[ 導讀 ] 近日，中國科學院化學研究所光化學院重點實驗室趙永生課題組利用高比表面積的一維納米材料，制備出一種更加靈敏的電化學發光納米生物傳感器。該項研究也為低維納米材料制備生物傳感器提供了重要的理論和實驗依據。

　　納米技術的介入為生物傳感器的發展提供了無窮的想象空間。

　　近日，中國科學院化學研究所光化學院重點實驗室趙永生課題組利用高比表面積的一維納米材料，制備出一種更加靈敏的電化學發光納米生物傳感器。該項研究也為低維納米材料制備生物傳感器提供了重要的理論和實驗依據。

　　趙永生對《中國科學報》記者表示，隨著科技的進步，傳感器和光學元件都將趨于小型化和集成化。有機低維納米材料由于其獨特的結構和新穎的物理、化學性質，在生物傳感、納米光子學領域中展現出廣闊的應用前景。

　　納米材料提高檢測性能

　　從細菌到人，所有生物都在使用“生物分子開關”來監測環境。此類“開關”，即由RNA或蛋白制成、可改變形狀的分子。這些“分子開關”的誘人之處在于：它們很小，足以在細胞內“辦公”，而且非常有針對性，足以應付非常復雜的環境。

　　受到這些天然“開關”的啟發，納米生物傳感器應運而生。

　　趙永生介紹，生物傳感器是用固定化的生物體成分，如酶、抗原、抗體、激素等，或者是生物體本身的細胞、細胞器、組織等作為傳感元件制成的傳感器。

　　按所用分子識別元件的不同，生物傳感器可分為酶傳感器、微生物傳感器、組織傳感器、細胞器傳感器、免疫傳感器等；按信號轉換元件的不同可分為電化學生物傳感器、半導體生物傳感器、測熱型生物傳感器、測光型生物傳感器、測聲型生物傳感器等。

　　其中，電化學生物傳感器由于具有體積小、分辨率高、響應時間短、所需樣品少、對活細胞損傷小等特點，廣泛應用于醫藥工業、食品檢測和環境保護等領域。

　　如今，納米技術的介入更是為電化學生物傳感器的發展提供了新的活力。

　　趙永生稱，納米材料具有小尺寸效應、表面效應、量子尺寸效應及宏觀量子隧道效應等，使得其表現出奇異的化學、物理性質。

　　例如常見的碳納米材料，特別是碳納米管、石墨烯等，就表現出優良的力學性能、導電性能、表面性能及獨特的電化學性質。

　　此前，研究人員就曾用瓊脂糖將葡萄糖氧化酶和連接了二茂鐵的單壁碳納米管固定在玻碳電極表面，實現了對葡萄糖的快速靈敏檢測。碳納米管的引入還能夠顯著提高電化學敏感膜中電活性物質的氧化還原可逆性，同時消除了溶解氧對測定的干擾。

　　在趙永生看來，納米材料應用于電化學生物傳感器領域后，不僅提高了傳感器的檢測性能，而且提升了傳感器的化學和物理性質以及它對生物分子或細胞的檢測靈敏度，檢測時間也得以縮短，與此同時還實現了[FS:PAGE]高通量的實時分析檢測。

　　低維有機材料成新寵

　　在電化學納米生物傳感器的研究中，電化學發光由于具有較高的穩定性和較低的背景信號，其在檢測中的應用也成為科學家的興趣點。

　　通過電化學氧化和還原的納米材料，在電極表面可以和共反應劑反應，從而產生電化學發光。

　　趙永生課題組的研究人員在電化學發光傳感體系中引入低維納米材料釕聯吡啶納米線作為發光探針修飾電極，并通過還原氧化石墨烯有效增強電化學發光，實現了對生物分子多巴胺的高效、靈敏檢測。

　　趙永生表示，與此前報道的利用石墨烯—殼聚糖修飾電極在抗壞血酸和尿酸的共存下檢測多巴胺（5×10-6M到2×10-4M）相比，上述傳感器對多巴胺的檢測具有更寬的檢測范圍（1×10-5M到1×10-12M）。

　　“而這也說明低維納米材料使傳感器的靈敏度更高、尺寸更小、響應更快，以及對被測樣品的需求量更少。”趙永生說。

　　此后，為了降低反應試劑的消耗，簡化實驗設計，該課題組又制備出有機核/殼納米結構的可再生納米生物傳感器。

　　研究人員用9-二苯乙炔基蒽、10-二苯乙炔基蒽（BPEA）單晶納米線作為芯層，用對H2O2敏感的過氧草酸酯衍生物CPPO作為殼層，通過化學發光實驗證明了殼層對H2O2氣體有超靈敏和高選擇性的響應。

　　在此基礎上，研究人員還利用核殼之間的消逝波耦合有效地放大了納米線與H2O2氣體的化學反應，構筑了有機核/殼納米結構的光波導傳感器，從而實現了對H2O2氣體的快速、高靈敏、高選擇性的原位檢測。

　　“這項研究進一步凸顯了利用高比表面積的一維納米材料制備生物傳感器，可以提高傳感器的靈敏度。”趙永生說，下一步，他們還將利用一維納米材料構建納米光子學生物傳感器相關器件，實現納米材料、光子學以及生物學三者的完美結合。

