谱 （d）纳米红外光谱原理示意图 （e）浸入LM后获得rGO的纳米红外光谱、AFM表面形貌、偏转信号和C=C分布纳米红外成像 （f）浸入LM前GO的纳米红外光谱、AFM表面形貌、偏转信号和C=O、C=C分布纳米红外成像。3. LM-rGO复合材料的制备及表征为了探究GO还原过程的适用性，并在实际功能应用中了解LM微颗粒的还原能力，研究者进一步研究了在酸性GO悬浮液中通过超声波处理制备的LM-rGO复合材料。其合成过程的示意图如图4a所示。研究者通过透射电镜（TEM）证实并研究了LM-rGO核-壳结构，如图4b所示，球形LM颗粒被稳定的石墨片壳包裹，这表明粒子和LM颗粒表面的有效相互作用。另外，研究者也通过X射线能谱（EDS）完成了Ga， In，C，O元素的分析，EDS结果进一步证实了LM颗粒表面存在碳层和rGO片层的全覆盖。图4. （a） LM-rGO复合材料合成过程示意图 （b）LM-rGO核−壳结构的TEM图像 （c） SAED分析和HR-TEM图像 （d） LM-rGO不同放大倍数和角度下的SEM图 （e） LM-rGO表面的镓、铟、碳和氧元素的EDS成像。另外，为了收集更多关于合成复合材料元素组成的信息，研究者通过X射线光电子能谱（XPS）也对GO和LM-rGO复合材料进行了详细的研究。研究者也通过传统宏观傅里叶红外光谱（FT-IR）对LM-rGO表面官能团进行了研究，表明GO含氧官能团被广泛去除。4. LM-rGO复合材料的电化学行为由于LM-rGO复合材料具有高表面积、高活性界面和导电性等特点，可将合成的材料作为电活性改性修饰剂。因此，研究者在玻璃碳电极（GCE）和丝网印刷纸电极（PEs）上进行了大量的电化学性能评价，以探索LM基改性剂与纸张技术的相容性，以及开发低成本生物传感器的可能性。在这两种情况下，研究者采用电化学行为已知的亚铁氰化钾作氧化还原探针，并从电化学阻抗谱（EIS）响应、电活性表面积的变化等方面评估了改性剂对电化学性能的影响，并利用循环伏安法、微分脉冲伏安法、方波伏安法等多种电化学技术进行了表征。结果显示：LM-rGO改性修饰后的电极优于GCE和PE裸电极，证实了改性剂LM-rGO的优良电化学特性。另一方面，研究者也通过峰值力扫描电化学显微镜（PF-SECM）在纳米尺度对LM- rGO复合材料与电解溶液的界面电导率进行了评估，并研究了其表面的局部电化学活性。在PF-SECM方法中，利用AFM探针的纳米尖端和利用样品表面与针尖之间发生的可逆氧化还原反应，可以研究电荷转移的动力学。AFM探针纳米尖端可以实现表面高空间分辨率的电化学成像。PF-SECM操作示意图如图5a (原文Figure S9)，PF-SECM工作在布鲁克专利的峰值力轻敲（PFT）模式下，该模式下纳米探针在一定振幅和频率下振荡，以收集样品的形貌和导电性等信息。PF-SECM模式使用“interleave mode”，在每个振荡实例中，探针被提升到样品上方250 nm的距离。当探针从样品表面提升时记录探针尖端电流，而该探针在样品表面一定距离的电流，可用来表征样品表面电化学活性。本研究中，六胺钌氧化还原反应被用于PF-SECM成像。图5b显示了LM-rGO复合材料的形貌。图5c显示了与样品表面接触时的针尖电流，该电流既反映了样品在电解溶液中的界面局部电导率，又反映了样品表面的电化学活性。纯电化学活性数据（图5d）为AFM探针从样品表面250 nm提升高度处的探针测量电流，这证实了电荷转移可能发生在整个表面。LM-rGO微颗粒边界具有较大电化学活性，并与附近颗粒的壳相互连接。边界处电流的轻微增加是由于这些边界代表样品中的低洼区域（如山谷形状），具有高有效表面积，可再生还原剂六胺钌。PF-SECM测量结果显示LM-rGO在纳米尺度具有良好的整体电化学活性，电流可达1.7 nA。图5. PF-SECM原理和LM-rGO粒子PF-SECM分析结果：（a）PF-SECM工作原理示意图（RE、CE和WE分别对应于参比电极、对电极和工作电极）；（b） LM-rGO微粒的AFM图像；当针尖位于样品表面（c）（此处的电流代表界面电导率和电化学活性）和距离样品表面250 nm高度（d）（代表样品和电解质之间界面的电化学活性）时，针尖电流成像。