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项目名称 技术分类 单位信息 第一发明人 专利情况 项目简介 发明创新点 产业化及市场应用

项目名称:多通道倏逝波全光纤生物传感器及应用

  • 中国人民大学
  • 北京市海淀区中关村路59号
  • 100084
  • 龙峰
  • 13683124746
  • www.ruc.edu.cn

第一发明人

姓名 龙 峰 电话 13683124746 电子邮件 longf04@ruc.edu.cn
区号 010 邮编 100084 通信地址 北京市海淀区中国人民大学环境学院227#

其他发明人

王浩宇 李 伟

专利情况

专利类型 专利状态
申请号 授权日期 授权专利号
201710422048.5 2020-02-28 CN 106990086 B
参展目的

项目简介

面向环境、医疗和食品安全等领域亟需微量靶标物快速监测与应急检测支撑技术和仪器的需求,结合生物传感技术快速高灵敏检测的特点,以生物功能材料对污染物的高灵敏特异性响应、光波导能量输出/输入与耦合、倏逝波激发荧光信号识别与低损耗传输模式的信息流精密调控与系统集成原理为基础,创新研制了多通道倏逝波全光纤生物传感器,并于2017年获得专利授权(授权专利号为ZL201710422048.5)。 该专利仪器融合倏逝波荧光分析原理、光纤传感原理、生物亲和反应原理及耦合波理论,利用自主研发精密全光纤光学系统,结合波束合成与解调技术和并行信号处理算法,首次提出基于空间分辨效应的新型微阵列光学生物传感原理,实现了仪器“功能集成、结构微缩”,可实现多目标物的高灵敏同时检测。通过发展高载量、高识别效率的功能化光纤探针,结合生物亲和反应原理,多通道倏逝波全光纤生物传感器成为世界上首款可实现有机污染物、重金属、生物毒素、病原微生物等不同类型污染物快速灵敏检测的仪器。基于空间分辨效应,多通道倏逝波全光纤生物传感器成功用于环境样品中微囊藻毒素-LR、2,4-D、阿特拉津和双酚A等多种污染物的现场快速并行检测,检测灵敏度可满足饮用水安全标准,检测时间少于15min(Li et al., Anal. Chim. Acta; Long et al., Talanta 2020)。由于新冠病毒和流感病毒所造成的临床症状极其相似,为快速、灵敏区分SARS-CoV-2 和FluA感染者,基于该专利技术,建立了新冠病毒和流感病毒快速甄别检测技术,为精准医疗和疫情防控提供新的技术支撑(Yang et al., J. Med. Virol. 2022)。该仪器也成功应用于乳制品等食品中农药残留、抗生素、非法添加剂等风险污染物的现场即时检测,灵敏度和准确性与质谱测试结果相当,并以此制订河北省地方标准1项(食品金属包装内壁涂层中三聚氰胺和双酚A迁移量的测定,标准号为:DB13/T 5155-2019)。 参评专利产品已成功实现了产业化,检测指标的种类多于国外同类仪器(如美国International Research公司的RAPTOR仪),仪器的检出限优于国外同类仪器,传感元件重复检测次数是国外仪器的40倍以上,检测速度快,单个样品的检测成本约为国外仪器的15%,较国外同类仪器具有明显的优势。与国内同类技术相比,参评专利在检测指标与性能、成本价格、光学系统先进性等方面也具有显著优势。该仪器已在30余家企业、科研院所等单位得到应用,获得良好的经济效应和社会效益。参评专利产品相关成果获得2020年产学研合作创新奖。

