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英国发明低成本的塑料传感器 可监测人体健康

发布日期:2018-06-28 16:48:08     来源:江淮机电网      编辑:whl

  江淮机电网6月28日报道 近日,英国剑桥大学与沙特阿卜杜拉国王科技大学(KAUST)领导的国际科研团队开发出一种由半导电塑料制成的低成本传感器,它可以用于诊断或监测各种健康状况,例如手术并发症或神经退行性疾病。

  背景

  作为一个多学科交叉融合的前沿科技领域,生物传感器这些年引起了全世界的广泛重视。顾名思义,生物传感器指的是对于生物物质敏感,能将浓度转换为电信号进行检测的传感器设备。

  生物传感器是由识别元件即固定化的生物敏感材料(包括酶、抗体、抗原、微生物、细胞、组织、核酸等生物活性物质)、适当的理化换能器(如氧电极、光敏管、场效应管、压电晶体等等)及信号放大装置构成的分析工具或系统。

  笔者之前介绍过许多有关生物传感器的研究成果,下面举三个经典的案例带大家回顾一下:

  1)美国辛辛那提大学开发的汗液传感器,能在用户保持凉爽舒适的状态下,获取汗液并分析用户健康状况,甚至是精神压力情况。

  2)韩国大邱庆北科学技术院的科研团队利用蜘蛛网微磁图案,开发出新的集成生物传感器芯片实验室平台,比现有生物传感器快20倍。这项技术可用于癌症等疾病的早期诊断和复发诊断。

  3)美国加州大学圣迭戈分校开发的低成本石墨烯生物传感器芯片,可以实时检测基因突变。对于许多危及生命的疾病的早期检查和筛选,它有望带来重大突破。

  创新

  今天,笔者要为大家介绍一款新的低成本生物传感器。

  近日,英国剑桥大学与沙特阿卜杜拉国王科技大学(KAUST)领导的国际科研团队开发出一种由半导体塑料制成的低成本传感器,它可以用于诊断或监测各种健康状况,例如手术并发症或神经退行性疾病。研究成果发表于《科学进展(Science Advances)》杂志。

  技术

  这种传感器能够测量一些关键代谢物的数量,例如汗液、泪液、唾液、血液中的乳酸或葡萄糖。当集成到诊断设备中时,它可以快速、便宜、准确地监测健康状况。这种新设备的设计比现有的传感器要简单得多,为细胞水平的健康监测提供了广泛的新可能性。

  目前,研究中采用的那些半导电塑料,正用于太阳能电池和柔性电子的开发,但是尚未广泛应用于生物领域。

  剑桥大学化学工程与生物技术系博士后研究员、论文领导作者 Anna-Maria Pappa 博士表示:“在研究中,我们已经突破了用酶作为传感材料的传统电化学传感器的许多局限。在传统生物传感器中,传感器电极与传感材料之间的通信并不是很高效,所以有必要添加分子导线来‘增强’信号。”

  为了开发他们的传感器,Pappa 和她的同事们采用帝国理工大学新合成的聚合物作为分子导线,直接接收电化学反应期间产生的电子。当材料与汗液、泪液、血液产生接触时,它会吸收离子并产生溶胀 ,变得与液体融合在一起。相比于由金属电极制成的传统传感器,其灵敏度明显高很多。

  此外,当传感器合结合更复杂的电路例如晶体管时,信号会被放大并对于代谢物浓度的微小波动作出响应,尽管设备的尺寸可以做得很小。

  传感器的初始测试是用于测量乳酸水平,这对于健康应用或者病人的术后监测很有用。然而,研究人员称,传感器可以经过简单修改,包含适当的酶,来检测其他代谢产物,例如葡萄糖或者胆固醇。而且,传感器检测的浓度范围可通过改变设备的几何形状来调整。

  价值

  Pappa 表示:“这是首次采用一种接收电子的聚合物,它可以经过调整用于改善酶之间的通信,从而直接监测代谢物。在这之前,此类监测都无法直接完成。它为生物传感领域开辟了新的方向,材料可以经过设计与特定的代谢物相互作用,带来敏感度和选择性都好很多的传感器。”

  因为传感器并不是由金或铂之类的金属组成,所以它的制造成本相对较低,并且很容易与可拉伸的柔性基底结合到一起,从而实现可穿戴或者植入式的传感应用。

  Pappa 表示:“植入式设备使我们能够在压力状态下,例如发病期间或者前一刻,实时检测大脑的代谢活动,用于预测发病或评估治疗。”

  目前,研究人员正在计划开发一种在体外实时检测人类细胞代谢活动的传感器。Pappa 所处的生物电子系统和技术小组正专注于开发模仿我们器官的近似模型,并精准地实时评估这些模型的技术。先进的传感器技术可以与这些模型一起使用,测试药物的效力与毒性。
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