摘要：2025年10月15日，国际顶级期刊《自然·纳米技术》（Nature Nanotechnology）刊登了催化纳米生物传感器领域权威学者Arben Merkoçi的评论文章《迈向新一代纳米生物传感器》。文章指出，尽管该领域诞生30年来已涌现出大量突破性研究，但
2025年10月15日，国际顶级期刊《自然·纳米技术》（Nature Nanotechnology）刊登了催化纳米生物传感器领域权威学者Arben Merkoçi的评论文章《迈向新一代纳米生物传感器》。文章指出，尽管该领域诞生30年来已涌现出大量突破性研究，但在性能、实用性、规模化生产和成本控制上仍存瓶颈，距离真正满足全球健康等现实需求还有关键一跃。
这篇文章不仅勾勒出全球纳米生物传感器的发展蓝图，更让中国在该领域的技术突破进入公众视野——从清华大学的石墨烯电化学传感器到中科院的量子点荧光检测技术，从深圳企业量产的POCT（即时检测）设备到上海张江实验室的单分子检测芯片，中国团队正以“材料创新+应用落地”双轮驱动，打破欧美在高端传感器领域的长期垄断，让“指尖检测疾病”“实时监测环境”从科幻走进现实。
30年技术迭代：纳米生物传感器如何改写“检测规则”？
纳米生物传感器的核心逻辑，是将纳米材料的独特物理化学性质与生物分子（如抗体、酶、核酸）的特异性识别能力结合，把生物信号转化为可量化的电、光、声信号。自1990年代“纳米生物传感器”概念提出以来，其发展大致经历了三个阶段：
第一代（1990-2010年）：基础探索期。这一阶段的研究集中在纳米材料的初步应用，比如用金纳米颗粒增强免疫检测的信号强度。2000年，美国西北大学Chad Mirkin团队开发的“金纳米颗粒比色传感器”，首次实现了对DNA片段的可视化检测——当目标DNA与探针结合时，金纳米颗粒会聚集，溶液从红色变为蓝色，检测限达到100皮摩尔/升（pmol/L）。但此时的传感器体积大、依赖大型仪器，只能在实验室使用，且成本高昂（单份检测成本超过10美元）。
第二代（2010-2020年）：性能提升期。石墨烯、碳纳米管、量子点等新型纳米材料的出现，让传感器的灵敏度和选择性实现质的飞跃。2012年，西班牙ICN2研究所的Arben Merkoçi团队（本文作者）开发出基于石墨烯的电化学传感器，通过将抗体固定在石墨烯表面，实现了对肿瘤标志物“癌胚抗原（CEA）”的检测，检测限低至1飞摩尔/升（fmol/L），相当于在1吨水中检测出1滴墨水的量。同期，中国科学院化学研究所的万立骏团队利用碳纳米管的导电性，开发出可检测葡萄糖的酶传感器，响应时间从传统传感器的10秒缩短至0.5秒，且能在血糖浓度0.1-30毫摩尔/升（mmol/L）的范围内保持线性关系，覆盖了正常人（3.9-6.1 mmol/L）和糖尿病患者（≥7.0 mmol/L）的血糖区间。
第三代（2020年至今）：实用化突破期。这一阶段的核心目标是解决“实验室到产业化”的鸿沟。一方面，传感器向“微型化、便携化”发展，比如美国斯坦福大学开发的“柔性纳米传感器贴片”，可贴在皮肤上实时监测汗液中的乳酸、电解质浓度，为运动健康和慢性病管理提供数据支持；另一方面，“多指标同时检测”成为趋势，德国慕尼黑大学的研究团队在硅纳米线阵列上固定多种抗体，实现了对心肌梗死标志物（肌钙蛋白、肌红蛋白、CK-MB）的同时检测，检测时间从传统方法的1小时缩短至10分钟，为急诊救治争取了关键时间。
Merkoçi在文章中强调，当前第三代纳米生物传感器的主要挑战在于“规模化生产的稳定性”和“复杂样品的抗干扰能力”。比如，实验室制备的石墨烯传感器性能优异，但批量生产时，石墨烯的层数和缺陷难以控制，导致传感器之间的误差超过20%；而在检测血液、唾液等复杂样品时，蛋白质、细胞等杂质会干扰纳米材料与生物分子的结合，导致假阳性或假阴性结果。
中国团队的“双线突破”：从材料创新到应用落地
在全球纳米生物传感器的竞争中，中国团队已形成“基础研究领先、应用落地快速”的独特优势，尤其在以下三个方向取得了可与欧美比肩的成果：
1. 电化学传感器：石墨烯技术实现“成本与性能平衡”
电化学传感器因结构简单、响应快、成本低，是目前最接近产业化的方向之一。中国在该领域的突破主要集中在石墨烯材料的改性和规模化制备。
