“从上世纪末开始，纳米技术的研究一直是国内外科学界的一大热点，本研究内容包含了当前纳米科技研究的两大新技术,即生物分子旋转马达与量子点技术的有机结合，”中国科学院生物物理研究所博士生导师乐加昌对记者说。
近些年非典、
禽流感的频繁暴发，使得重要传染病的快速检测技术成为各个国家和科学界共同面对的重要挑战，发展对禽流感的快速检测技术成为十分紧迫的任务。首先要求技术能够对禽流感病毒进行快速方便的监控；其次，应具有对“新型病毒”快速初筛应答的能力。而目前传统测定技术难以同时满足上面的需求。
“我们的‘基于旋转分子马达原理与量子点技术的禽流感快速检测技术与装置’这一项目正是要解决这一科学难题。”乐加昌介绍说。
“它能够快速灵敏检测禽流感病毒”
“我国的分子马达研究起步于2001年，是当时国家基金委审批的第一个重大交叉项目，我们从最基础的单分子做起，现在，我们可以自豪地说，中国已经有了旋转分子马达研究技术，有了这方面的自主知识产权。”乐加昌对该项目的研究作了大致的描述。
“在上月召开的美国纳米技术研讨会上，科学家们预言：以后的生物传感器可以做到这么小的一个薄片。”乐加昌随手拿起桌上的纸片画了个1厘米见方的小块，给记者比划起生物传感器的尺寸。
生物传感器是用生物活性物质（酶、蛋白质、DNA、抗体、抗原、生物膜等）与物理化学换能器有机结合的一门交叉学科，是发展生物技术必不可少的一种先进的检测方法与监控方法，也是物质分子水平的快速、微量分析方法。
“该课题是去年10月份立项的，它属于生物、物理、医学和应用的交叉学科，所以难度相当大。课题立项之前，其中的基本原理、可行性等关键问题基本解决。”据乐加昌介绍，本课题以分子马达技术为核心，集成免疫识别、荧光探针标记与检测、阵列微接触印刷和量子点荧光编码控制等技术，建立一个全新概念的快速检测技术体系。在前期工作的基础上，进一步将分子识别功能、信号变换方式和生物活性元件一体化，用荧光量子点代替荧光染料，进一步增加量子点编码实用化关键问题的研究；使分子马达传感器不仅在检测速度和灵敏度方面取得进一步的提高，并且开展与其相关测定技术及其装置的研究。
目前，国内外生物传感器的研究方向主要可分为静态式和动态式两类。微小粒子与生物分子联接、以固定材料为载体构建生物芯片等的研究工作称为静态式；动态式生物传感器以ATP分子马达为代表，是在近年来F1-ATP分子马达深入研究的基础上逐步发展起来的。二者的根本区别在于它的信号测定的原理：静态式是有/无，因此一般实验过程需要识别分子的结合（约1小时）、洗涤（0.5小时）、封闭（约1小时）、再洗涤（0.5小时）和二抗的结合与显色（约1小时）等；操作过程繁琐且费时，一共大约需要4小时。而动态传感器则建立了将分子识别功能、信号变换方式和生物活性元件一体化的新方法，将上述繁琐、费时的过程简化成为识别分子结合的一步过程，省去了其它操作步骤，并且它的信号是可以控制并放大，被称为“智能化传感器”。以ATP分子马达，旋转RNA马达以及鞭毛马达等为代表。
据乐加昌介绍，该课题组创立的可控分子马达也是动态式生物传感器的一种，但与上述F1-ATP分子马达不完全相同。日本等国的科学家将分子马达旋转的信号转化成ATP浓度变化并进行测定；乐加昌项目组则选择F1F0-ATP马达在ATP合成过程中的质子转运速度的变化来进行测定；除了使用F1-ATP马达之外，还增加了F0-ATP马达。利用生物分子F1与F0马达自身偶联的原理，把F1F0-ATP马达复合物作为单分子传感器。由于F0-ATP马达的质子转运与F1-ATP马达上的负载密切相关，用荧光pH探针作为其旋转的指示。
该研究用新的方法，结合样品进样、样品洗涤与测定技术为一体化的微流体芯片技术；同时，在测定装置的设计中将样品的通量测定，数据
