癌症早期診斷：這款新型生物感測器速度快20倍！

導讀

韓國大邱慶北科學技術院的科研團隊利用「蜘蛛網微磁圖案」，開發出的新集成生物感測器的晶元實驗室平台，比現有生物感測器快20倍。這項技術可應用於癌症等疾病的早期診斷和複發診斷。

技術關鍵字

生物感測器、晶元實驗室

創新背景

為了更好理解這項創新研究，我還是從生物感測器說起。

生物感測器，顧名思義，它對於生物物質敏感，能夠將濃度轉換為電信號進行檢測的感測器設備。

它的組成由識別元件即固定化的生物敏感材料（包括酶、抗體、抗原、微生物、細胞、組織、核酸等生物活性物質）、適當的理化換能器（如氧電極、光敏管、場效應管、壓電晶體等等）及信號放大裝置構成的分析工具或系統。

然而，感知能力對於生物感測器來說，是十分重要的性能指標。它由感測器的「解析度」和「分子的移動及反應速率」共同決定。

包括韓國在的許多國家的研究小組都紛紛通過開發納米材料，提高生物感測器解析度。但是，感測器的靈敏度仍然受到一定的限制，這是由於生物分子向感知區域傳輸時，擴散速度比較低。

所以，目前的瓶頸簡單來說就是：

蛋白質和DNA等生物分子，由於只依賴於擴散進行傳輸，所以運動的很慢。

創新探索

類似蜘蛛網狀的生物感測器平台示意圖

（圖片來源於：大邱慶北科學技術院）

面對挑戰，CheolGi Kim 教授帶領的大邱慶北科學技術院的科研團隊，在這方面又進行了創新探索，下面我們來看看他們的成果。

這項研究的論文發表於自然出版集團的《亞洲材料》雜誌上，它也是一個國際性的學術雜誌。研究人員受到了BioNano健康研究小組和韓國科學、信息技術及未來計劃部等離子體生物科學研究中心的支持。

他們開發的是一種集成生物感測器的晶元實驗室平台，比現在使用的類似蜘蛛網微磁圖案的生物感測器，檢測能力要快20倍。

這些生物分子，被超順磁粒子進行標記，並且施加以附加電磁場，使得這些生物分子的運動很容易受到控制，也容易被超靈敏的磁性感測器檢測到。

核心技術

使用磁泳蜘蛛網的生物感測器

a. 集成感測器的磁蜘蛛網的示意圖

b. 集成感測器的磁蜘蛛網掃描電子顯微鏡圖

c. 在圖A和B中的感測器和磁圖案的代表性的分層結構示意圖

（圖片來源於：大邱慶北科學技術院）

研究團隊利用蜘蛛網狀的「微磁學圖案」，開發了這種新型生物感測器平台。它提高了生物感測器的感知能力，這是因為：

它將標記有超順磁粒子的生物分子，吸引到感知區域，提高採集低密度生物分子的能力。

對此，論文的第一作者 Byeonghwa Lim，也是大邱慶北科學技術院新興材料科學學院關於生物感測器平台研究方面的博士，他這麼說：

「我們放置了蜘蛛網形狀的微磁場圖案，使得超順磁粒子向著平台的感測器和高靈敏度感測器的中心移動。當旋轉磁場施加於蜘蛛網磁圖案時，感測器便能快速吸引標記有超順磁粒子的生物分子。它的運動速度很快，並且比擴散方式檢測測試對象的速度快20倍。」

創新價值

感測器的測量信號

a. 集成磁阻感測器的磁蜘蛛網晶元的圖片

b. 和感測器感知區域相關的基於粒子位置有效的雜散磁場圖像

c. 測量的感測器信號

（圖片來源於：大邱慶北科學技術院）

研究團隊也成功利用生物感測器平台，在離感知區域一定距離之外的地方，檢測到了與超順磁粒子成對的生物分子。

除此之外，團隊已經辨別出超順磁性納米粒子，它不僅扮演了運輸生物分子的角色，而且也作為標籤使得感測器能夠辨別生物分子的位置。

金教授稱：

「現有的生物感測器需要很長時間，才能檢測出低密度的生物分子，並且會導致低的傳輸效率，因為他們只依靠擴散。基於磁場的生物感測器平台，不僅提高了生物分子的採集能力，而且提高了生物分子運動的速度和靈敏度。因此，我們計劃使用這個平台進行癌症等疾病的早期診斷和複發診斷。」

應用價值

對於這項創新技術的應用價值，最大的一點，也正如研究人員所描述，就是用於癌症等疾病的早期檢測，由於其速度較快，所以大大降低了診斷的時間成本，有利於更加迅速的診斷疾病，從而更好地造福人類健康。

參考資料

【1】http://www.dgist.ac.kr/site/dgist_eng/menu/508.do?configNo=96&cmd=read&contentNo=34358&pageIndex=1&recordPerPage=10&month=0&condition=&keyword=

【2】http://www.nature.com/am/journal/v9/n3/full/am201737a.html

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