人体检测传感器

外泌体作为一种直径约30-150 nm的脂质双层膜囊泡，几乎所有的细胞均可分泌，广泛分布于人体体液中。外泌体携带着起源细胞的多种物质，如膜蛋白、核酸、脂质等，在肿瘤的发生、发展和转移中起着至关重要的作用，是早期癌症临床诊断中的一类重要标志物。电化学方法具有稳定性强、灵敏度高、易操作等特点，使其在临床诊断、生物传感、环境监测等方面得到了广泛的应用。采用电化学生物传感技术实现外泌体的高灵敏精准检测对于癌症的早期诊断、疗效评价及预后分析具有重要意义。　　近期，中国科学院苏州生物医学工程技术研究所与中科院重庆绿色智能技术研究院研究人员开发了一种基于二维过渡金属碳/氮化物MXene材料的新型电化学传感器，用于外泌体的识别与检测。MXene作为一种新兴的二维材料，具备大的比表面积、高的导电性以及较强的催化能力，针对该材料的研究丰富了其在催化、电容器、生物传感和成像等领域中的应用。　　在该研究中，研究人员通过真空辅助的方法制备二维MXene平面膜，并利用电化学外加电位作用在二维膜表面负载金（Au）纳米阵列，得到Au-MXene二维复合膜。一方面，该方法利用了MXene二维材料构筑成膜，能够负载大量的上皮细胞粘附分子蛋白适配体，特异性识别捕获外泌体；另一方面，通过超速离心分离纯化肺癌细胞（A549）分泌的外泌体，对其进行溶酶体相关膜蛋白适配体修饰，能够填充复合膜表面未结合的活性位点，进一步放大检测信号。结果表明，所构建的电化学传感器对外泌体的检出限可以达到每毫升58个，具有良好的重复性、宽的检测范围以及高的灵敏度。该研究为外泌体的精准检测提供了一种高灵敏的新平台，也拓宽了二维材料在生物传感领域的应用。　　相关研究成果以Hierarchical Au nanoarrays functionalized 2D Ti2CTx MXene membranes for the detection of exosomes isolated from human lung carcinoma cells为题发表在Biosensors and Bioelectronics上。研究工作获得了国家重点研发计划、国家自然科学基金委、江苏省自然科学基金等的资助。二维材料复合膜用于外泌体检测示意图

