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磁場強度變化,也可以用來設計生物感測器。

磁場強度變化,也可以用來設計生物感測器。Credit: Windell Oskay@Flickr CC BY 2.0

 現行技術的限制

當生物體的局部組織細胞發生病變,其週圍的酸鹼值和離子濃度…等生物指標可能也隨之改變,這些指標的量測一直都是疾病診斷和治療結果很重要的參考資訊。現今,科學家、工程師們開發了許多的奈米感測器,以「近紅外線」(near-infrared)來傳送訊號,但是這種光學方法的訊號有其弱點,它的解析度和靈敏度會隨著深入生物體組織的深度而減弱,因而限制了很多應用,也就是說當量測位置較為深入組織內部的時候,「近紅外線」的方法就不適用了。那有沒有什麼非侵入式的方法可以突破以上提到的限制呢?

無線射頻技術可突破限制

首先,應該就是突破偵測位置深度的限制,美國國家標準與技術研究院(National Institute of Standards and Technology, NIST)和國立衛生研究院(NIH)的科學家,採用不同的原理,設計了一種形狀會改變的感測器,使用「無線射頻」(radio frequency, RF)技術通訊,「無線射頻」是電磁波,頻率範圍在300KHz~30GHz之間,無線射頻訊號不會因為經過生物組織而減弱,且可以應用核磁共振譜技術(NMR)或核磁共振成像(MRI) 的設備來偵測。

感測器會依據材質與環境改變形狀

這個感測器名為「幾何編碼磁性感測器」(geometrically encoded magnetic sensors, GEMs),尺寸約略小於紅血球的1/5到1/10,上下是磁性碟(magnetic disk),直徑約0.5~2mm,厚度0.1nm;中間則是「水凝膠」(hydrogel),它是一種網狀聚合物,可吸收水分而擴張,而擴張的體積是依水凝膠本身的化學性質和所處環境而有所不同;相反的,也會因為環境改變而縮小,而水凝膠柱的膨脹和萎縮也就會連帶改變了上下兩個磁性碟間的距離,更因此改變了磁場強度。如此,水凝膠內和週遭水分子的質子相對於無線射頻的共振頻率會產生變化。如果用一定範圍的頻率快速掃描目標位置,即可以確認感測器的形狀,然後藉由量測出共振頻率,就可以得知該位置的狀況。

體內量測指定位置

根據「自然」(Nature)期刊的內容,科學家應用了不同酸鹼值、不同離子濃度的液體來測試這個感測器的精確性;同時也應用犬類的腎臟細胞泡在液態的培養介質內做實驗,這種細胞因為浸泡而缺氧,更失去了功能,培養介質也跟著酸化,之後便利用GEMs的共振頻率改變來得知變化。目前結果看來,在感測酸鹼值的變化方面已經相當穩定。但事實上,要能在生物體內做到在某特定器官做到「即時監測」(real time)酸鹼值是相當困難的,血液檢驗很難量測到「指定位置」的訊號,因為血液已經是流通身體各部位後混合的結果,如果可以量測到局部位置的酸鹼值變化,就可以提供很多病理診斷依據。例如說癌症細胞的週圍,酸鹼值就較正常細胞低,而內部發炎也會導致局部較低的酸鹼值。藉由量測酸鹼值,可以找到隱藏的腫瘤或顯示是否患者因為手術植入物而產生感染。

未來展望

這項研究若要實際應用到臨床上其實還有很長的一段路。目前的研究都在生物體外進行,原理已經初步獲得證實,但仍需要更多的驗證才能帶入真實的生醫領域。現在這個感測器的尺寸,似乎已經可以有很多體外和非生物上的應用,但科學家深信,如果可以更加小型化達到100nm以下,將會有更大的應用彈性。

至於客製化水凝膠的材料部分,則有機會開啟更多應用,設計專屬於某種檢測的感測器。

文章參考:NIST
影片來原:iSGTW
圖片來源Windell Oskay@Flickr  CC BY 2.0
原文參考:Nature

 


作者簡介

BioMeder

生醫人網摘的編輯。熱愛創新和用腦袋的事物,堅持文章一定要有邏輯性,藉由追蹤報導生醫領域的創新和應用來傳播知識。