速度提升10倍！科学家成功开发新型纳米传感器，开启荧光生物传感器革命

生物传感器是一种利用生物分子检测目标物质存在的装置，在检测疾病生物标志物、各种生物过程中起作用的分子或环境中的毒素和其他有害物质方面具有巨大潜力。荧光生物传感器是最常见的一种传感器，它由一个与目标结合的生物分子与一个发出荧光的探针分子连接而成。然而，荧光生物传感器通常是低对比度试剂，因为它们的荧光探针始终处于“开启”状态，未结合的生物传感器分子需要被洗掉才能检测到准确的信号。

新研究成果介绍了一个新的方法，可以快速地发现和进化包含荧光氨基酸的纳米传感器。这种纳米传感器具有很高的灵敏度和特异性，可以用于检测各种生物分子。研究团队通过对现有蛋白质进行改造，并结合高通量筛选技术，成功开发出了这种新型传感器。这项研究为生物传感领域开辟了新的方向，有望在疾病诊断、药物筛选、环境保护等方面发挥重要作用。

参考文献：Erkin Kuru, Jonathan Rittichier, Helena de Puig, Allison Flores, Subhrajit Rout, Isaac Han, Abigail E. Reese, Thomas M. Bartlett, Fabio De Moliner, Sylvie G. Bernier, Jason D. Galpin, Jorge Marchand, William Bedell, Lindsey Robinson-McCarthy, Christopher A. Ahern, Thomas G. Bernhardt, David Z. Rudner, James J. Collins, Marc Vendrell, George M. Church. Rapid discovery and evolution of nanosensors containing fluorogenic amino acids. Nature Communications, 2024; 15 (1) DOI: 10.1038/s41467-024-50956-z

一、什么是纳米传感器？

纳米传感器——微小世界中的“眼睛”。

纳米传感器 是一种尺寸极小的传感器，其内部结构或测量对象的相互作用距离达到纳米级别。想象一下，将一个传感器缩小到头发丝直径的几万分之一，你就大致了解了纳米传感器的尺度。

纳米传感器的原理多种多样，但它们都遵循一个共同的模式：当目标物质与传感器接触时，会引起传感器内部的某种物理或化学变化，这种变化会被转化为可检测的信号，如电信号、光信号等。

纳米传感器的特点：超小尺寸、高灵敏度、高选择性、多功能性、实时监测

• 超小尺寸： 这是纳米传感器的最显著特点。尺寸的缩小使得它们能够进入到更小的空间，实现对微观世界的精确测量。
• 高灵敏度： 由于其微小的尺寸和独特的材料特性，纳米传感器对微弱的物理、化学或生物信号有着极高的敏感性。
• 高选择性： 通过设计不同的纳米材料和结构，可以使纳米传感器对特定的物质或分子产生高度选择性的响应。
• 多功能性： 纳米传感器可以检测多种类型的信号，包括物理信号（如温度、压力）、化学信号（如pH值、气体浓度）和生物信号（如DNA、蛋白质）。
• 实时监测： 许多纳米传感器能够实时监测目标物质的变化，提供连续的监测数据。

二、纳米传感器在海洋科学研究中的应用前景

纳米传感器以其高灵敏度、高选择性、小型化等优势，在海洋科学研究中展现出巨大的潜力。

1. 海洋污染物检测

• 重金属检测： 纳米传感器可以高灵敏度地检测海水中的重金属离子（如汞、铅、镉等），为海洋环境监测提供有力支持。
• 有机污染物检测： 可以用于检测石油泄漏、农药残留、塑料微粒等有机污染物，帮助评估海洋生态系统的健康状况。
• 病原体检测： 纳米传感器可用于检测海洋中的有害藻类、细菌、病毒等病原体，为海洋生物疾病的预防和控制提供依据。

2. 海洋生物研究

• 生物标志物检测： 可以检测海洋生物体内的生物标志物，如酶活性、基因表达等，从而评估海洋生物的生理状态和对环境变化的响应。
• 海洋生物行为研究： 通过将纳米传感器植入海洋生物体内，可以实时监测其在海洋环境中的行为，如迁徙、摄食、繁殖等。

3. 海洋环境监测

• 海水性质监测： 可以监测海水的温度、盐度、pH值、溶解氧等物理化学性质，为海洋环境模型提供基础数据。
• 海洋酸化监测： 可以监测海水的pH值变化，评估海洋酸化对海洋生态系统的影响。
• 海洋光学监测： 可以监测海水的透明度、浊度等光学性质，为海洋初级生产力的研究提供数据。

4. 深海探测

• 极端环境监测： 纳米传感器可以适应深海的高压、低温等极端环境，用于监测深海的温度、压力、化学成分等。
• 深海生物探索： 可以用于探测深海生物的分布、多样性以及对深海环境的适应性。

5. 海洋气象研究

• 海气相互作用研究： 可以监测海面附近的温度、湿度、风速等气象要素，深入研究海气相互作用过程。

三、这项研究对海洋发展有什么促进作用？

纳米传感器技术在海洋发展中扮演着越来越重要的角色。它以其高灵敏度、高选择性、小型化等特点，为海洋科学研究、环境监测、资源开发等领域带来了革命性的变化。将推动海洋科学研究向更深入、更精细的方向发展，提升海洋环境监测水平，促进海洋资源开发，保障海洋安全，为实现海洋的可持续发展做出重要贡献。

1. 提升海洋环境监测水平：纳米传感器能够实时监测海洋环境中的各种参数，如水温、盐度、pH值、溶解氧等，为海洋环境的动态变化提供连续的数据。纳米传感器对污染物、有害物质具有极高的检测灵敏度，能够及时发现并追踪海洋污染事件，为海洋环境保护提供科学依据。小型化的纳米传感器可以部署在海洋生物体内或固定在海洋浮标上，实现对海洋环境的长期、大范围监测。

2. 促进海洋资源开发：纳米传感器可以用于探测深海矿藏，如多金属结核、海底热液硫化物等，提高矿产资源勘探的效率和精度。纳米传感器可以用于评估海洋生物资源的丰度、分布和生长状况，为海洋渔业的可持续发展提供科学依据。纳米传感器可以用于监测海洋能的利用效率，如波浪能、潮汐能等，推动海洋新能源的发展。

3. 推动海洋科学研究：纳米传感器可以用于研究海洋生态系统的结构和功能，揭示海洋生态过程的机理。纳米传感器可以用于监测海洋温度、盐度等参数的变化，为研究海洋气候变化及其对全球气候的影响提供数据支持。纳米传感器可以用于研究海洋生物的生理生化过程，揭示海洋生物对环境变化的适应机制。

4. 保障海洋安全：纳米传感器可以快速检测海洋污染事故中的有害物质，为应急处置提供科学依据。纳米传感器可以用于监测海啸、风暴潮等海洋灾害，为沿海地区的防灾减灾提供预警。

四、引发的思考

如何在复杂的海洋环境中实现纳米传感器数据的实时、高效传输？

如何利用纳米传感器对海洋微生物组进行实时监测，揭示微生物群落与环境之间的相互作用？

如何利用纳米传感器检测不同尺寸的塑料微粒和纳米塑料，并评估其在海洋生态系统中的迁移转化过程？

这些有趣的问题，希望能给引起您的思考和帮助。

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