納米材料，醫(yī)學(xué)傳感器技術(shù)的又一次突破

 

事實(shí)上，除了新冠肺炎外，微生物病原體，包括病毒和細(xì)菌，每年造成數(shù)百萬(wàn)人死亡。病毒性傳染病和流行病的持續(xù)發(fā)生，影響著各國(guó)的民生和經(jīng)濟(jì)。在持續(xù)不斷的控制和消除致命傳染病的斗爭(zhēng)中，我們?nèi)绾伪ＷC人員安全？一線(xiàn)普篩是一種解決方案。但是，現(xiàn)在使用的傳染病檢測(cè)方法需要15分鐘至4小時(shí)才能得出結(jié)果，速度太慢，無(wú)法控制或遏制流行病的快速蔓延。而且如今的檢測(cè)通常不準(zhǔn)確或價(jià)格高昂，需要依賴(lài)化驗(yàn)室、訓(xùn)練有素的技術(shù)人員和復(fù)雜的樣品制備過(guò)程。因此，急需一種能夠快速高效檢測(cè)抗原的測(cè)試設(shè)備。

 

納米傳感器開(kāi)始走向科學(xué)家們的視線(xiàn)，由于納米傳感器站在原子尺度上，因此利用納米技術(shù)制作的傳感器尺寸減小、精度提高、性能大大改善，從而極大地豐富了傳感器的理論，推動(dòng)了傳感器的制作水平，拓寬了傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域。與傳統(tǒng)的傳感器相比，納米傳感器由于可以在原子和分子尺度上進(jìn)行操作，充分利用了納米材料的反應(yīng)活性、拉曼光譜效應(yīng)、催化效率、導(dǎo)電性、強(qiáng)度、硬度、韌性、超強(qiáng)可塑性和超順磁性等特有性質(zhì)，具有許多顯著特點(diǎn)：

 

靈敏度高：用于探測(cè)有毒氣體的碳納米管傳感器，利用納米晶或多孔納米材料可以增加與毒性氣體分子接觸的表面積，其靈敏度可以增加幾倍。研究人員運(yùn)用碳納米管與納米薄膜技術(shù)，研制出具有高靈敏度、高穩(wěn)定性的柔性可穿戴仿生觸覺(jué)傳感器——人造仿生電子皮膚，可對(duì)人體不同生理狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確檢測(cè)和疾病前期診斷。

 

功耗?。杭{米級(jí)機(jī)器人傳感器已經(jīng)可以通過(guò)血液注入的方式進(jìn)入人體，對(duì)人體的生理參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并有望對(duì)于癌變細(xì)胞、致病基因進(jìn)行靶向精確治療。與傳統(tǒng)傳感器相比，納米傳感器還可具有自供電能力、從環(huán)境中收集光輻射和電磁輻射能量的能力。

 

成本低：隨著納米材料制備技術(shù)的成熟，制造過(guò)程的可重復(fù)性和批量化生產(chǎn)已不存在太大的問(wèn)題，納米傳感器的制造成本亦可以大大降低。

 

多功能集成：傳統(tǒng)的傳感器一般為具有單一功能的傳感器，納米傳感器則可以將成千上萬(wàn)的具有不同功能的納米傳感器組成的陣列加工在一個(gè)小微型化芯片上，使其具有多功能探測(cè)與分析能力，并具有越來(lái)越強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)與分析的能力，若與互聯(lián)網(wǎng)相連接，還將具備數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程分析處理的能力。

 

基于納米傳感器技術(shù)快速診斷的設(shè)備模型

 

