区域传感器

北科建怀柔国际科创中心位于怀柔科学城南区，是怀柔科学城迈入蓬勃发展的背景下，北科建集团基于远大战略眼光，怀着国企的责任感与使命感，深度融入北京三城一区规划建设的战略型项目。北科建集团是国内较早成立的以科技地产为特色的综合运营开发企业，秉承“赋能科技创新 助推城市发展 共创美好生活”的企业使命，成功开发建设了中关村“一园三区”，打造了中关村这一世界闻名的中国科技创新高地。北科建怀柔国际科创中心定位为打造高端仪器及传感器产业聚集平台，以智慧生态硬件与创新服务体系同步建设，以多元化功能业态、强劲资源支撑、成熟服务体系等优势，打造高端总部级办公、专属新型活力商业等为一体的综合型产业园区，匹配怀柔发展需要，为怀柔科学城产业发展提供助力，驱动区域产业升级与发展。作为区域重点产城综合体项目，北科建怀柔国际科创中心与仪器信息网主办本次区域仪器及传感器产业发展论坛，将面向领域内科学家、创新创业团队、科研机构、创新型企业等进一步解读怀柔区在仪器和传感器产业方面的规划与布局。会议日程时间内容9:30—9:40主持人：李晶晶 北科建集团北京城市公司大客户总监/怀柔国际科创中心项目负责人9:40—10:10报告人：胡继龙 北京怀柔区科学城管委会创新服务处副处长报告题目：解读怀柔政府及怀柔科学城仪器和传感器政策10:10-10:30报告人：李锴 北科建集团产业运营中心副总经理报告题目：北科建怀柔国际科创中心介绍10:30-11:00报告人：曾伟 中国仪器仪表行业协会分析仪器分会秘书长报告题目：产品--企业立足和生存于市场的根本11:00-11:30报告人：张皋 西安近代化学研究所 国防科技工业火炸药一级计量站 总工报告题目：仪器评价活动将推动国产科学仪器高质量发展扫码报名免费参会

未来值得关注的四大领域　　随着材料科学、纳米技术、微电子等领域前沿技术的突破以及经济社会发展的需求，四大领域可能成为传感器技术未来发展的重点。　　一是可穿戴式应用。据美国ABI调查公司预测，2017年可穿戴式传感器的数量将会达到1.6亿。以谷歌眼镜为代表的可穿戴设备是最受关注的硬件创新。谷歌眼镜内置多达10余种的传感器，包括陀螺仪传感器、加速度传感器、磁力传感器、线性加速传感器等，实现了一些传统终端无法实现的功能，如使用者仅需眨一眨眼睛就可完成拍照。当前，可穿戴设备的应用领域正从外置的手表、眼镜、鞋子等向更广阔的领域扩展，如电子肌肤等。日前，东京大学已开发出一种可以贴在肌肤上的柔性可穿戴式传感器。该传感器为薄膜状，单位面积重量只有3g/m2，是普通纸张的1/27左右，厚度也只有2微米。　　二是无人驾驶。美国IHS公司指出，推进无人驾驶发展的传感器技术应用正在加快突破。在该领域，谷歌公司的无人驾驶车辆项目开发取得了重要成果，通过车内安装的照相机、雷达传感器和激光测距仪，以每秒20次的间隔，生成汽车周边区域的实时路况信息，并利用人工智能软件进行分析，预测相关路况未来动向，同时结合谷歌地图来进行道路导航。谷歌无人驾驶汽车已经在内华达、佛罗里达和加利福尼亚州获得上路行使权。奥迪、奔驰、宝马和福特等全球汽车巨头均已展开无人驾驶技术研发，有的车型已接近量产。　　三是医护和健康监测。国内外众多医疗研究机构，包括国际著名的医疗行业巨头在传感器技术应用于医疗领域方面已取得重要进展。如罗姆公司目前正在开发一种使用近红外光(NIR)的图像传感器，其原理是照射近红外光LED后，使用专用摄像元件拍摄反射光，通过改变近红外光的波长获取图像，然后通过图像处理使血管等更加鲜明地呈现出来。一些研究机构在能够嵌入或吞入体内的材料制造传感器方面已取得进展。如美国佐治亚理工学院正在开发具备压力传感器和无线通信电路等的体内嵌入式传感器，该器件由导电金属和绝缘薄膜构成，能够根据构成的共振电路的频率变化检测出压力的变化，发挥完作用之后就会溶解于体液中。　　四是工业控制。2012年，GE公司在《工业互联网：突破智慧与机器的界限》报告中提出，通过智能传感器将人机连接，并结合软件和大数据分析，可以突破物理和材料科学的限制，并将改变世界的运行方式。报告同时指出，美国通过部署工业互联网，各行业可实现1%的效率提升，15年内能源行业将节省1%的燃料(约660亿美元)。2013年1月，GE在纽约一家电池生产企业共安装了1万多个传感器，用于监测生产时的温度、能源消耗和气压等数据，而工厂的管理人员可以通过iPad获取这些数据，从而对生产进行监督。超声波气象站集合了7个传感器，为工业生产提供了一流的天气监测信息，为预防一些灾害事件提供可靠信息，从而提高效率，降低和总的成本。　　此外，荷兰壳牌、富士电机等跨国公司也都在该领域采取了行动。