发明创新点

1、该专利融合倏逝波荧光分析原理、光纤传感原理、生物亲和反应原理及耦合波理论,自主研发精密全光纤光学系统,运用波束合成与解调技术和并行信号处理算法,创新提出基于空间分辨效应的新型微阵列光学生物传感原理,实现仪器“功能集成、结构微缩”,成功研制了基于空间分辨效应的多通道倏逝波全光纤生物传感器。该仪器采用模块化设计,将各分离式器件集成于一体,提高了仪器的稳定性、便携性、准确性和抗震性能。 2、为了使仪器满足环境、医疗和食品等领域风险污染物现场检测的多种需求,在研制阶梯型倏逝波全光纤生物传感元件的基础上,发明了基于单多模光纤耦合器结构对的精密全光纤光学系统。该光学系统利用单模光纤只传播一种模式光和多模光纤可收集传输更多荧光的特点,有效地阻止光的损失。同时,该光学系统利用精密全光纤光学系统实现多路激发光和弱荧光信号的收集与传输,最大限度地减少光学分离元件,结构简单、紧凑,使得仪器小型化,并大幅度提高光传递效率高和信噪比、降低光损耗低,从而有效地提高了仪器的灵敏度。 3、多通道倏逝波全光纤生物传感器突破以往一种检测仪器只能测一类污染物的局限性,在国际上首次实现了同一仪器现场快速检测病原微生物、有毒有机污染物、重金属、生物毒素等不同类型污染物的功能,极大地降低环境、食品等领域各种突发污染事件对大型检测装备的依赖。 4、降低对使用人员技能及使用场所条件的要求,提高检测的便捷性及经济性。研发的多通道倏逝波全光纤生物传感器采用适用于多元靶标联合检测的精密全光纤光学生物传感系统和微型超灵敏荧光探测器等自主研发的新型关键技术,有效克服传统光学仪器光路系统复杂、光传输效率低、光学元件需精确定位、难以应用于现场检测等不足,可缩短检测用时,提升便捷程度,降低检测成本,推动检测前移下移,为及时应对生化威胁、疫情防控、环境应急和食品安全事故,保障人们健康、提升处理处置能力提供关键技术支撑。

产业化及市场应用效益情况

为加快专利的有效实施,在技术攻关、示范验证的基础上,积极推进了该专利形成的仪器在我国环境监测、食品检测、精准医疗等领域的应用,并实现产业化。截至目前,多通道倏逝波全光纤生物传感器已在数十家科研院校和企业进行应用。科研院校运用专利产品开展了风险污染物的现场高效检测方法、生物分子相互作用动力学、新生物功能材料筛选等方面的研究,取得了丰硕的创新型成果。清华大学环境学院结合分子生物学和生物亲和反应原理,建立重金属、抗生素和POPs等特征污染物的现场高效检测方法。首都师范大学利用该仪器进行生物分子的检测和生物分子相互作用过程动力学实时分析,可有效替代昂贵的SPR仪,并大幅度降低研究成本。中国农业大学、北京化工大学等院校利用参评专利产品开展了食品安全和化学工业品检测等相关研究。中国人民解放军疾控中心使用该专利产品实现了流感病毒和新冠病毒的同时检测。参评产品不仅为科研院所应用单位节省了大量的科研经费,而且形成了诸多创新性成果,培养了大量创新型人才。 在企业合作方面,为拓展合作范围和加速产品产业化,先后与北京瑞联安科技有限公司、先锋智慧(北京)科技有限公司等企业签订了合作协议,协同研发新型光纤生物传感器及其配套试剂盒,并建立多种风险污染物规范化检测方法。北京瑞联安科技有限公司年均销售达数百万元,仅五年累计获得利润达千万元。已将两个外围专利转让给先锋智慧(北京)科技有限公司,该公司以此获得北京协同创新研究院和义务协同创新研究院共同投资490万元,年均效益达数百万余元。同时,参评专利产品获得国防生物安全相关部门的采购(秘密级),经费为200.0万元。另外,该专利产品已在河北省科学研究院、军事医学科学院、厦门大学、河北兽药监督所等数十家科研单位和企业中得到广泛应用(参见附件中的应用证明),据不完全统计,已为应用单位累计节省费用达数百万元。参评专利还为北京言必信科技有限公司等多家单位提供了技术支持。与企业的合作极大地促进了专利产品的产业化和市场化应用。 总之,该专利紧密围绕国家的重大需求,是针对我国医疗诊断、疫情防控、环境监测和食品检测等领域迫切需要研发的自主创新的新型监测技术和仪器,具有强大的市场竞争力和广阔的应用前景。该专利的推广应用将有力推动精准医疗、环境监测和食品安全等领域的技术进步,促进医疗、环境与食品安全检测仪器的跨越式发展。

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