納米材料，醫(yī)學傳感器技術的又一次突破

 

事實上，除了新冠肺炎外，微生物病原體，包括病毒和細菌，每年造成數百萬人死亡。病毒性傳染病和流行病的持續(xù)發(fā)生，影響著各國的民生和經濟。在持續(xù)不斷的控制和消除致命傳染病的斗爭中，我們如何保證人員安全？一線普篩是一種解決方案。但是，現(xiàn)在使用的傳染病檢測方法需要15分鐘至4小時才能得出結果，速度太慢，無法控制或遏制流行病的快速蔓延。而且如今的檢測通常不準確或價格高昂，需要依賴化驗室、訓練有素的技術人員和復雜的樣品制備過程。因此，急需一種能夠快速高效檢測抗原的測試設備。

 

納米傳感器開始走向科學家們的視線，由于納米傳感器站在原子尺度上，因此利用納米技術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，推動了傳感器的制作水平，拓寬了傳感器的應用領域。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行操作，充分利用了納米材料的反應活性、拉曼光譜效應、催化效率、導電性、強度、硬度、韌性、超強可塑性和超順磁性等特有性質，具有許多顯著特點：

 

靈敏度高：用于探測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。研究人員運用碳納米管與納米薄膜技術，研制出具有高靈敏度、高穩(wěn)定性的柔性可穿戴仿生觸覺傳感器——人造仿生電子皮膚，可對人體不同生理狀態(tài)進行準確檢測和疾病前期診斷。

 

功耗小：納米級機器人傳感器已經可以通過血液注入的方式進入人體，對人體的生理參數進行實時監(jiān)測，并有望對于癌變細胞、致病基因進行靶向精確治療。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的成熟，制造過程的可重復性和批量化生產已不存在太大的問題，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的具有不同功能的納米傳感器組成的陣列加工在一個小微型化芯片上，使其具有多功能探測與分析能力，并具有越來越強大的數據處理、存儲與分析的能力，若與互聯(lián)網相連接，還將具備數據遠程分析處理的能力。

 

基于納米傳感器技術快速診斷的設備模型

 

作為一家開創(chuàng)性的生物技術公司，Pinpoint Science大膽設想推出一種更高效的即時檢測和診斷解決方案：易于使用、可便攜的讀取器和插入式檢測盒，配備先進的納米傳感器。這種診斷裝置可以快速檢測生物指標，例如抗體和抗原等，并快速識別出導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盒，可以現(xiàn)場得出準確的結果，不需要依賴化驗室、醫(yī)療技術人員或樣品制備。基于突破性的概念，通過使用便攜式納米傳感器技術診斷裝置，在一分鐘之內查明病原體。但要將其專利技術商業(yè)化，并將能夠挽救生命的技術概念推向市場，Pinpoint選擇與具有深厚的領域知識和制造專業(yè)知識的戰(zhàn)略合作伙伴ADI進行合作。

 

其基本原理是基于納米傳感器的檢測來鎖定人類體內的流感病毒和動物體內的藍舌病病毒，這種診斷使用抗體或合成分子來檢測和測量特定的蛋白質，借此判斷是否感染。在Pinpoint Science看來，該檢測平臺對人類的作用并不止限于COVID-19新冠肺炎疫情，而是具有更長遠的價值。

 

 

第1步，將檢測盒插入Pinpoint讀取器。

第2步，將拭子插入檢測盒。

第3步，按下按鈕，如果呈陽性，則燈變藍，如果呈陰性，則燈變白。結果也顯示在平板電腦上。

 

基于此需求，ADI修改了生產流程，以便根據這家初創(chuàng)公司的設計，定制化生產傳感器。通過ADI獨特的MEMS制造能力和傳感器開發(fā)能力，Pinpoint對其產品進行測試，以確定傳感器的性能，如果結果令人滿意，就會將其轉變?yōu)楣δ芑募{米孔生物傳感器。

 

ADI的精密數據轉換器也非常適合Pinpoint的電化學平臺，事實上Pinpoint的便攜式讀取器便將以ADuCM355化學傳感平臺為基礎。ADuCM355精密模擬微控制器帶有生物傳感器和化學傳感器接口，是目前能夠在單個芯片上同時實現(xiàn)恒電位儀和電化學阻抗頻譜分析儀(EIS)功能的唯一解決方案，是工業(yè)氣體檢測、儀器儀表、生命體征監(jiān)測和疾病管理等應用的理想解決方案。該器件集成了行業(yè)最先進的傳感器診斷技術，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IC才能實現(xiàn)類似性能，相比之下，ADI的新型微控制器平臺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

 

納米技術與生物技術是21世紀的兩大前沿技術，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展，因此可以將選定的納米材料的屬性調整為適合電化學檢測的特定分析物，基于納米材料的電化學傳感器技術研發(fā)應用有望改變世界各地診斷傳染病的方式。在此過程中，ADI獨特的MEMS制造能力和傳感器開發(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提供參考見解。