5. 多巴胺的选择性传感在完成了前述的详细研究后，在抗坏血酸（AA）和尿酸（UA）存在的情况下，研究者采用了多巴胺（DA，重要的神经调节剂之一）进行了LM-rGO修饰电极用于DA检测的适用性和选择性评估。LM-rGO修饰，rGO修饰 (ErGO)和裸GCE电极的电化学EIS光谱被用来显示LM- rGO复合物中每个组件的作用。如图6a所示，ErGO显示表面DA反应的Rct值仍然较高（50.7Ω）。然而，在LM-rGO中， Rct值为20.3 Ω。这一观察结果证实了LM在系统电化学性能中的作用，与ErGO相比，LM产生的混合物对电荷转移的阻力更小。为了探索LM-rGO的作用，研究者将修饰剂、裸电极和修饰电极暴露于含有DA、AA和UA混合物的溶液中，然后记录了电化学信号（DPV和CV）。图6b、c、h显示了从裸电极， LM-rGO 修饰GCE和 PE的信号。结果可以看出：对于裸电极，DA、AA和UA的氧化还原峰显示出重叠和接近。然而，在修饰后，在不同的电位窗口中可观察到每种化合物相应的分离峰，因而证实在存在其他干扰化合物的情况下，直接测定DA成为可能。另外研究者也通过FT-IR测量了DA、AA和UA与LM-rGO的特定相互作用（图5f）。LM-rGO的FT-IR光谱显示，LM-rGO在低波数区（低于900 cm-1）尤其是在667 cm-1(代表Ga−OH基团) 表现出剧烈变化。LM-rGO表面的Ga−OH还原仅在存在AA中观察到，这为选择性峰移机制提供了证据。UA向高电位的选择性转移来源于LM-rGO表面剩余负电荷基团和带负电荷的UA分子之间的电荷排斥作用。因此，这种表面相互作用因为AA和UA的峰移，从而增强了DA的选择性。为了获得最大的传感响应，研究者对修饰材料的用量进行了优化。在最佳修饰膜厚度下，研究者获取了LM-rGO修饰GCE和PE的DA定量测定校准曲线。根据图6d，i中提供的结果，该传感器可定量测量100 nM至1500μM（GCE）和400 nM至750μM（PE）范围内的DA浓度水平，GCE和PE的灵敏度分别为30和100 nM。与GCE相比，尽管PE具有更高的电活性表面积，但观察到的动态范围更窄，灵敏度更低，这是由于PEs中已知的耗尽效应和有限的扩散。在不同浓度水平的DA和其他干扰化合物（包括AA、UA和葡萄糖（GLU），高浓度1.0 mM）共存的情况下，研究者也对界面选择性也进行了评估。图6e结果显示，DA的原始信号不会受到其他干扰物的影响，目标分析物DA的测量具有良好的选择性。最后，研究者在人血清样本中进一步研究了该传感器用于DA生物传感的适用性和选择性，结果证明：研究者设计的传感器在如此复杂的生物基质中的具有良好的准确度和精确度。图6.（a）裸GCE（i），LM-rGO修饰的GCE（ii）和ErGO修饰GCE（iii）的EIS光谱（DA用作电化学探针）；LM-rGO对GCE表面进行修饰前后，含有AA、DA和UA的混合物的CV（b）和DPV（c）信号；（d） LM-rGO修饰GCE的校准曲线，DA浓度从0到1500μM不等；（e）LM-rGO修饰GCE上进行的DA选择性试验，AA和UA浓度为1 mM；（f）LM-rGO，LM-rGO暴露于AA、UA和DA的FT-IR光谱；（g）ePAD的结构图像和 LM-rGO修饰前后PE表面的显微图像；（h）LM−rGO进行表面修饰前后，含有DA、UA和AA混合物的DPV测量信号；（i）LM-rGO修饰PE的校准曲线，DA浓度从0到750μM不等；分别使用Ag/AgCl和碳准参比电极测量从GCE和PE获得的电化学信号。 研究结论：在本研究中，研究者探索了室温LMs和GO薄片之间的界面相互作用。证明了LM和GO之间存在很强的电偶相互作用，这可以用于生成rGO单层膜和rGO厚膜。