手机爆炸、电动汽车行驶或充电过程中的火灾事故在生活中经常可见，让人们在享受锂电池带来的便利的同时，也担心其在安全方面的重大问题。如何降低这一风险？近日，中国科学技术大学教授孙金华、研究员王青松团队与暨南大学教授郭团团队研制出一款可植入电池内部的高精度光纤传感器。相关研究成果日前在线发表于《自然-通讯》。“这款高精度光纤传感器可以在1000摄氏度的高温、高压环境下正常工作，同步测量出电池热失控全过程内部温度和压力，为快速切断电池热失控链式反应提供预警手段。”王青松向《中国科学报》介绍。破解国际性科学难题手机、笔记本电脑、电动自行车、电动汽车中都有一个关键部件——锂离子电池。随着全球范围内能源危机的出现、“双碳”目标的驱动，锂离子电池产业迅速发展。然而，锂离子电池常常会发生爆炸，也就是热失控，这是威胁电池安全的“癌症”，是制约电动汽车与新型储能规模化发展的瓶颈。研究表明，电池热失控源于电池内部一系列复杂且相互关联的“链式反应”。“这可以从电池内部和外部两方面讨论。从内部来看，电池由正负极、电解液、隔膜等组成，其中电解液和隔膜都是易燃物，正负极和电解液在一定温度下又会产生化学反应，进而产生热量和可燃气体。也就是说，电池内部本身就是一个热不稳定的体系。”王青松说。从外部来看，电池在使用过程中容易出现各种外部滥用：电滥用，如过充、过放等；热滥用，如高温、局部发热等；机械滥用，如撞击、挤压等。这些外部滥用会造成电池内部材料发生一系列连锁化学反应，电池内部温度快速提升，最高可达800摄氏度，导致电池起火或爆炸。如何科学、及时、准确地预判电池安全隐患，是当前电池安全领域的国际性科学难题。为攻克这一难题，研究团队提出一种可植入电池内部的高精度光纤传感器，在国际上率先实现对商业化锂电池热失控全过程的精准分析与提早预警。《自然-通讯》的一位审稿专家评价道，“该研究有助于电池健康状态监测，并在不可逆损害前发出预警信号。”小巧光纤实时监测电池健康状态将光纤植入电池，并非王青松等人首创。因光纤传感器具备体积小、重量轻、耐受高温高压、耐受电解液腐蚀等优势，前人将其植入电池。但他们主要测量的是电池循环过程中的内部参数，从未涉足电池热失控监测领域。于是，王青松等人想将光纤植入电池内部，以监测电池热失控过程，并探索电池内部参数能否为电池热失控预警提供新思路。研究思路有了，做起来却非常难，因为现有的大多数光纤传感器无法在热失控过程中“幸存”。王青松解释说，电池热失控过程中，内部压力高达2MPa、温度高达500至800摄氏度，在这种高温高压的冲击下，光纤信号会中断，无法测得电池内部温度和压力数据。研究的关键是开发一款“健壮”的光纤传感器。他们与郭团团队联合攻关，多次改进光纤结构，开展热失控实验，反复修改和验证，最终通过对光纤进行套管保护，在保证内部信号传输的同时解决了光纤容易断的难题。“这款高精度光纤传感器总长度12毫米、直径125毫米，能够植入商业18650电池，实时监测电池热失控期间的内部温度和压力影响。”王青松向《中国科学报》介绍了光纤传感器的结构。相比现有的外部监测技术，内部光纤传感技术更具有及时性、灵活性。“就好比人们患病，当感知到疼痛时，往往为时已晚。这就像电池外部特征的变化一般都是滞后的。”王青松解释道，“而去医院体检，可以通过CT等看到内部器官变化，从而预知疾病的发生，并通过治疗手段阻止疾病进一步发展。但这种大型设备体积庞大，无法随时随地监测内部状态变化。如果在人体内植入芯片，就可以做到实时跟踪预警。就像在电池内部植入光纤传感器，可以做到实时监测预警。”值得一提的是，该研究通过解析压力和温度变化速率，首次发现温度和压力变化速率的转变点可作为电池热失控早期预警区间。该发现适用于不同电量的电池，能够在电池内部发生“不可逆反应”之前发出预警信号，保证了电池后续的安全使用。用于同时监测电池内温度和压力的FBG/FPI传感器工作原理适合大规模推行量产在王青松看来，光纤传感器尺寸小、形状灵活，具有抗电干扰性和远程操作的能力和适合大规模生产的标准制造技术，并且可以实现一根光纤在电池的多个位置同时监测温度、压力、气体组分、离子浓度等多种关键参数。光纤传感技术与电池的结合将在新能源汽车、储能电站安全监测等领域发挥重要作用。为此，研究团队将探索光纤传感器在大容量储能电池中的应用。“大容量储能电池热失控相比此次研究中的18650电池更加剧烈，并且其热失控特性和机理与小电池有所差异，这将是对我们研究的进一步考验。”王青松说。另一方面，团队将与电池制造商合作，希望在电池制作过程中植入光纤传感器，避免对电池二次破坏，加快光纤传感在储能和新能源汽车电池管理系统中的应用进程。相关论文信息：https://www.nature.com/articles/s41467-023-40995-3

3月17日，“智能传感器”重点专项“跨地域复杂油气管网安全高效运行状态监测传感系统及应用”课题“高精度多组分气体检测传感器研制”启动会在安光所召开，会议由张志荣研究员主持。 　　项目承担单位国家石油天然气管网集团有限公司陈朋超教授级高工、课题承担单位中科院合肥物质院张志荣研究员、课题参与单位国家石油天然气管网集团有限公司科学技术研究总院蔡永军副总监等相关科技人员20余人通过线上线下形式参加了交流会。 　　课题负责人张志荣研究员就承担的研究任务、总体目标、实施方案、研究队伍等进行了汇报。该课题主要针对油气管网微小泄漏感知能力不足、特殊场景传感器缺乏、区域站场泄漏逃逸不明晰等痛点及热点问题，以集成探头研发、激光吸收光谱技术、组网方式等研究内容为核心，建立两类型高性能传感系统，为构建管网传感器及系统综合试验平台，开发管网智能传感系统数字化应用平台，建立管网状态感知指标体系和传感器谱系提供技术支持，并在中俄和中缅油气管道的多个典型场景进行示范应用，为全面实现管网状态监测水平的提升和管道感知技术的自主可控贡献力量。 　　与会人员听取了汇报后，针对目标、任务和实施方案进行了深入且细致的讨论，充分肯定了实施方案的可行性，并针对涉及的中俄、中缅管道及站场的示范应用情况作了详细的讲解和分析，希望所研发的多类型传感器能够在多个场景形成突出的特色应用，解决现场亟需的技术难题，以切实行动贯彻习近平总书记“打造平安管道、绿色管道、发展管道、友谊管道”的重要指示要求。会后，与会人员还参观了超导托卡马克大科学装置。 　　“跨地域复杂油气管网安全高效运行状态监测传感系统及应用”项目，由国家石油天然气管网集团有限公司、中科院合肥物质院、哈尔滨工业大学、沈阳仪表科学研究院有限公司、机械工业仪器仪表综合技术经济研究所、国家管网集团西南管道有限责任公司、山东微感光电子有限公司、中科院金属研究所、中国石油大学(北京)、国家管网集团北方管道有限责任公司等优势研究机构联合承担。