　　未來發展趨勢

　　隨著納米技術和生物傳感器交叉融合的發展，越來越多的新型納米生物傳感器涌現出來，如量子點、DNA、寡核苷配體等納米生物傳感器。

　　在趙永生看來，未來納米生物傳感器的發展方向應該是集成多功能、便攜式、一次性的快速檢測分析機器，它可以廣泛用于食品、環境、戰場、人體疾病等領域的快速檢測。

　　例如，食品和飲料中病原體或者農藥殘留成分的快速靈敏檢測；環境中污染氣體或者污染金屬離子等遠程檢測和控制；人體血液成分和病原體的快速實時檢測，以及戰場生化武器和爆炸物的快速檢測。

　　但新一代納米生物傳感器同樣面臨諸多挑戰，如更高靈敏度、特異性、生物相容性、集成[FS:PAGE]多種技術、檢測方法簡化、制備工藝、批量化生產、成本效益等。

　　對此，趙永生表示，分子自組裝加工工藝簡單可控，可以實現快速復制，而且成本較低，對生物傳感器的發展有很重要的促進作用，有利于高靈敏度、低成本、一次性納米生物傳感器的發展。而生物分子自組裝技術更值得關注，它具有天然的生物兼容性、優異的結合性能，或將成為生物傳感器發展的另一個全新領域。

　　智能化浪潮加速IT界與傳統制造領域的融合。蘋果新一代操作系統ios7通過ios in the car和車載系統相連，為車主提供信息化服務。在蘋果的帶動下，一大批業內知名汽車制造商加入陣營。

　　分析人士認為，汽車市場進入成熟期后，智能車載設備作為更新換代需求將被更多消費者所接受。前期已有很多車主裝載了諸如GPS導航等初級智能產品。隨著產業鏈上下游技術的成熟，未來更多的應用將被集成到汽車上。未來汽車企業會突破現有相對封閉的制造體系，與IT等外界行業聯系起來，不排除出現像iPhone這樣顛覆產業鏈的產品，而這種革命性變化，首先可能體現在汽車顯示屏上。

　　國內廠商剛剛起步

　　事實上，喬布斯在世時，蘋果就提出過iCar的構想，但受制于軟硬件條件不成熟，計劃一直未付諸于實施。分析人士認為，蘋果作為IT企業直接進入到汽車整車領域難度太大，通過自己的傳統優勢，切入汽車業不失為穩妥之舉。目前謳歌、英菲尼迪、法拉利等高端汽車廠商表示將參與到ios in the car之中。考慮到現實環境，ios in the car在國內短期普及可能性不大。但IT領域的傳導效應向來較快，蘋果的推動有望使得汽車電子行業進入到新的階段。

　　我國汽車電子類市場規模已超過3000億元，且每年市場仍以20%的速度遞增。與智能手機、PAD、筆記本等IT領域相比，汽車電子行業集中度不高，在技術和汽車廠商的推動下，行業未來集中度有望提升。

　　某自主品牌車企汽車電子相關負責人對中國證券報記者表示，當前汽車電子方面高端產品控制在國際IT大企業以及傳統汽車零部件大企業手中，國內廠商才剛剛起步。國外大型汽車企業帶動汽車電子行業向前發展，例如寶馬、奔馳會要求電子供應商滿足其個性化要求;而中國汽車企業通常被供應商推著向前，搭建架構以更好地應用已有的成熟產品。

　　當前，自主汽車品牌大多集中在A級車市場，大眾等合資車企也有下探趨勢。不過，上述負責人表示汽車小排量化的發展趨勢不會減少汽車電子未來的需求，車企反而更愿意應用汽車電子技術。這是因為當前汽車產品的競爭力[FS:PAGE]和增值空間就在于汽車電子。同時，汽車電子應用量越大，分攤到每輛車上的成本也越低。

　　該負責人表示，考慮到成本，由于自主汽車產品價格本身較低，目前不會考慮與微軟、蘋果等知名供應商合作。高端品牌與其合作的可能性較大。實際上，國內車企與國際國內汽車電子供應商都有一些合作。

　　盡管國內汽車電子起步晚，但業內人士表示，電子技術通常是跳躍式發展，后來者可以直接在新技術基礎上進行研發;由于不用考慮新技術新產品上市對舊設備和舊技術的投資回收造成不利影響，國內電子企業可能更有動力去推廣最新的技術，購買最新的硬件設備制造更好的汽車電子產品。此外，國際車企間的競爭可能導致新技術引入存在困難。如果國內車企要求其提供某些新技術，國外廠商可能還會考慮到車企間的競爭，而不愿意輕易引入中國市場。

　　業內預計，未來中國在車聯網、汽車娛樂系統領域更可能形成競爭優勢，而由于前期積累較少，其他領域想要取得突破較為困難。

　　競爭圍繞顯示屏入口

　　從車載娛樂設備到現在的車載電子設備，整個產業鏈的更替進步在加快，產業鏈也越拉越長。有汽車電子業內人士表示，未來汽車電子類設備將圍繞車載顯示屏展開。對于國內景氣度高企的觸摸屏行業，汽車顯示屏是一塊肥沃且充滿挑戰的土地。