研究者对所制备的rGO样品进行了AFM，nanoIR， EDS和PF-SECM等详细表征，实验结果确认通过LM能均匀有效地还原GO薄片。研究者所提出的基于LM的rGO生产方法，有望实现rGO独立膜和衬底支撑单层膜的简易合成。此外，这种界面作用也被用于合成LM-rGO核−壳复合结构。研究者对LM-rGO修饰电极进行的电化学表征显示在AA和UA存在下LM-rGO修饰电极对DA具有良好的选择性，可用于生物传感。总之，本研究显示了LMs对GO薄片室温的还原能力，以及展示了构建功能性应用的可能性。类似利用LMs的界面特性的工艺，可以在未来的研究和工业应用中具有大量潜在应用前景。Bruker公司的AFM，nanoIR，PF-SECM，EDS等纳米技术手段因其高空间分辨率的形貌，纳米光谱和化学成像，纳米电化学，纳米元素分析的能力，将为各类复合材料纳米结构的界面研究提供新的多样化表征手段和研究方法。原文链接：Mahroo Baharfar, Mohannad Mayyas, Mohammad Rahbar, Francois-Marie Allioux, Jianbo Tang, Yifang Wang, Zhenbang Cao, Franco Centurion, Rouhollah Jalili, Guozhen Liu, and Kourosh Kalantar-Zadeh，Exploring Interfacial Graphene Oxide Reduction by Liquid Metals: Application in Selective Biosensing，ACS Nano,（2021）15 (12), 19661-19671https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.1c06973?ref=PDF

作为一种新型的二维纳米材料，石墨烯以其独特的物理性质引起了极大的关注。和其它结构相比，石墨烯具有极高的电导率、热导率、及出色的机械强度 并且作为单原子平面二维晶体，石墨烯在高灵敏度检测领域具有独特的优势。然而目前人们对石墨烯与生物的界面却知之甚少，这一问题的研究对于石墨烯能否应用于生物电子学至关重要。 　　国家纳米科学中心方英课题组和美国哈佛大学Lieber课题组合作首次成功制备了石墨烯与动物心肌细胞的人造突触。研究人员首先通过纳米加工技术得到高信噪比的石墨烯场效应晶体管集成芯片，进而在芯片表面培养鸡胚胎心脏细胞。研究发现，石墨烯和单个心肌细胞之间形成稳定接触，实现了对细胞电生理信号的高灵敏度、非侵入式检测。更重要的是，该研究第一次实现了通过门电势的偏置引起同一石墨烯器件n型和p型工作模式的转变，进而在细胞电生理过程中得到了相反极性的石墨烯电导信号，充分证明了测量生物信号的电学本质。另外，研究人员进一步比较了不同尺寸石墨烯生物传感器、石墨烯与硅纳米线集成传感体系对同一心肌细胞的检测，为发展高集成纳米生物传感阵列提供了理论指导和实验基础。 　　该项工作建立了一维、二维纳米材料与细胞相结合的独特研究体系，将为生物电子学的研究带来新的机遇。相关结果已经发表在2010年3月的Nano Letters上(http://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/nl1002608,)，上述研究工作得到中国科学院院长特别基金和国家自然基金委面上项目的支持。

