纳米材料，医学传感器技术的又一次突破

 

事实上，除了新冠肺炎外，微生物病原体，包括病毒和细菌，每年造成数百万人死亡。病毒性传染病和流行病的持续发生，影响着各国的民生和经济。在持续不断的控制和消除致命传染病的斗争中，我们如何保证人员安全？一线普筛是一种解决方案。但是，现在使用的传染病检测方法需要15分钟至4小时才能得出结果，速度太慢，无法控制或遏制流行病的快速蔓延。而且如今的检测通常不准确或价格高昂，需要依赖化验室、训练有素的技术人员和复杂的样品制备过程。因此，急需一种能够快速高效检测抗原的测试设备。

 

纳米传感器开始走向科学家们的视线，由于纳米传感器站在原子尺度上，因此利用纳米技术制作的传感器尺寸减小、精度提高、性能大大改善，从而极大地丰富了传感器的理论，推动了传感器的制作水平，拓宽了传感器的应用领域。与传统的传感器相比，纳米传感器由于可以在原子和分子尺度上进行操作，充分利用了纳米材料的反应活性、拉曼光谱效应、催化效率、导电性、强度、硬度、韧性、超强可塑性和超顺磁性等特有性质，具有许多显著特点：

 

灵敏度高：用于探测有毒气体的碳纳米管传感器，利用纳米晶或多孔纳米材料可以增加与毒性气体分子接触的表面积，其灵敏度可以增加几倍。研究人员运用碳纳米管与纳米薄膜技术，研制出具有高灵敏度、高稳定性的柔性可穿戴仿生触觉传感器——人造仿生电子皮肤，可对人体不同生理状态进行准确检测和疾病前期诊断。

 

功耗小：纳米级机器人传感器已经可以通过血液注入的方式进入人体，对人体的生理参数进行实时监测，并有望对于癌变细胞、致病基因进行靶向精确治疗。与传统传感器相比，纳米传感器还可具有自供电能力、从环境中收集光辐射和电磁辐射能量的能力。

 

成本低：随着纳米材料制备技术的成熟，制造过程的可重复性和批量化生产已不存在太大的问题，纳米传感器的制造成本亦可以大大降低。

 

多功能集成：传统的传感器一般为具有单一功能的传感器，纳米传感器则可以将成千上万的具有不同功能的纳米传感器组成的阵列加工在一个小微型化芯片上，使其具有多功能探测与分析能力，并具有越来越强大的数据处理、存储与分析的能力，若与互联网相连接，还将具备数据远程分析处理的能力。

 

基于纳米传感器技术快速诊断的设备模型

 

作为一家开创性的生物技术公司，Pinpoint Science大胆设想推出一种更高效的即时检测和诊断解决方案：易于使用、可便携的读取器和插入式检测盒，配备先进的纳米传感器。这种诊断装置可以快速检测生物指标，例如抗体和抗原等，并快速识别出导致疾病和死亡的特定微生物病原体。读取器配有一次性的靶向病原体检测盒，可以现场得出准确的结果，不需要依赖化验室、医疗技术人员或样品制备。基于突破性的概念，通过使用便携式纳米传感器技术诊断装置，在一分钟之内查明病原体。但要将其专利技术商业化，并将能够挽救生命的技术概念推向市场，Pinpoint选择与具有深厚的领域知识和制造专业知识的战略合作伙伴ADI进行合作。

 

其基本原理是基于纳米传感器的检测来锁定人类体内的流感病毒和动物体内的蓝舌病病毒，这种诊断使用抗体或合成分子来检测和测量特定的蛋白质，借此判断是否感染。在Pinpoint Science看来，该检测平台对人类的作用并不止限于COVID-19新冠肺炎疫情，而是具有更长远的价值。

 

 

第1步，将检测盒插入Pinpoint读取器。

第2步，将拭子插入检测盒。

第3步，按下按钮，如果呈阳性，则灯变蓝，如果呈阴性，则灯变白。结果也显示在平板电脑上。

 

基于此需求，ADI修改了生产流程，以便根据这家初创公司的设计，定制化生产传感器。通过ADI独特的MEMS制造能力和传感器开发能力，Pinpoint对其产品进行测试，以确定传感器的性能，如果结果令人满意，就会将其转变为功能化的纳米孔生物传感器。

 

ADI的精密数据转换器也非常适合Pinpoint的电化学平台，事实上Pinpoint的便携式读取器便将以ADuCM355化学传感平台为基础。ADuCM355精密模拟微控制器带有生物传感器和化学传感器接口，是目前能够在单个芯片上同时实现恒电位仪和电化学阻抗频谱分析仪(EIS)功能的唯一解决方案，是工业气体检测、仪器仪表、生命体征监测和疾病管理等应用的理想解决方案。该器件集成了行业最先进的传感器诊断技术，具有卓越的低噪声和低功耗性能，并且尺寸最小。传统的分立式解决方案往往具有一些局限性，并且需要多个IC才能实现类似性能，相比之下，ADI的新型微控制器平台能够提供更高的可靠性和极大灵活性，并且可以显著节约成本。

 

 

本文小结

 

纳米技术与生物技术是21世纪的两大前沿技术，在这两者之间又存在着许多交叉。由于近些年纳米材料在具有可控的形态，尺寸，表面电荷和合成方面已取得重大进展，因此可以将选定的纳米材料的属性调整为适合电化学检测的特定分析物，基于纳米材料的电化学传感器技术研发应用有望改变世界各地诊断传染病的方式。在此过程中，ADI独特的MEMS制造能力和传感器开发能力，将为更多的合作伙伴研究更高效和可定制的纳米传感器生物技术提供参考见解。