【導(dǎo)讀】面對COVID-19新冠肺炎疫情在全球的蔓延，防疫的關(guān)鍵在于“以快打快”，快速地篩查發(fā)現(xiàn)潛在的病例對控制病毒傳播至關(guān)重要。現(xiàn)今使用的通過測量額溫確認(rèn)是否發(fā)熱的方法無法檢測出無癥狀感染或癥狀發(fā)生前的感染，也無法將這種致命的新型冠狀病毒和威脅較小的呼吸系統(tǒng)疾病區(qū)分開來。
面對COVID-19新冠肺炎疫情在全球的蔓延，防疫的關(guān)鍵在于“以快打快”，快速地篩查發(fā)現(xiàn)潛在的病例對控制病毒傳播至關(guān)重要。現(xiàn)今使用的通過測量額溫確認(rèn)是否發(fā)熱的方法無法檢測出無癥狀感染或癥狀發(fā)生前的感染，也無法將這種致命的新型冠狀病毒和威脅較小的呼吸系統(tǒng)疾病區(qū)分開來。如何科學(xué)地加快檢測進(jìn)程顯得尤為關(guān)鍵。本文以ADI與開創(chuàng)性的生物技術(shù)公司Pinpoint Science合作設(shè)想推出的基于便攜式納米傳感器技術(shù)的快速診斷裝置為例，探究納米傳感器在更廣泛的快速檢測領(lǐng)域的應(yīng)用。
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(jīng)濟(jì)。在持續(xù)不斷的控制和消除致命傳染病的斗爭中，我們?nèi)绾伪ＷC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(shí)才能得出結(jié)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(zhǔn)確或價(jià)格高昂，需要依賴化驗(yàn)室、訓(xùn)練有素的技術(shù)人員和復(fù)雜的樣品制備過程。因此，急需一種能夠快速高效檢測抗原的測試設(shè)備。
納米傳感器開始走向科學(xué)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(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傳感器——人造仿生電子皮膚，可對人體不同生理狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確檢測和疾病前期診斷。
功耗小：納米級機(jī)器人傳感器已經(jīng)可以通過血液注入的方式進(jìn)入人體，對人體的生理參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并有望對于癌變細(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，制造過程的可重復(fù)性和批量化生產(chǎn)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(gè)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(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理、存儲與分析的能力，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(jìn)的納米傳感器。這種診斷裝置可以快速檢測生物指標(biāo)，例如抗體和抗原等，并快速識別出導(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盒，可以現(xiàn)場得出準(zhǔn)確的結(jié)果，不需要依賴化驗(yàn)室、醫(yī)療技術(shù)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(shù)診斷裝置，在一分鐘之內(nèi)查明病原體。但要將其專利技術(shù)商業(yè)化，并將能夠挽救生命的技術(shù)概念推向市場，Pinpoint選擇與具有深厚的領(lǐng)域知識和制造專業(yè)知識的戰(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來鎖定人類體內(nèi)的流感病毒和動物體內(nèi)的藍(lán)舌病病毒，這種診斷使用抗體或合成分子來檢測和測量特定的蛋白質(zhì)，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(yuǎn)的價(jià)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(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ADI獨(dú)特的MEMS制造能力和傳感器開發(fā)能力，Pinpoint對其產(chǎn)品進(jìn)行測試，以確定傳感器的性能，如果結(jié)果令人滿意，就會將其轉(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，事實(shí)上Pinpoint的便攜式讀取器便將以ADuCM355化學(xué)傳感平臺為基礎(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、儀器儀表、生命體征監(jiān)測和疾病管理等應(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(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。在此過程中，ADI獨(dú)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(shù)提供參考見解。
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