加拿大研究人员在美国化学会《ACS纳米》上发表论文称，他们开发出一种生物传感器，可帮助医生从微小的血液样本中精确诊断出脑癌。图片来源：ACS纳米根据美国国家癌症研究所的数据，脑肿瘤的死亡率很高，5年生存率仅为36%。更准确的诊断或会改善这种情况，但组织活检具有侵入性，且可能会错过有关肿瘤组成的重要信息；而基于成像的方法又无法提供足够的灵敏度和分辨率。为了有效治疗脑癌，医生不仅需要确认恶性肿瘤的存在，还需要确定它是起源于此（原发性肿瘤）还是从其他器官转移到大脑（继发性肿瘤）。医生还需要知道肿瘤位于器官的哪个位置。由于现在没有诊断技术可在无手术或痛苦的脊椎穿刺的情况下完成这一任务，研究人员希望开发一种使用少量血清的无创测试方法。研究人员使用高强度激光束在镍芯片上产生3D镍—镍氧化物纳米层。通过这个过程形成的超敏生物传感器能检测出微量的肿瘤衍生物质，如核酸、蛋白质和脂质，这些物质通过血脑屏障进入循环。传感器使用表面增强拉曼光谱法检测这些组分，该方法为每个样品生成分子谱或指纹。然后，研究人员使用深度神经网络分析这些特征，以找到脑肿瘤的证据并确定其类型，并预测其在大脑中的位置。使用液体活检平台，研究人员可从5微升血清中检测出脑癌，还可将其与乳腺癌、肺癌和结肠直肠癌区分开来，具有100%的特异性和敏感性。他们在区分原发性脑肿瘤和从肺或乳腺转移到大脑的继发性肿瘤方面取得了类似的成功。新技术使研究人员能以96%的准确率确定肿瘤位于9个脑区室中的哪一个。研究人员说，该测试的非侵入性允许随着时间的推移监测癌症的发展，以便医生作出更好的治疗决策。

水环境监测与生物传感技术的发展随着我国数千城市污水处理厂的运行，水中常规污染物得到了大幅度的削减。水中具有生态环境风险的微量污染物越来越引起关注，并将成为下一个污水处理的重点。水中微量污染物监测仪器是此类污染物控制的关键装备之一。本报告介绍一种基于生物传感技术的水中微量污染物在线监测仪器，包括仪器的原理、结构、监测效果和应用案例。为水中生态环境风险污染物控制提供新型的监测手段。

随着科技的进步，传感器和光学元件都将趋于小型化和集成化。有机低维纳米材料由于其独特的结构和新颖的物理、化学性质，在生物传感、纳米光子学领域中展现出广阔的应用前景。近日，据国际知名期刊《Advanced Materials》报道，中国科学院化学研究所光化学院重点实验室利用高比表面积的一维纳米材料，制备出一种更加灵敏的电化学发光纳米生物传感器。该项研究也为低维纳米材料制备生物传感器提供了重要的理论和实验依据。 　　从细菌到人，所有生物都在使用&ldquo 生物分子开关&rdquo 来监测环境。此类&ldquo 开关&rdquo ，即由RNA或蛋白制成、可改变形状的分子。这些&ldquo 分子开关&rdquo 的诱人之处在于：它们很小，足以在细胞内&ldquo 办公&rdquo ，而且非常有针对性，足以应付非常复杂的环境。受到这些天然&ldquo 开关&rdquo 的启发，纳米生物传感器应运而生。 　　据中科院相关人员介绍，生物传感器是用固定化的生物体成分，如酶、抗原、抗体、激素等，或者是生物体本身的细胞、细胞器、组织等作为传感元件制成的传感器。按所用分子识别元件的不同，生物传感器可分为酶传感器、微生物传感器、组织传感器、细胞器传感器、免疫传感器等 按信号转换元件的不同可分为电化学生物传感器、半导体生物传感器、测热型生物传感器、测光型生物传感器、测声型生物传感器等。其中，电化学生物传感器由于具有体积小、分辨率高、响应时间短、所需样品少、对活细胞损伤小等特点，广泛应用于医药工业、食品检测和环境保护等领域。 　　如今，纳米技术的介入更是为电化学生物传感器的发展提供了新的活力。纳米材料具有小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应及宏观量子隧道效应等，使得其表现出奇异的化学、物理性质。例如常见的碳纳米材料，特别是碳纳米管、石墨烯等，就表现出优良的力学性能、导电性能、表面性能及独特的电化学性质。此前，研究人员就曾用琼脂糖将葡萄糖氧化酶和连接了二茂铁的单壁碳纳米管固定在玻碳电极表面，实现了对葡萄糖的快速灵敏检测。碳纳米管的引入还能够显著提高电化学敏感膜中电活性物质的氧化还原可逆性，同时消除了溶解氧对测定的干扰。纳米材料应用于电化学生物传感器领域后，不仅提高了传感器的检测性能，而且提升了传感器的化学和物理性质以及它对生物分子或细胞的检测灵敏度，检测时间也得以缩短，与此同时还实现了高通量的实时分析检测。 　　随着纳米技术和生物传感器交叉融合的发展，越来越多的新型纳米生物传感器涌现出来，如量子点、DNA、寡核苷配体等纳米生物传感器。