　　該人士認為，目前觸摸屏行業正在向各個領域延伸，汽車行業作為保有量巨大的市場，若形成更新替代其規模可以和智能手機市場相媲美。但在產品質量和要求上，汽車企業對供應鏈的要求嚴格;使用環境上，汽車諸如溫度控制和穩定性上對產品的要求更高，這也是目前國內觸摸屏廠商對汽車市場不敢貿然進入的原因。觸摸屏制造商金龍機電負責人曾向中國證券報記者表示，只要通過供應鏈認證這個最大的環節，未來汽車領域對觸摸屏行業而言是重大機遇。

　　上述人士同時表示，電子類設備不是汽車必須配置的部分，主要作用在于給車主提供更好的駕駛體驗，因此整個產業鏈的推動方向也是由高端到低端。前期火爆的特斯拉汽車，在其Model車系中已經集成了17吋的顯示屏，將行車資訊及一系列應用集成其中并受到市場好評。目前主流廠商在部分高端車型中也開始追隨特斯拉進行相應嘗試，未來的產業路徑將是逐步向中低端推廣。

　　GPS導航設備目前在國內汽車行業應用甚廣。但此類設備的問題也較為突出，如行業小散亂，使用體驗不佳等。分析人士認為，隨著未來自帶顯示屏的汽車越來越多，更多的導航應用作為軟件將集成到屏幕之中，外資谷歌、國內的阿[FS:PAGE]里均已經在地圖領域布局昭示了此類市場的發展前景。顯示屏作為一個重要入口，將使得有實力的地圖軟件廠商更好的整合市場，提升行業集中度。

　　多家企業相繼布局

　　在軟件層面，國內目前已經有企業開始在手機端進行智能車載電子設備的嘗試，由于駕駛活動條件受限，語音成為最為理想的一種交互方式。近期科大訊飛在其手機端產品訊飛語點中已經上線了車載功能模塊供用戶測試使用。

　　科大訊飛負責人向中國證券報記者表示，近年來國內汽車銷售量保持了高速的增長，基于龐大的汽車銷量和保有量，各類車載電子的市場前景值得期待;隨著汽車聯網率增加和車載設備本身處理能力的提升，語音交互應用可以有更好的表現。

　　公司針對汽車內的語音交互場景開發了汽車語音助理產品，可以讓用戶以自然語言在駕駛過程中使用導航、音樂、電話、路況等查詢功能，也可以對車內的一些設備進行控制，相關產品已經在上汽、北汽等車型中量產。另外，為了更好的抑制車內噪音對語音識別的影響，公司還自主開發了降噪模塊，可保證在高噪的車載環境下識別率保持在80%以上;對于該類產品的趨勢，公司認為未來應該與整車部分進行整合。公司負責人向中國證券報記者表示，顯示屏會是后期移動互聯網延伸的一個新領域，語音作為車內交互最便捷的方式，有可能成為用戶與車和汽車信息服務溝通的橋梁和主要通道。但汽車的產業鏈較長，這需要上下游合力推動。

　　“蘋果的ios in the car主要還是一個系統層面，后期如果有相關的車廠和設備集成商愿意給予這套系統開發軟件、設計產品，公司會選擇在國內一些車型中落地。”科大訊飛負責人表示道。

　　東軟集團在汽車電子領域亦有布局，其自主研發的車載導航系統已被新款寶馬7系轎車選用。公司方面透露，東軟正在研發“Telematics”端到端整體產品方案。“Telematics”是無線通信技術、網絡通信技術、衛星導航系統和車載電腦相結合的產物，具有物聯網屬性。通過“Telematics”提供的服務，駕駛者不僅可以了解交通信息、車輛工況、駕駛狀態、周邊商戶信息，還可以通過連接家庭服務器，及時了解家用電器的運轉情況、安全情況等。公司現有由兩千多人構成的研發團隊從事汽車電子相關軟件開發，在沈陽、大連、德國漢堡均設有研發基地。目前，BMW5系、7系、BENZ ML、卡迪拉克CTS、謳歌等汽車的部分型號應用了東軟集團的導航軟件或音響軟件。

　　東軟集團最近幾期財報顯示，軟件及系統集成業務在營業收入中占比80%以上。公司相關人士向[FS:PAGE]中國證券報記者表示，汽車電子將成為繼醫療電子后，又一持續、快速成長的行業。

　　某業內分析師同時認為，由于需求的提升，汽車電子不僅在前段五花八門，對應的后端設計也越來越復雜，這將對連接器的需求不斷增加。作為國內汽車線束連接器的代表企業之一，德潤電子在去年進入一汽大眾供應鏈，已經可以為A3等中高端汽車提供產品。

　　前述自主品牌車企汽車電子相關負責人認為，未來汽車企業會突破現有相對封閉的制造體系，與IT等外界行業聯系起來，不排除出現像iPhone這樣顛覆產業鏈的產品，而這種革命性變化，與汽車電子的應用密不可分。

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