王家海教授在过去十多年，对核酸探针进行了系统的探索，开发了一系列基于核酸纳米结构或者G-quadruplex为主题的核酸传感器，开发了生物芯片新的修饰方法，设计了一种的Insertion Approach，极大地提高了传感器电信号重现性，2021年王家海团队构建了以三维核酸纳米结构为信号传导载体的纳米孔传感器。团队另外一个方向纳米孔单分子计数器和整流器平台的发展，也充分得益于我们在功能核酸探针上所开展的系统性工作。体外诊断，尤其是分子诊断离不开对探针的设计。在功能化核酸探针的优化和设计上，我们做出了一系列有特色的工作。运用核酸四链体（G-quadruplex）构建了探测各种离子，小分子的高灵敏，高选择性的生物化学传感器，并被国际刊物邀请撰写综述。为纳米孔的可控功能化，选择性识别打下了坚实的基础。最终优化设计的核酸探针需要参考如下标准：更好的检测限，选择性，更高的稳定性，更稳更强的信号放大系统和更好的实验信号重现性。我们设计的能结合荧光分子的G-quadruplex能对铜离子，钾离子和毒素小分子灵敏探测（G-quadruplex facilitated turn off fluorescent chemosensor for selective detection of copper ion. Chem. Commun., 2010, 46, 7385-7387. Qin Haixia，Ren Jiangtao，Wang Jiahai*，Wang Erkang*；G-quadruplex-modulated fluorescence detection of potassium ion in the presence of 3500-fold excess of sodium ion , Anal. Chem., 2010, 82 (19), pp 8356–8360. Qin Haixia，Ren Jiangtao，Wang Jiahai*，Wang Erkang*.；图 1.四链体核酸高灵敏检测K离子图 2.四链体核酸高灵敏检测Cu离子PVP-coated Graphene oxide for Selective Determination of Ochratoxin A via Quenching Fluorescence of Free Aptamer，Biosensor and Bioelectronics, 2011, 26, 3494-3499. Sheng LinFeng, Ren Jiangtao, Miao Yuqing, JiaHai Wang* Erkang Wang*.）。其中对真菌毒素小分子OTA的检测，他引已经超过100多次，对钾离子的探测选择性达到3500倍，他引超过50多次。后续的工作中，可以探索用纳米孔结合这些探针进行检测。图 3. 对真菌毒素小分子OTA的检测可以预期的是修饰适配体的纳米孔可以结合离子整流区分手型多肽（Enantioselective and label-free detection of oligopeptide via fluorescent indicator displacement” Biosensor and Bioelectronics, 2012, 35, 401-406. Ren Jiangtao, Jiahai Wang*, Jin Wang*, Nathan W. Luedtke, Erkang Wang*.）图 4. 手性多肽的检测设计了劈开的G-quadruplex探针对病毒核酸小片段进行了探测，并对其机理做了详细的阐述（Label-Free Detection of Nucleic Acids by Turn-ON and Turn-OFF G-Quadruplex Mediated Fluorescence. Analytical and Bioanalytical Chemistry, 2011, 399:2763-2770. Ren Jiangtao, Qin Haixia, Wang Jiahai*， Luedtke, Nathan W, Wang ErKang*, Wang Jin*；Contribution of potassium ion and split modes of G-qaudruplex to the sensitivity and selectivity of label-free sensor toward DNA detection using fluorescence Biosensor and Bioelectronics, 2012, 31, 316-322. Ren Jiangtao, Jiahai Wang*, Jin Wang*, Nathan W. Luedtke, Erkang Wang*.）