未来纳米生物传感器的发展方向应该是集成多功能、便携式、一次性的快速检测分析机器，它可以广泛用于食品、环境、战场、人体疾病等领域的快速检测。例如，食品和饮料中病原体或者农药残留成分的快速灵敏检测 环境中污染气体或者污染金属离子等远程检测和控制 人体血液成分和病原体的快速实时检测，以及战场生化武器和爆炸物的快速检测。 　　但是与此同时，新一代纳米生物传感器同样面临诸多挑战，如更高灵敏度、特异性、生物相容性、集成多种技术、检测方法简化、制备工艺、批量化生产、成本效益等。对此，这一生物传感器的研发课题组专家表示，分子自组装加工工艺简单可控，可以实现快速复制，而且成本较低，对生物传感器的发展有很重要的促进作用，有利于高灵敏度、低成本、一次性纳米生物传感器的发展。而生物分子自组装技术更值得关注，它具有天然的生物兼容性、优异的结合性能，或将成为生物传感器发展的另一个全新领域。

今天介绍一篇于2023年8月发表在Trends in Analytical Chemistry（IF=13.1）上的一篇综述性文章。该综述简要介绍了生物毒素（真菌毒素、海洋毒素和细菌性食物毒素）的流行、毒理学特征和分类。同时，总结了近年来针对生物毒素的高灵敏度生物传感器的重要技术进展并介绍了这些方法不同的传感模式。最后，基于生物传感器面临的各种挑战，为改进食品安全技术提供了重要见解。中国农科院油料所唐晓倩副研究员为第一作者，硕士研究生左家思为共同一作。中国农科院李培武院士和张奇研究员以及浙江大学平建峰教授为通讯作者。成果简介生物毒素，特别是真菌毒素、海洋毒素和细菌性食物毒素，已成为食品、饲料、海鲜和医学领域的主要威胁。它们对人类具有潜在的致癌、致畸和致突变作用，偶尔会导致高死亡率和高发病率。其中一个明显的问题与快餐的使用越来越多以及对预制食品的需求有关，而没有适当认识到相关毒素。因此，开发更好的生物毒素监测方法具有重要意义。近年来，生物传感器因其检测过程简单快速、样品体积小、成本低等优点而得到越来越多的应用。本研究旨在总结近年来生物传感器在生物毒素检测中的应用，特别是其在光学、电化学、压电和光热方面的应用。此外，不同的检测平台被集成为生物毒素的多模式组合生物传感器，以满足高精度技术的要求。这项研究考察了生物传感器面临的主要挑战，并为改进食品安全技术提供了新的见解。研究亮点1.总结了生物毒素的流行、病理学和分类。2.介绍了生物传感器在光学、电化学和光热等方面的生物毒素检测的应用。3.针对生物传感器所面临的挑战，对食品安全技术的改进提供了新见解。图1.常见生物传感器的示意图。图2.(A) M13噬菌体作为纳米酶容器的化学修饰，增强比色免疫分析。(B)智能手机-ICA检测ZEN的原理图。(C)基于智能手机与PCFNs-FICA集成的AFB1检测的读取系统方案和图像。(D)水分散铅笔合成原理图图3.（A） 基于表面等离子体偶联CL（SPCC）策略的三种真菌毒素多重免疫测定的示意图。SPCC免疫传感器阵列包含3*12个传感位点，主要分两步可同时检测36个样本。（B） 用于MC-RR检测的CL适体传感器示意图。（C） 用于谷物OTA检测的BPE-ECL生物传感器的示意图。（D） 用于OTA检测的基于CdSe/CdS量子点的ECL适体传感器的制备。图4.（A） 核壳合成采用的策略Au@AgNPs和Ag@AuNPs以及抗SEA抗体的共价生物偶联和SEA的检测。（B） AFM1的基于SERS的侧流免疫传感测定的图解。图5.（A） DON适体传感器的制造过程示意图和PtPd NPs/PEI-rGO制备步骤的简化图。（B） 基于适体的传感器和QCM检测系统的检测原理。（C） 多信号读出系统的构建过程。（D） 掺入Ru（bpy）32þ（SAQDsRu）的金黄色葡萄球菌生物合成量子点的制备工艺示意图和SAQDsRu双模ICA的检测原理。研究结论 考虑到生物毒素对人体健康和食品安全的有害影响，迫切需要研究探索生物毒素生物传感器的开发。