Kazuhiro Takahashi（圖片中間位置）和他的團(tuán)隊成員正在開發(fā)一款可居家檢測疾病的半導(dǎo)體生物傳感器（來源：日本豐橋技術(shù)科學(xué)大學(xué)）

日本豐橋技術(shù)科學(xué)大學(xué)（Toyohashi University of Technology）的研究人員設(shè)想只要對著智能手機呼吸就能診斷感染或疾病。據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，他們開發(fā)了一款半導(dǎo)體生物傳感器，可以檢測人體感染或癌癥等疾病的微量生物標(biāo)志物。這些傳感器芯片的直徑只有幾毫米，未來可集成到物聯(lián)網(wǎng)（IoT）生物傳感設(shè)備中，從而實現(xiàn)居家健康檢測，以支持遠(yuǎn)程醫(yī)療。

迄今為止，全球已經(jīng)進(jìn)行了數(shù)億次新冠肺炎（COVID-19）檢測。與此同時，每個國家的癌癥發(fā)病率幾乎都在上升。在此背景下，迫切需要快速、準(zhǔn)確和方便的生物標(biāo)志物檢測方案，該需求可通過使用傳統(tǒng)半導(dǎo)體技術(shù)制造的緊湊型傳感器實現(xiàn)。

“我們的研究目標(biāo)是使用少量體液（如血液、尿液和唾液等）就可進(jìn)行簡單、快速的診斷。”領(lǐng)導(dǎo)這款生物傳感器開發(fā)的日本豐橋技術(shù)科學(xué)大學(xué)電子學(xué)跨學(xué)科研究所教授Kazuhiro Takahashi解釋說，“如果這款生物傳感器可以檢測到微量生物標(biāo)志物，那么其最終有望用于癌癥篩查和預(yù)測COVID-19的嚴(yán)重程度。”

研究人員使用懸浮的納米薄片（例如石墨烯，一種只有一個原子厚的碳原子片）構(gòu)建了一款原型測試芯片。石墨烯片在密封腔中像蹦床一樣被拉伸，這樣就可捕獲生物標(biāo)志物——可以指示該個體當(dāng)下的健康狀況或檢測疾病的分子。當(dāng)生物標(biāo)志物附著在石墨烯表面時，會導(dǎo)致石墨烯表面變形為圓頂狀結(jié)構(gòu)。

當(dāng)這種結(jié)構(gòu)被LED光源照射時，產(chǎn)生的光學(xué)干涉會發(fā)生顏色上的變化，從而判斷是否存在生物標(biāo)志物。雖然之前的研究中使用過密封腔，但Kazuhiro Takahashi及其同事們最初的想法是將它們用于懸浮石墨烯表面的化學(xué)功能化。

懸浮的石墨烯薄片（左）；當(dāng)生物標(biāo)志物吸附在其表面時，呈現(xiàn)出的圓頂狀（右）（來源：日本豐橋技術(shù)科學(xué)大學(xué)）

Kazuhiro Takahashi及其團(tuán)隊通過使用這項技術(shù)，在1毫升溶液中成功檢測到前列腺特異性抗原（Prostate-specific antigen，PSA）——這是一種廣泛用于診斷前列腺癌的生物標(biāo)志物。前列腺特異性抗原檢測量僅為100阿克。該生物傳感器的高靈敏度可與醫(yī)院的大型測試設(shè)備相媲美，并且該傳感器小巧便攜，由于不使用標(biāo)記試劑，還可實時提供檢測結(jié)果。研究人員還能夠檢測到COVID-19的生物標(biāo)志物。

目前，Kazuhiro Takahashi及其團(tuán)隊正在進(jìn)一步改進(jìn)這款生物傳感器，以便通過篩查呼出的氣體或通過皮膚釋放的氣體來診斷人體疾病。

“該生物傳感器可以集成到移動感知系統(tǒng)中。”Kazuhiro Takahashi說，“它不會很昂貴，因為傳感器和讀出電路將是一個非常小的模塊。我們可以利用半導(dǎo)體和量產(chǎn)技術(shù)來降低成本?！?/p>

該款生物傳感器可能需要兩到三年的時間才能實現(xiàn)商業(yè)化，研究人員正在尋找工業(yè)合作伙伴，以實現(xiàn)超靈敏的家用生物傳感器。通過推進(jìn)半導(dǎo)體和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等最新工具，日本豐橋技術(shù)科學(xué)大學(xué)致力于通過創(chuàng)新研究來造福社會。