新型材料在生物檢測方面的應(yīng)用和前景

隨著醫(yī)學(xué)科學(xué)的發(fā)展，對于生物分子、病原體、細(xì)胞等生物檢測的需求越來越高。生物檢測技術(shù)可以用于診斷、治療、監(jiān)測、預(yù)防等各個(gè)領(lǐng)域。然而，傳統(tǒng)的生物檢測方法往往存在靈敏度低、穩(wěn)定性差、操作復(fù)雜、成本高等缺點(diǎn)，限制了其廣泛的應(yīng)用。因此，開發(fā)新型的生物檢測材料和技術(shù)，提高生物檢測的性能和便利性，是一個(gè)重要的研究方向。

新型材料在生物檢測方面的應(yīng)用和前景是廣闊的。例如，基于ZnO納米棒的FET生物傳感器，就是一種利用新型納米材料和電化學(xué)技術(shù)的生物檢測系統(tǒng)，用于連續(xù)血糖監(jiān)測。該生物傳感器旨在為微創(chuàng)血糖監(jiān)測提供高靈敏度、良好的穩(wěn)定性和小尺寸。該生物傳感器的優(yōu)點(diǎn)在于靈敏度、穩(wěn)定性好、體積小、制造成本低，有望成為糖尿病患者可穿戴連續(xù)血糖監(jiān)測的應(yīng)用。

其他的新型材料在生物檢測方面的應(yīng)用和前景，還包括：

■基于金納米顆粒的光學(xué)生物傳感器，用于DNA、蛋白質(zhì)、抗體等的標(biāo)記和檢測。該傳感器利用金納米顆粒的表面增強(qiáng)拉曼散射（SERS）效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對生物分子的高靈敏度和高分辨率的檢測。

■基于石墨烯的電化學(xué)生物傳感器，用于DNA、微小RNA、熒光素酶等的檢測。該傳感器利用石墨烯的高電子傳導(dǎo)性和高比表面積，以及與生物分子的強(qiáng)相互作用，實(shí)現(xiàn)對生物分子的快速和穩(wěn)定的檢測。

■基于磁性納米顆粒的磁學(xué)生物傳感器，用于細(xì)胞、細(xì)菌、病毒等的分離和檢測。該傳感器利用磁性納米顆粒的高磁響應(yīng)和高親和性，以及與生物分子的特異性結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對生物目標(biāo)的有效富集和靈敏檢測。

■基于硅納米線的機(jī)械生物傳感器，用于細(xì)胞、腫瘤、神經(jīng)元等的力學(xué)特性的檢測。該傳感器利用硅納米線的高柔性和高靈敏度，以及與生物分子的直接接觸，實(shí)現(xiàn)對生物力學(xué)信號的高精度的檢測。

■基于聚合物微流控芯片的聲學(xué)生物傳感器，用于細(xì)胞、病原體、血液等的分析和診斷。該傳感器利用聚合物微流控芯片的高可塑性和高集成度，以及聲波的高穿透性和高選擇性，實(shí)現(xiàn)對生物樣本的微量化和多功能化的處理和檢測。

Tektronix提供豐富的產(chǎn)品助力新型材料在生物醫(yī)學(xué)檢測中的應(yīng)用。構(gòu)架在高精度的數(shù)字萬用表、源表、靜電計(jì)以及時(shí)域電信號采集系統(tǒng)，基于幾十年在半導(dǎo)體、材料科學(xué)的應(yīng)用積累，推出針對不同材料體系、檢測原理等矩陣式解決方案。

案例一：基于ZnO納米棒的FET生物傳感器，用于連續(xù)血糖監(jiān)測[1]

文章介紹了一種基于ZnO納米棒的場效應(yīng)晶體管(FET)生物傳感器，用于連續(xù)血糖監(jiān)測。該生物傳感器旨在為微創(chuàng)血糖監(jiān)測提供高靈敏度、良好的穩(wěn)定性和小尺寸。通過利用在源極和漏極之間生長的ZnO納米棒，通過交流電場控制，生物傳感器充當(dāng)變頻器，將葡萄糖濃度轉(zhuǎn)化為特定差頻的電流變化。

● 在測試中，通過6221產(chǎn)生高精度交流信號，通過源漏，葡萄糖分子吸附在ZnO納米棒后，葡萄糖氧化酶 (GOx) 催化葡萄糖與氧氣反應(yīng)，將葡萄糖轉(zhuǎn)化為葡萄糖內(nèi)酯和過氧化氫(H2O2)。生成的H2O2改變GOx-ZnO納米棒的電荷轉(zhuǎn)移特性，導(dǎo)致FET的電導(dǎo)率發(fā)生變化。通過2182進(jìn)行微弱的電壓變化的測試，從而得到電導(dǎo)率的值。

案例二：基于MXene結(jié)構(gòu)的人血清白蛋白(HSA)濃度水平的多層異質(zhì)膜[2]