管理又建立了一体化的技术体系。在纸片法免疫测定技术中，首先用一种单克隆抗体固定在界面,与待测的抗原相接合；然后必需用另一株单克隆抗体进一步与抗原相结合，上述的一对单克隆抗体才能达到测定的目的；由于单克隆抗体的制备一般要6个月左右的时间周期，不具备快速应答的初筛能力。而在这一研究中，以血清快速制备的多抗技术就可以应用，不需要单克隆抗体，因此具备快速应答的初筛能力。“而且鉴于三个一体化技术的融合，这个测定装置设计没有机械扫描部件，速度快、稳定性好，为同时检测多种病原提供了可能和方便。”乐加昌说。
“这是一次研究方式的变革”
“最近几年里，微纳加工技术、光电转换技术和IT技术的产业化发展最快。实现微纳技术快速、灵敏反应并且应用的核心技术就是针尖技术，它是检测病毒的敏感元件，实际上生物传感器就是解决这一问题的，我们的生物传感器在这方面已经取得重要进展。”乐加昌说到。
快速测定技术不但要求纳米颗粒的尺度要足够小，而且要求测定快速、灵敏与方便。因此近来发展用分子组装的器件即“超微的传感器”，其核心的问题是指分子识别，信号转换与测定技术为一体的微纳技术的研究。
该课题有四个特点：一是快速，原来检测禽流感病毒的免疫分析需要4个小时，而运用了智能生物传感器后只需要10—20分钟；将目前对高致病性禽流感病毒快速检测试剂盒，直接从禽产品中检测禽流感的检测周期从4小时缩小到30分钟；而且灵敏度要高于传统方法，原来的装置在少量的分子情况下检测不出来，但新技术可迅速检测；三是便宜；四是方便，目前的仪器还是比较大，不过可以携带，以后可做的更小。“这个项目最大的特色就是能够快速灵敏的检测出禽流感病毒，有望在病毒检测方面作出贡献。”乐加昌说。
据了解，该课题的预期目标是：集中在系统优化和适用性验证方面，主要包括分子马达通用标记、通量检测、通用条件的优化、建立配套试剂的技术标准、小型化实用样机的研制和验证等。该技术体系采用的多项技术为本课题组专利或专有，具有多项自主创新的发明专利。
技术和装置有待认可和推广
“我们的基本实验在实验室范围内取得了结果，可以说现在的技术和装置是一个半成品。面临的问题是如何把小实验室的规模扩大到比较大的实验室规模，也就是说这个项目拿到其他实验室能否做出结果，明年，我们的项目将会得到进一步的扩大。如此一步步扩大，在得到业内专家的认可后，就能投入应用了。不过，推广应用研究需要比较长的时间和更多的经费,按规律一般基础研究,应用研究和产业化的投入比为1∶10∶100,不能想当然和操之过急。”乐加昌强调说。
据了解，该研究思想在国内外均未见其它类似的报道，具有原创性。并且具有很强的实用化前景。这一课题的关键技术正在申请发明专利三项；其中国际（PCT）专利一项，已通过查新，正在准备进入国家阶段；其余两项近期将受理。
乐加昌告诉记者：“在21世纪知识经济发展中，生物传感器技术必将是介于信息和生物技术之间的新增长点，在国民经济中的
临床诊断、食品和药物分析、环境保护以及生物技术、生物芯片等研究中有着广泛的应用前景。所以，我们所关注不仅仅是一个课题，而是一个产业。”
项目备忘
生物传感器是21世纪最具发展前景的高技术领域之一。世界各发达国家在世纪之交纷纷推出研究国家计划，力图在新世纪抢占这一产业的新一轮制高点。
“基于旋转分子马达原理与量子点技术的禽流感快速检测技术与装置”这一课题于2006年10月份立项，它属于生物、物理、医学和应用的交叉学科，难度相当大。
课题以分子马达技术为核心，集成免疫识别、荧光探针标记与检测、阵列微接触印刷和量子点荧光编码控制等技术，建立一个全新概念的快速检测技术体系。
课题的预期目标是：集中在系统优化和适用性验证方面，主要包括分子马达通用标记、通量检测、通用条件的优化、建立配套试剂的技术标准、小型化实用样机的研制和验证等。
本项目有两家单位共同承担，现已具备核心技术。
现在，本项目已申请相关3项发明专利，其中1项为国际发明专利；在国际核心期刊发表
论文8篇；国际
学术会议4次口头报告。
课题预期达到的目标、主要技术指标，1.检测通量：包括多种（在内的至少三种）检测。2.检测灵敏度：要高于目前方法。3.检测时间：将缩短1/10；产品的稳定性有效期为一年（-20℃）或14天（4℃）。同时小型化检测仪器。
作者：
2007-6-20