在本研究中，我们简要介绍了生物毒素的流行、毒理学特征和分类。此外，我们总结了用于生物毒素的高灵敏度生物传感器的最新重要技术发展，并强调了它们与常见传感器类别相关的传感模式，如荧光、比色、化学发光、ECL、SERS、SPR、LSPR、电化学和PZ传感器。尽管目前可用的生物传感器在生物毒素分析方面有着广阔的前景，但仍有一些挑战有待解决。因此，今后的研究应侧重于以下问题。（1） 应为快速生物毒素分析过程制定更简单的提取和清理程序，以省略精密仪器的使用。（2） 应使用公差特异性识别材料进行单组分特异性检测，或应使用公差通用识别材料检测一类物质，以克服食品样品基质的影响。应提高生物材料和靶标的识别效率，包括界面材料的生物相容性、生物材料的改性等。（3） 由于信号分量的大批量变化，现有的信号放大策略往往导致检测结果不准确。重点应该是开发一种合成过程简单、稳定性好、信号放大率高的黄金策略。应开发近红外区域的纳米材料以避免自发荧光。（4） 利用光谱等方法建立样品中生物毒素的实时检测，无需样品预处理。（5） 开发便携式、小型化的现场检测仪器。随着检测技术、便携设备和大数据的发展，智能生物传感器可能会继续在生物毒素检测中发挥关键作用，以满足市场应用和政府监管的需求。原文链接：https://doi.org/10.1016/j.trac.2023.117144

传统重金属检测方法依赖大型仪器，需要复杂繁琐的前处理过程、高昂的检测成本和较长的检测周期。同时，传统检测方法面临着灵敏度不高和智能化程度低的问题。因此，亟需建立高灵敏度及智能化重金属检测方法，以弥补传统方法的不足。生物传感器是快速检测方法，具有响应迅速、成本低、灵敏度高及便于携带等优点，可以较好地克服传统检测方法的局限，在重金属简单、快速、高灵敏检测方面颇具应用前景。中国科学院地球化学研究所环境地球化学国家重点实验室研究员刘承帅团队与广东省科学院生态环境与土壤研究所研究员陈俊华等，建立了以功能核酸为分子识别元件的重金属生物传感器，实现了对重金属的超灵敏、智能化快速检测，并构建了土壤有效态重金属检测新方法。 该团队建立了DNA网状纳米结构生物传感器，实现了对土壤重金属的超灵敏检测。科研人员创新性地以双茎环DNA探针为自组装元件。当反应体系存在待检重金属（以铀离子为例），释放的核酸片段可激活DNA组装，经过多重循环的核酸杂交及链置换反应，形成DNA网状纳米结构的荧光生物传感器。该荧光生物传感器对铀离子的检测线性范围为10 pM到1 mM，检测限为2 pM，可实现对土壤样品中痕量铀污染的超灵敏检测。该荧光生物传感器操作简单、响应迅速、信号扩增效率高效，为土壤重金属的超灵敏检测提供了新方法。该研究建立了分子逻辑门生物传感器，在分子水平上实现了重金属的智能化检测。研究以有效态铅和有效态镉两种重金属为目标物，基于二进制原理，以0和1对重金属进行编码，以功能核酸为重金属分子识别元件，通过核酸并行运算和杂交反应，构建了多种分子逻辑门生物传感器，包括OR、AND、XOR、INHIBIT、半加器、半减器等。在生物传感逻辑运算中，0表示检测体系中不存在有效态铅或镉；1表示检测体系中存在有效态铅或镉。以FAM和Cy5进行双通道荧光标记，根据真值表排布，不同的重金属组合会产生不同的荧光输出信号，从而在分子水平上为重金属的智能化检测提供了一套新的传感体系。该工作建立了DNA荧光生物传感器，实现了对土壤有效态重金属的免萃取、简单、快速检测。目前，土壤有效态重金属检测方法较多，如BCR法、Maiz三步连续提取方法、Tessier五步连续提取法、DTPA-CaCl2法等，但适用条件等存在争议。例如，强酸强碱等化学试剂介导的重金属萃取难以反映土壤中有效态重金属的真实含量。同时，这些方法需要连续多步的萃取分离过程，步骤繁琐且耗时较长。因此，探索构建无需消解萃取且可真实反应土壤中有效态重金属含量的快速检测方法具有重要意义。该团队以生命体基元DNA为有效态重金属识别探针，通过DNA识别、切割以及信号转换，构建了DNA荧光生物传感器，实现了对土壤有效态重金属（铅、镉、铜等）的快速检测。