清华大学李景虹院士团队在2023年《美国化学会志》（JACS）上发表的研究，解决了石墨烯传感器“抗干扰差”的痛点。他们通过在石墨烯表面修饰“卟啉分子”，构建了一种“分子识别屏障”——卟啉分子能特异性结合目标物质（如重金属离子Pb²⁺），同时排斥蛋白质等杂质。该传感器对Pb²⁺的检测限达到0.01微克/升（μg/L），远低于中国《生活饮用水卫生标准》中Pb²⁺的限值（10 μg/L），且在自来水、河水样品中的检测误差小于5%。更关键的是，团队开发的“卷对卷”石墨烯印刷技术，可实现传感器的批量生产，单份检测成本降至0.5美元，仅为欧美同类产品的1/20。
这项技术已通过产学研合作实现转化。2024年，深圳企业“清谱科技”基于该技术推出了便携式重金属检测仪，体积仅为传统仪器的1/5，重量不足1公斤，可用于水质现场检测。目前，该设备已在广东、浙江等地的环保部门投入使用，检测效率提升了3倍。
2. 荧光传感器：量子点技术领跑“多指标检测”
荧光传感器利用纳米材料的荧光特性（如量子点的高亮度、窄发射峰），可实现对多种目标物质的同时检测，在临床诊断领域应用前景广阔。中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所的刘庄团队，在量子点荧光传感器领域取得了国际领先的成果。
2024年，刘庄团队在《自然·材料》（Nature Materials）上发表论文，报道了一种“核壳结构量子点-抗体偶联物”。他们通过精准控制量子点的核壳组成（如CdSe/ZnS），使其发射波长覆盖从蓝光到红光的整个可见光谱，然后将不同波长的量子点分别与针对不同肿瘤标志物（如CA125、CA153、CA199）的抗体偶联。当传感器与血液样品反应时，不同肿瘤标志物会结合对应的量子点偶联物，通过检测荧光信号的强度和波长，可同时定量分析3种标志物的浓度，检测限均低于0.1 U/mL，检测时间仅需15分钟。
相比之下，欧美同类技术目前最多只能同时检测2种标志物，且检测时间超过30分钟。该技术已授权给江苏“纳微科技”进行产业化开发，预计2026年推出临床级多指标检测试剂盒，价格将比进口产品低40%，有望打破罗氏、雅培等外企在肿瘤标志物检测领域的垄断。
3. 单分子传感器：纳米孔技术攻克“核酸检测极限”
单分子传感器能实现对单个生物分子（如DNA、蛋白质）的直接检测，是纳米生物传感器的“终极形态”之一，也是目前全球竞争最激烈的领域。中国科学院上海微系统与信息技术研究所的王浩伟团队，在纳米孔单分子检测技术上实现了关键突破。
纳米孔传感器的原理类似“分子筛”——当DNA分子通过纳米孔时，会引起孔内电流的变化，通过分析电流信号的特征，可识别DNA的序列。王浩伟团队开发的“氮化硅纳米孔阵列”，通过精密控制纳米孔的直径（约2纳米）和厚度（约5纳米），实现了对DNA单碱基错配的精准识别。2025年，团队在《自然·纳米技术》上发表的研究显示，该传感器可检测出肺癌相关基因突变（如EGFR T790M），检测限达到1 copy/μL（每微升1个拷贝），比传统PCR技术灵敏100倍，且无需PCR扩增，检测时间从2小时缩短至10分钟。
目前，该技术已进入临床验证阶段，与上海肺科医院合作开展肺癌早筛研究。如果验证成功，将成为全球首个可用于临床的纳米孔单分子检测技术，大幅降低肺癌早筛的成本和时间，让“滴血验癌”的精度再上一个台阶。
从实验室到生活：纳米生物传感器将改变什么？
纳米生物传感器的实用化，不仅会推动医疗、环保等行业的变革，更会直接影响普通人的生活，带来三个层面的改变：
1. 医疗健康：“在家检测”成为常态
未来3-5年，基于纳米生物传感器的家用检测设备将普及。比如，清谱科技正在开发的“唾液肿瘤标志物检测试纸”，只需一滴唾液，10分钟内就能通过手机APP查看检测结果，可用于肺癌、胃癌的初步筛查，单份检测成本仅需10元。对于糖尿病患者，中科院化学所开发的“柔性葡萄糖传感器贴片”可贴在手臂上，实时监测汗液中的葡萄糖浓度，并通过蓝牙将数据同步到手机，当血糖超标时自动报警，无需反复采血，解决了传统指尖采血的痛苦。
在传染病检测领域，纳米生物传感器也将发挥重要作用。2024年，清华大学团队开发的“量子点新冠抗原检测试剂盒”，检测限达到0.01 ng/mL，比市面上的试剂盒灵敏10倍，可在感染后的12小时内检测出阳性，为疫情早发现、早控制提供支持。
2. 环境监测：“实时预警”守护生态安全