。有理由相信，对这类探针了解的越多，将其应用在纳米孔上的机会越多：譬如G-quadruplex的重新组装引起局部体积和局部电荷的变化，这都是纳米孔传感器很重要的特征。图 5.分裂式探针有三种，在乙肝病毒基因存在下，四链体核酸可以被激活根据多年的经验和大胆展望，体外诊断（分析化学）的进一步发展还离不开探针体系本身的优化和信号放大。2011年我们建立了两种核酸马达，运用A方案组建了一个免标记的核酸传感器，该方法可以扩展到探测其他一些小分子，譬如毒素。运用B方案建立的另一个马达可以把四极子（G-quadruplex）加入到核酸纳米结构中，应用前景广泛；可以进一步把核酸纳米结构组装成三维结构用于药物释放（Kinetically grafting G-qaudruplex onto DNA nanostructure as structure and function encoding via DNA machine，Chem. Commun., 2011, 47, 10563–10565. Jiangtao Ren, Jiahai Wang* , Lei Han, Erkang Wang*, Jin Wang* .）。图6. 这个体系中A途径可以用于生物分子的探测的信号放大，这个体系中B途径有很强的扩展性，可以用于制备其他一些智能化材料或者信号放大免标记，免修饰方法并不能覆盖全部探测对象，其他绝大多数探测系统都需要表面探针修饰。2014年我们发展了一种新的表面修饰方法，极大地提高了分子表面组装和信号放大的重现性（Insertion Approach：Bolstering the Reproducibility of Electrochemical Signal Amplified via DNA Superstructure Analytical Chemistry 2014, 86, 4657-4662. Yang, Li, Zhang, Caihua, Hong, Jiang, Li, Guijuan*, Jiahai Wang*, Wang, Erkang*.）。通常在金电极上修饰核酸探针，都是先修饰巯基核酸，然后修饰小分子覆盖的空白区域。但这种方法重现性并不高。我们设计了一种新方法，先修饰小分子，后修饰核酸探针是通过插入小分子空白区域。发现核酸超级结构在电极表面的组装就有非常好的重现性。期待这种方法能在将来运用到纳米孔表面的内部修饰。图 7.核酸修饰新方法（Insertion Approach）2021年，构建了以三维核酸纳米结构为信号传导载体的纳米孔传感器。（Insertion Approach：Bolstering the Reproducibility of Electrochemical Signal Amplified via DNA Superstructure Analytical Chemistry 2014, 86, 4657-4662.）。小尺寸分析物的检测仍然是限制固态纳米孔应用的主要挑战之一。要实现具有良好抗干扰能力、高信噪比和可重复使用的固态纳米孔传感器，一种潜在的策略是使用大孔径纳米孔（直径大于10 nm）。孔径远大于靶标和干扰物的尺寸，可以满足干扰物通过纳米孔无电阻脉冲的要求，解决了孔堵塞问题。DNA纳米结构具有精确形状和可调节大小等优点，有潜力成为最通用的一种。可以根据特定的孔径组装出尺寸均匀的DNA纳米结构。另外，CRISPR-Cas12a已被证明是一种优秀的信号放大策略，Cas12a通过将序列特异性靶标转化为其他可检测信号，如荧光、生物发光或比色信号，被广泛应用于生物传感器的设计中。图8 基于CRISPR-cas12a转换机制，使用DNA四面体作为信号传导载体的固态纳米孔传感器示意图。对于目标分子，Cas12a的反分裂活性导致连接器ssDNA的降解，导致DNA四面体信号传导载体通过纳米孔的易位率增加；如果没有目标分子，Cas12a就不会被激活，因此DNA四面体信号传导载体被磁铁拉下，不能观察到任何易位事件