该方法操作简单、无需复杂的连续萃取过程，同时，DNA探针混合即可检测，响应迅速，方便现场快速分析。该荧光生物传感器对有效态铅的检测灵敏度可达0.2 pM，用于土壤样品有效态重金属检测时，与传统DTPA-CaCl2法相比，误差小于10%，具有高灵敏度和高特异性，可满足复杂样品中有效态重金属检测需求。相关研究成果分别发表在Analytical Chemistry、Talanta和Science of The Total Environment上。相关技术已申请发明专利。研究工作得到国家重点研发划、国家自然科学基金和贵州省高水平人才项目等的支持。 （A）DNA网状纳米结构生物传感器检测重金属原理；（B）原子力显微镜表征组装的DNA纳米结构；（C）检测限和检测灵敏度分析（A）分子逻辑门生物传感器用于有效态重金属的智能化检测；（B）半加器分子逻辑门生物传感器结果；（C）半减器分子逻辑门生物传感器结果；（D）半加器分子逻辑运算真值表；（E）半减器分子逻辑运算真值表（A）DNA荧光生物传感器用于有效态重金属检测原理；（B）有效态重金属检测灵敏度分析结果

近期，俄罗斯科学家开发出了一种新的激光技术，用于制造新颖的光学生物传感器，这种传感器能够在几秒钟内识别感染性疾病。该装置通过红外光来显示有害的细菌和病毒，可以在大型的交通枢纽，如机场等需要不断监测大量的客流的环境下得到广泛应用。　　这项研究发表在《激光物理快报》杂志上。该传感器是由一个规则微穿孔化的银纳米薄膜沉积在由天然矿物萤石支撑的透明基板上制作而成。生物材料样本，如刮下的鼻粘膜的样品被放置在薄膜上。然后，这一薄膜曝光在一个普通实验室中的红外光谱仪的红外光中。通过获取通过样品的光谱，研究人员可以推断出特定的细菌或病毒的存在。　　为了证明新型生物传感平台可以立即检测病原微生物，科学家们使用了一种常见的细菌进行实验，金黄色葡萄球菌。　　这种快速分析可能被广泛应用于大型交通枢纽，如机场这种需要不断对流通乘客进行健康监测的环境下。目前，这种还是通过热成像摄像机跟踪体温来实现。一个发烧的乘客可能是一个潜在的感染源。在这种情况下，一个清晰的分析是必要的，要辨别出来该人是否实际上是生病了，还是什么别的原因。利用现有的方法调查生物材料，如聚合酶链式反应方法要需要几天。与之相反的是，这种新技术可以立即提供出检测的结果。　　这项研究由机械与光学大学、国家核研究大学、列别捷夫物理研究所、莫斯科物理技术研究所的科学家主导进行，并与莫斯科传染病临床医院展开了密切合作。　　这种新的生物传感器的另一个优点是它的灵敏度。“光学生物传感器，使用我们的技术可以检测单个细菌，”Sergey Kudryashov说，他是机械与光学大学激光技术与仪器学院和列别捷夫物理研究所气体激光器实验室的领导研究员。“在一些公共机构，如幼儿园、学校内传染病的早期诊断，特别对于高校的季节性流行病有很好的帮助。对于在传染病医院的医生来说，这种技术可以是一个宝贵的资产，可用于早期和更快的诊断。”　　该生物传感器的灵敏度归功于银质薄膜的光栅状结构。当红外线通过传感器时，它会定期地分布在表面上。随着光照强度变高微孔会转变成热点。生物材料中含有的微生物会在热点中有效地填充孔和吸附，这增加了他们的检测的概率。　　数以百万计的微观孔利用激光进行切割，这是通过衍射光学元件进行空间复用成微束，使研究人员能够使传感器的生产自动化和更迅速。　　“到现在为止，这样的传感器只能通过高倍率放大的电子显微镜才能看到，所以实际的实验室分析是不可能的。我们的方法可以允许这种微孔结构覆盖更大的面积，扩展到一平方厘米面积，用以制作出应用在实际实验应用传感的原型，以方便生物材料更好的适配，”Sergey Kudryashov说。　　对于光学生物传感的反洗方法并不是新创的，而只是实施过程中效果不佳。这是由于一个事实，早期的技术并不能制造真正的原型，即可用在实验室环境中进行测试和临床中实践。　　这在把这项新技术用于医疗实践之前，提出了另一个科学家必须进行解决重大的挑战，细菌(红外光谱库)的参考数据库的建立，即被用来与从红外光谱仪形成的数据进行比较。　　