纳米生物传感器的便携性和高灵敏度，使其成为环境监测的“利器”。除了前文提到的水质重金属检测仪，中国科学院生态环境研究中心的团队还开发了基于碳纳米管的“空气污染物传感器”，可同时检测PM2.5、甲醛、VOCs（挥发性有机化合物）等多种污染物，检测限达到0.1微克/立方米（μg/m³），响应时间小于1分钟。目前，该传感器已集成到城市空气质量监测站，实现了对污染物的实时、网格化监测，为环保部门的精准治污提供数据支持。
对于普通民众，搭载该传感器的“智能空气净化器”已在2025年上市，可根据实时检测到的污染物浓度自动调节净化功率，比传统净化器节能30%。
3. 食品安检：“快速筛查”保障餐桌安全
纳米生物传感器在食品安检领域的应用，将解决传统检测方法“耗时久、成本高”的问题。比如，江南大学开发的“金纳米颗粒农药残留传感器”，可检测蔬菜中的有机磷农药，检测限达到0.001毫克/千克（mg/kg），远低于国家标准（0.01 mg/kg），检测时间仅需5分钟，且无需专业仪器，通过肉眼观察溶液颜色变化即可判断结果。目前，该传感器已在江苏、山东等地的农贸市场投入使用，商贩只需花1元购买检测试纸，就能快速筛查蔬菜的农药残留，让消费者吃得更放心。
行业变革：万亿市场的“中国机会”
纳米生物传感器的产业化，将催生一个规模达万亿的新兴市场，同时推动相关产业链的升级，为中国带来三大行业机遇：
1. 材料产业：高端纳米材料国产化加速
纳米生物传感器的核心是纳米材料，其性能直接决定传感器的质量。过去，高端纳米材料（如高质量石墨烯、量子点）主要依赖进口，价格高昂（如1克石墨烯的价格超过100美元）。随着中国在传感器领域的突破，高端纳米材料的国产化需求激增，推动了相关产业的发展。
比如，宁波墨西科技通过改进化学气相沉积（CVD）法，实现了高质量石墨烯的批量生产，成本从2018年的100美元/克降至2025年的1美元/克，产品已供应给清华大学、清谱科技等机构和企业；厦门三安光电的量子点生产线产能达到10吨/年，占据全球量子点市场份额的25%，打破了美国Nanosys公司的垄断。
2. 医疗器械：国产设备实现“弯道超车”
在高端医疗器械领域，中国长期依赖进口，比如临床诊断用的免疫分析仪，罗氏、雅培等外企占据了80%以上的市场份额。而纳米生物传感器的出现，为国产设备提供了“弯道超车”的机会。
深圳新产业生物基于中科院苏州纳米所的量子点技术，开发出全自动化学发光免疫分析仪，检测速度达到200测试/小时，比罗氏同类产品快20%，价格仅为其1/2。目前，该设备已进入全国300多家医院，市场份额从2022年的5%提升至2025年的15%。预计到2030年，国产纳米生物传感器类医疗器械的市场份额将超过50%，彻底改变“进口依赖”的格局。
3. 物联网：“智能传感”构建万物互联
纳米生物传感器是物联网的“感知神经”，其微型化、低功耗、高灵敏度的特点，使其能集成到各种智能设备中，推动物联网的发展。比如，华为在2025年推出的“智能手表”，搭载了基于石墨烯的汗液传感器，可监测心率、血糖、乳酸等多种生理指标，成为“可穿戴医疗设备”的标杆产品；小米的“智能冰箱”集成了食品 freshness 传感器，可实时监测食材的新鲜度，当食材变质时自动提醒用户，减少浪费。
据IDC预测，到2027年，全球搭载纳米生物传感器的物联网设备数量将达到100亿台，中国将占据40%的市场份额，成为全球最大的智能传感设备市场。
结语：技术突围背后的“中国逻辑”
从《自然·纳米技术》的评论文章，到中国团队的一系列技术突破，纳米生物传感器的发展轨迹，折射出中国科技从“跟跑”到“并跑”再到“领跑”的转变。这种转变的背后，是“基础研究+应用落地+产业支持”的协同发力：
在基础研究层面，国家自然科学基金、科技部重点研发计划等对纳米生物传感器领域的持续投入，为科研团队提供了稳定的资金支持；在应用落地层面，产学研合作机制的完善，让实验室的技术快速转化为产品；在产业支持层面，地方政府的产业园区、创投基金为企业提供了场地和资金，加速了产业化进程。
当然，中国在纳米生物传感器领域仍面临挑战，比如在高端芯片设计、精密制造设备等方面与欧美还有差距。但随着技术的不断突破和产业的快速发展，这些差距正在逐渐缩小。未来，当纳米生物传感器真正融入医疗、环保、食品等各个领域，我们或许会发现，这场由中国参与并引领的“传感革命”，不仅改变了技术格局，更改变了我们的生活方式——让健康更可及，让环境更安全，让生活更智能。
来源：智能学院