2022年CAIA獎一等獎：高穩(wěn)定生物傳感器研究及其在漁業(yè)環(huán)境微污染分析領域的應用
完成單位：中國水產科學研究院、中國科學院長春應用化學研究所、中國科學院大連化學物理研究所、深圳綠詩源生物技術有限公司
完成人：吳立冬、李敬、盧憲波、翟俊峰、陳吉平、金靜、劉歡、任源遠、王防修、孫慧武
成果簡介：我國集約化養(yǎng)殖模式導致漁業(yè)水域存在大量殘餌及排泄物組成的有機質，干擾目標物與識別元結合，嚴重影響傳感器檢測的選擇性和穩(wěn)定性；不同水域污染情況迥異，導致傳感器分析檢測的通用性較差。大多進口生物傳感器也不適應我國富營養(yǎng)化漁業(yè)水域檢測。本研究針對生物傳感器中核心識別元件單一且長期穩(wěn)定性差、界面物質和電子傳輸效率低、現(xiàn)有傳感器與通用技術不兼容三大技術瓶頸，以生物傳感器關鍵材料及配套裝備研發(fā)為技術攻關，在漁業(yè)環(huán)境分析檢測領域取得的主要創(chuàng)新成果為：率先提出“溶劑籠”疏水性物質傳遞新體系，屏蔽了親水有機質干擾，實現(xiàn)了疏水性有機污染物納摩爾級檢測；精準設計了5種仿生酶作為長效識別元件，豐富了傳感器檢測原理；揭示了磷烯穩(wěn)定核酸適配體機理，提高了識別元與磷烯增敏材料間的物質和電子傳輸效率，實現(xiàn)了多氯聯(lián)苯同系物的高靈敏特異性檢測；搭建了無需依賴外部能源的自供能傳感界面、兼容性/普適性強的磁控場效應晶體管傳感器以及微生物基毒性篩查系統(tǒng)，實現(xiàn)了環(huán)境化學污染的定性檢測和毒性快速篩查等功能。本研究出版專著3部，發(fā)表論文83篇（其中SCI收錄76篇），授權發(fā)明專利15項。研究成果在2家高新技術企業(yè)獲得了推廣示范應用。
創(chuàng)新點及科學價值：隨著生物科學技術的快速發(fā)展，生物傳感器技術在環(huán)境分析和實時監(jiān)測中發(fā)揮了越來越重要的作用。然而應用于環(huán)境領域的傳感器90%以上依賴進口，環(huán)境傳感器技術已成為制約我國科學研究和行業(yè)發(fā)展的“卡脖子”技術。我國富營養(yǎng)化漁業(yè)水域的有機質等雜質含量遠高于國外，導致進口傳感器在我國實際環(huán)境檢測中經常失靈。因此，開發(fā)適用于我國特有漁業(yè)環(huán)境的生物傳感器意義非凡。目前，生物傳感器的識別元件活性難以維持、傳感界面單一、界面間物質傳遞和電子傳輸困難、傳感器檢測通用性差等問題阻礙了其在漁業(yè)環(huán)境領域的進一步發(fā)展。本成果圍繞上述問題，從信號捕獲、信號增強、信號傳輸等關鍵技術出發(fā)，開展了系統(tǒng)工作，發(fā)明了溶劑籠物質傳遞新體系、仿生酶長效識別元件、自供能電子傳輸體系、磁控場效應晶體管傳感芯片平臺等系列關鍵技術，有力地促進了生物傳感器在環(huán)境分析檢測領域中應用。
社會經濟效益：本成果為漁業(yè)環(huán)境危害物快速篩查提供了有力的技術支撐，通過本成果快速檢測及毒性評價技術，迅速及時發(fā)現(xiàn)養(yǎng)殖水域的污染情況，并進一步結合溯源技術進行源頭追蹤，既懲罰了排污主體，也為居民健康提供了保障，具有重要的社會效益。近三年，項目形成的技術和產品已在6家檢測機構及科研單位中推廣應用，增加了社會經濟效益。成果構建的在線樣品采集、污染物精準檢測和快速檢測新體系、原位-在線毒性監(jiān)測新手段，為新型持久性有機污染物快速檢測及毒性評價提供了可靠技術手段，為潛在風險的發(fā)現(xiàn)起到了重要的“預警”作用。在線毒性篩查將傳統(tǒng)動物毒性評價的24小時以上，縮短至1小時內；與此同時，可節(jié)約大量人力成本、試劑耗材成本，節(jié)約勞動力和試劑耗材成本約數百萬元。為快檢產品生產企業(yè)提供傳感芯片和快速毒性檢測傳感器支持，為公司創(chuàng)造價值5000余萬元。
應用前景：磁分離與傳感器聯(lián)用平臺為現(xiàn)場快速檢測提供了新的選擇，磁性分離材料在靶標物快速分離富集領域應用前景廣闊，可提高檢測效率，減少人為操作對檢測結果的影響。磁分離裝置與傳感器平臺聯(lián)用，適用于批發(fā)市場及農貿市場等缺乏操作人員的初級實驗室。此外，磁性材料結合傳感器還可以用于磁控開關及磁控機器人等未來應用場景。