红外光谱仪的读数总是要与这种光谱数据库进行比较，即某些官能团分子的红外活性指纹的目录库。例如，在研究中使用的金黄色葡萄球菌，有它自己的指纹，来自胡萝卜素的类胡萝卜素片段，而胡萝卜素即是负责其颜色的一种物质。　　科学家们希望在未来，由于较低的生产成本和快速的制造工艺，以及更常见的基板材料的使用，新的光学生物传感器平台将得到广泛的实际应用。此外，根据研究人员的说明，一旦光谱库被校准，传感器将能够识别不仅是致病微生物的类型，且会包括它们的近似类型。

糖尿病是一种流行慢性代谢性疾病，具有多种临床表现和并发症，是死亡的主要原因之一。连续血糖监测可加强糖尿病管理，通过及时了解血糖水平波动情况来调整治疗方案，可减少住院次数并节约医疗费用，减少无效药物的使用从而挽救生命。微针系统在糖尿病的持续和实时监测方面有着巨大的前景，其可在不触及痛点的情况下到达真皮，并且可以降低感染的可能性，有着更高的安全性。已有不少研究者开发出了用于糖尿病监测的微针生物传感器。然而，这些传感器的血糖检测范围仍然有限，这使得对血糖水平高的患者的监测不准确，且对实时的葡萄糖浓度的反映不够灵敏。此外，目前尚未有相关传感器将工作电极、参比电极和计数电极集成在同一芯片中。近日，北京大学崔悦课题组首次展示了集成微针生物传感装置对糖尿病的连续监测。该装置采用3D打印工艺、电镀工艺和酶固定化步骤制造。将该装置插入小鼠皮肤真皮层，对正常或糖尿病小鼠皮下葡萄糖水平的监测具有准确的传感性能。检测结果与商业血糖仪的检测结果水平相当。这项研究有望为糖尿病的监测和治疗提供有效的途径，同时也为皮下电子设备的基础研究开辟道路。相关研究结果以“Continuous monitoring of diabetes with an integrated microneedle biosensing device through 3D printing”为题发表于《Microsystems & Nanoengineering》。文章链接：https://doi.org/10.1038/s41378-021-00302-w图1 微针生物传感器件整体方案及材料表征。其中使用了不同设备打印了不同尺寸的锥形微针阵列，如图e, f所示。图e中的微针高度约为0.8 mm，底部直径为0.4 mm，间距为0.2 mm。（SprintRay Technology Ltd., China）图f中的微针高度约为0.5 mm，底部直径为0.1 mm，间距为0.4 mm。(nanoArch S140, 摩方精密)该工作设计并使用面投影微立体光刻技术（nanoArch S140, 摩方精密；MoonRay, SprintRay Technology Ltd.）打印了9×9的微针阵列，单个微针的结构为锥形。微针阵列确保工作电极和皮肤之间有足够的接触面积，通过减小器件尺寸，形成稳定的传感器-皮肤界面。微针生物传感器采用双电极结构，包括普鲁士蓝涂层的Au工作电极和Ag/AgCl计数器/参比电极。每个电极占据一定的微针阵列，使用磁控溅射在微针表面镀上Au或Ag，Ag/AgCl层由Ag层的氯化作用得到，Au电极上的普鲁士蓝涂层采用电镀工艺制得。最后，将葡萄糖氧化酶固定在传感器的Au工作电极上。整个传感器构建完成后，将微针插入小鼠皮肤真皮层。在皮下葡萄糖的存在下，工作电极上的酶促反应产生H2O2，从而产生电流信号响应。该生物传感装置在缓冲溶液、等离子体和模拟ISF中显示出可靠和稳定的葡萄糖检测，微加工和电化学镀步骤使传感器能够线性和灵敏地检测葡萄糖，且检测范围得到拓宽。进一步地，将传感器插入小鼠皮肤真皮层，传感器在小鼠进食或被注射胰岛素的情况下，能够准确地连续实时监测皮下葡萄糖水平。图2 微针阵列传感器的制备工艺及其检测H2O2的性能。图3 生物传感装置在不同环境下的选择性和稳定性。图4 用生物传感装置对不同溶液中的葡萄糖进行体外传感。图5 用生物传感装置对小鼠皮下葡萄糖进行体内监测。