MXene是由MAX相處理得到的類石墨烯結(jié)構(gòu)。MAX相的具體分子式為M n + 1 AX n ( n = 1, 2 or 3)，其中M指的是前幾族的過渡金屬，A指的是主族元素，X指的是C和/或N元素。由于M-X具有較強(qiáng)的鍵能，A具有較活潑的化學(xué)活性，因此，可以通過刻蝕作用將A從MAX相中移除，從而得到類石墨烯的2D結(jié)構(gòu)——MXene。由于MXene獨(dú)特的性能，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于催化劑、離子篩分、光熱轉(zhuǎn)化、場效應(yīng)晶體管、拓?fù)浣^緣體和析氫反應(yīng)。MXene/PDMS/Fe3O4/PDMS層在信號轉(zhuǎn)換中扮演的角色是通過表面應(yīng)力和磁力將生物信號轉(zhuǎn)化為電信號，從而增強(qiáng)了表面應(yīng)力生物傳感器的靈敏度。PDMS膜在磁場的影響下變形更快，放大了可以輸出為電脈沖的表面應(yīng)力。因此，實(shí)現(xiàn)了多物理場耦合增強(qiáng)。在均勻磁場下，MXene/PDMS/Fe3O4/PDMS層表現(xiàn)出良好的檢測性能。

● MXene的作用是作為MHBios的導(dǎo)電層材料，通過其高電導(dǎo)率，使得MHBios具有卓越的傳感能力。MHBios的電阻會隨著MXene膜的變形而改變，而特異性結(jié)合的抗HSA和HSA會產(chǎn)生表面應(yīng)力，導(dǎo)致MXene膜的結(jié)構(gòu)改變，從而改變了膜內(nèi)的導(dǎo)電路徑。此外，在磁場的影響下，磁性Fe3O4敏化的磁性納米顆粒會在MHBios表面移動，導(dǎo)致PDMS膜更快地變形，縮短了導(dǎo)電路徑并增加了電阻。

● 通過2450對PDMS膜的電阻率進(jìn)行測量，讀取電阻值作為HAS濃度的標(biāo)記值。

另外柔性皮膚

柔性材料對生物檢測具有重要的意義，因?yàn)樗鼈兛梢阅７氯梭w組織，適應(yīng)各種復(fù)雜的形狀和環(huán)境，提高了生物檢測的靈敏度和準(zhǔn)確度。柔性材料還可以減少生物檢測過程中的機(jī)械刺激，降低外源性干擾，增加生物相容性，更好地模擬體內(nèi)的生物信號。

利用柔性材料制備的生物傳感器，可以實(shí)現(xiàn)對血液、唾液、汗液等體液的連續(xù)監(jiān)測，為疾病診斷和治療提供及時(shí)的反饋信息。柔性材料也可以與電子、光學(xué)、磁性、機(jī)械等多種功能結(jié)合，構(gòu)建多功能的生物檢測平臺，拓展了生物檢測的范圍和應(yīng)用場景。

案例三：銀納米線 (AgNW) 和聚二甲基硅氧烷 (PDMS) 薄膜構(gòu)建柔性應(yīng)變傳感器[3]

銀納米線作為一種一維納米金屬材料，由于其優(yōu)異的導(dǎo)電性、透明性和柔韌性而受到廣泛關(guān)注，尤其是在柔性和可拉伸電子領(lǐng)域。根據(jù)研究，AgNWs/PDMS薄膜作為柔性應(yīng)變傳感器在個(gè)人電子設(shè)備和健康監(jiān)測領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。該薄膜具有優(yōu)異的應(yīng)變靈敏度和線性關(guān)系，可用于人體活動監(jiān)測和LED燈響應(yīng)測試，為柔性可穿戴設(shè)備的構(gòu)建提供了新思路1。此外，AgNWs/PDMS薄膜在人體皮膚的應(yīng)力 - 應(yīng)變行為范圍內(nèi)表現(xiàn)出良好的性能，可用于研究人體皮膚的應(yīng)力-應(yīng)變行為，確保在實(shí)際應(yīng)用中的可靠性7。因此，AgNWs/PDMS薄膜作為柔性應(yīng)變傳感器具有廣闊的應(yīng)用前景，可在智能可穿戴設(shè)備領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

由于AgNW+PDMS材料的形變會改變電阻率，因此利用標(biāo)準(zhǔn)的四探針法可以對電阻率的變化又非常高、可靠的精度。

新展望

結(jié)合柔性材料的發(fā)展，已經(jīng)新奇的二維材料，可以更加靈敏的對選定分子、離子或者功能團(tuán)進(jìn)行探測，伴隨著新型神經(jīng)形態(tài)器件技術(shù)的突破，可以實(shí)現(xiàn)可穿戴式的感、存、算一體的生物監(jiān)測系統(tǒng)。通過重新設(shè)計(jì)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，充分考慮硬件約束，實(shí)現(xiàn)硬件系統(tǒng)能夠達(dá)到最先進(jìn)的血糖預(yù)測性能。這種方法不僅適用于植入式和穿戴式設(shè)備的實(shí)施，為重新定義糖尿病管理提供了有前途的前景。此外，該研究成功地證明了將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)最小化以減少網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性、內(nèi)存消耗和處理需求的可行性，最終將輸入數(shù)據(jù)縮小到單一特征 - 血糖測量，而且在性能上沒有明顯損失[4] 。

綜上所述，新型材料在生物檢測方面的應(yīng)用和前景是巨大的，有望為醫(yī)學(xué)科學(xué)和生物工程等領(lǐng)域帶來革命性的突破和進(jìn)步。