作為一家開(kāi)創(chuàng)性的生物技術(shù)公司，Pinpoint Science大膽設(shè)想推出一種更高效的即時(shí)檢測(cè)和診斷解決方案：易于使用、可便攜的讀取器和插入式檢測(cè)盒，配備先進(jìn)的納米傳感器。這種診斷裝置可以快速檢測(cè)生物指標(biāo)，例如抗體和抗原等，并快速識(shí)別出導(dǎo)致疾病和死亡的特定微生物病原體。讀取器配有一次性的靶向病原體檢測(cè)盒，可以現(xiàn)場(chǎng)得出準(zhǔn)確的結(jié)果，不需要依賴(lài)化驗(yàn)室、醫(yī)療技術(shù)人員或樣品制備?；谕黄菩缘母拍?，通過(guò)使用便攜式納米傳感器技術(shù)診斷裝置，在一分鐘之內(nèi)查明病原體。但要將其專(zhuān)利技術(shù)商業(yè)化，并將能夠挽救生命的技術(shù)概念推向市場(chǎng)，Pinpoint選擇與具有深厚的領(lǐng)域知識(shí)和制造專(zhuān)業(yè)知識(shí)的戰(zhàn)略合作伙伴ADI進(jìn)行合作。

 

其基本原理是基于納米傳感器的檢測(cè)來(lái)鎖定人類(lèi)體內(nèi)的流感病毒和動(dòng)物體內(nèi)的藍(lán)舌病病毒，這種診斷使用抗體或合成分子來(lái)檢測(cè)和測(cè)量特定的蛋白質(zhì)，借此判斷是否感染。在Pinpoint Science看來(lái)，該檢測(cè)平臺(tái)對(duì)人類(lèi)的作用并不止限于COVID-19新冠肺炎疫情，而是具有更長(zhǎng)遠(yuǎn)的價(jià)值。

 

 

第1步，將檢測(cè)盒插入Pinpoint讀取器。

第2步，將拭子插入檢測(cè)盒。

第3步，按下按鈕，如果呈陽(yáng)性，則燈變藍(lán)，如果呈陰性，則燈變白。結(jié)果也顯示在平板電腦上。

 

基于此需求，ADI修改了生產(chǎn)流程，以便根據(jù)這家初創(chuàng)公司的設(shè)計(jì)，定制化生產(chǎn)傳感器。通過(guò)ADI獨(dú)特的MEMS制造能力和傳感器開(kāi)發(fā)能力，Pinpoint對(duì)其產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)試，以確定傳感器的性能，如果結(jié)果令人滿(mǎn)意，就會(huì)將其轉(zhuǎn)變?yōu)楣δ芑募{米孔生物傳感器。

 

ADI的精密數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器也非常適合Pinpoint的電化學(xué)平臺(tái)，事實(shí)上Pinpoint的便攜式讀取器便將以ADuCM355化學(xué)傳感平臺(tái)為基礎(chǔ)。ADuCM355精密模擬微控制器帶有生物傳感器和化學(xué)傳感器接口，是目前能夠在單個(gè)芯片上同時(shí)實(shí)現(xiàn)恒電位儀和電化學(xué)阻抗頻譜分析儀(EIS)功能的唯一解決方案，是工業(yè)氣體檢測(cè)、儀器儀表、生命體征監(jiān)測(cè)和疾病管理等應(yīng)用的理想解決方案。該器件集成了行業(yè)最先進(jìn)的傳感器診斷技術(shù)，具有卓越的低噪聲和低功耗性能，并且尺寸最小。傳統(tǒng)的分立式解決方案往往具有一些局限性，并且需要多個(gè)IC才能實(shí)現(xiàn)類(lèi)似性能，相比之下，ADI的新型微控制器平臺(tái)能夠提供更高的可靠性和極大靈活性，并且可以顯著節(jié)約成本。

 

 

本文小結(jié)

 

納米技術(shù)與生物技術(shù)是21世紀(jì)的兩大前沿技術(shù)，在這兩者之間又存在著許多交叉。由于近些年納米材料在具有可控的形態(tài)，尺寸，表面電荷和合成方面已取得重大進(jìn)展，因此可以將選定的納米材料的屬性調(diào)整為適合電化學(xué)檢測(cè)的特定分析物，基于納米材料的電化學(xué)傳感器技術(shù)研發(fā)應(yīng)用有望改變世界各地診斷傳染病的方式。在此過(guò)程中，ADI獨(dú)特的MEMS制造能力和傳感器開(kāi)發(fā)能力，將為更多的合作伙伴研究更高效和可定制的納米傳感器生物技術(shù)提供參考見(jiàn)解。