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近日，英國(guó)劍橋大學(xué)與沙特阿卜杜拉國(guó)王科技大學(xué)（KAUST）領(lǐng)導(dǎo)的國(guó)際科研團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種由半導(dǎo)電塑料制成的低成本傳感器，它可以用于診斷或監(jiān)測(cè)各種健康狀況，例如手術(shù)并發(fā)癥或神經(jīng)退行性疾病。
背景
作為一個(gè)多學(xué)科交叉融合的前沿科技領(lǐng)域，生物傳感器這些年引起了全世界的廣泛重視。顧名思義，生物傳感器指的是對(duì)于生物物質(zhì)敏感，能將濃度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)的傳感器設(shè)備。
生物傳感器是由識(shí)別元件即固定化的生物敏感材料（包括酶、抗體、抗原、微生物、細(xì)胞、組織、核酸等生物活性物質(zhì)）、適當(dāng)?shù)睦砘瘬Q能器（如氧電極、光敏管、場(chǎng)效應(yīng)管、壓電晶體等等）及信號(hào)放大裝置構(gòu)成的分析工具或系統(tǒng)。
筆者之前介紹過(guò)許多有關(guān)生物傳感器的研究成果，下面舉三個(gè)經(jīng)典的案例帶大家回顧一下：
1）美國(guó)辛辛那提大學(xué)開發(fā)的汗液傳感器，能在用戶保持涼爽舒適的狀態(tài)下，獲取汗液并分析用戶健康狀況，甚至是精神壓力情況。
2）韓國(guó)大邱慶北科學(xué)技術(shù)院的科研團(tuán)隊(duì)利用蜘蛛網(wǎng)微磁圖案，開發(fā)出新的集成生物傳感器芯片實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)，比現(xiàn)有生物傳感器快20倍。這項(xiàng)技術(shù)可用于癌癥等疾病的早期診斷和復(fù)發(fā)診斷。
3）美國(guó)加州大學(xué)圣迭戈分校開發(fā)的低成本石墨烯生物傳感器芯片，可以實(shí)時(shí)檢測(cè)基因突變。對(duì)于許多危及生命的疾病的早期檢查和篩選，它有望帶來(lái)重大突破。
創(chuàng)新
今天，筆者要為大家介紹一款新的低成本生物傳感器。
近日，英國(guó)劍橋大學(xué)與沙特阿卜杜拉國(guó)王科技大學(xué)（KAUST）領(lǐng)導(dǎo)的國(guó)際科研團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種由半導(dǎo)體塑料制成的低成本傳感器，它可以用于診斷或監(jiān)測(cè)各種健康狀況，例如手術(shù)并發(fā)癥或神經(jīng)退行性疾病。研究成果發(fā)表于《科學(xué)進(jìn)展（Science Advances）》雜志。
技術(shù)
這種傳感器能夠測(cè)量一些關(guān)鍵代謝物的數(shù)量，例如汗液、淚液、唾液、血液中的乳酸或葡萄糖。當(dāng)集成到診斷設(shè)備中時(shí)，它可以快速、便宜、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)健康狀況。這種新設(shè)備的設(shè)計(jì)比現(xiàn)有的傳感器要簡(jiǎn)單得多，為細(xì)胞水平的健康監(jiān)測(cè)提供了廣泛的新可能性。
目前，研究中采用的那些半導(dǎo)電塑料，正用于太陽(yáng)能電池和柔性電子的開發(fā)，但是尚未廣泛應(yīng)用于生物領(lǐng)域。
劍橋大學(xué)化學(xué)工程與生物技術(shù)系博士后研究員、論文領(lǐng)導(dǎo)作者 Anna-Maria Pappa 博士表示：“在研究中，我們已經(jīng)突破了用酶作為傳感材料的傳統(tǒng)電化學(xué)傳感器的許多局限。在傳統(tǒng)生物傳感器中，傳感器電極與傳感材料之間的通信并不是很高效，所以有必要添加分子導(dǎo)線來(lái)‘增強(qiáng)’信號(hào)。”
為了開發(fā)他們的傳感器，Pappa 和她的同事們采用帝國(guó)理工大學(xué)新合成的聚合物作為分子導(dǎo)線，直接接收電化學(xué)反應(yīng)期間產(chǎn)生的電子。當(dāng)材料與汗液、淚液、血液產(chǎn)生接觸時(shí)，它會(huì)吸收離子并產(chǎn)生溶脹 ，變得與液體融合在一起。相比于由金屬電極制成的傳統(tǒng)傳感器，其靈敏度明顯高很多。
此外，當(dāng)傳感器合結(jié)合更復(fù)雜的電路例如晶體管時(shí)，信號(hào)會(huì)被放大并對(duì)于代謝物濃度的微小波動(dòng)作出響應(yīng)，盡管設(shè)備的尺寸可以做得很小。
傳感器的初始測(cè)試是用于測(cè)量乳酸水平，這對(duì)于健康應(yīng)用或者病人的術(shù)后監(jiān)測(cè)很有用。然而，研究人員稱，傳感器可以經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單修改，包含適當(dāng)?shù)拿?，?lái)檢測(cè)其他代謝產(chǎn)物，例如葡萄糖或者膽固醇。而且，傳感器檢測(cè)的濃度范圍可通過(guò)改變?cè)O(shè)備的幾何形狀來(lái)調(diào)整。
價(jià)值
Pappa 表示：“這是首次采用一種接收電子的聚合物，它可以經(jīng)過(guò)調(diào)整用于改善酶之間的通信，從而直接監(jiān)測(cè)代謝物。在這之前，此類監(jiān)測(cè)都無(wú)法直接完成。它為生物傳感領(lǐng)域開辟了新的方向，材料可以經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)與特定的代謝物相互作用，帶來(lái)敏感度和選擇性都好很多的傳感器。”
因?yàn)閭鞲衅鞑⒉皇怯山鸹蜚K之類的金屬組成，所以它的制造成本相對(duì)較低，并且很容易與可拉伸的柔性基底結(jié)合到一起，從而實(shí)現(xiàn)可穿戴或者植入式的傳感應(yīng)用。
Pappa 表示：“植入式設(shè)備使我們能夠在壓力狀態(tài)下，例如發(fā)病期間或者前一刻，實(shí)時(shí)檢測(cè)大腦的代謝活動(dòng)，用于預(yù)測(cè)發(fā)病或評(píng)估治療。”
目前，研究人員正在計(jì)劃開發(fā)一種在體外實(shí)時(shí)檢測(cè)人類細(xì)胞代謝活動(dòng)的傳感器。Pappa 所處的生物電子系統(tǒng)和技術(shù)小組正專注于開發(fā)模仿我們器官的近似模型，并精準(zhǔn)地實(shí)時(shí)評(píng)估這些模型的技術(shù)。先進(jìn)的傳感器技術(shù)可以與這些模型一起使用，測(cè)試藥物的效力與毒性。
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