利用有機(jī)電化學(xué)晶體管放大微弱的生物化學(xué)信號

人體內(nèi)的生物化學(xué)信號通常非常微弱，很難直接進(jìn)行檢測和分析。據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，美國西北大學(xué)（Northwestern University）的研究人員基于有機(jī)電化學(xué)晶體管開發(fā)了一種新方法，能夠?qū)⑸锘瘜W(xué)信號提高1000多倍。這種新方法增強(qiáng)微弱信號以提供放大的輸出，使生物化學(xué)信號更容易檢測，無需復(fù)雜龐大的電子設(shè)備。

通過放大微弱的生物化學(xué)信號，這種新方法使現(xiàn)代醫(yī)學(xué)距離實(shí)時(shí)、現(xiàn)場診斷和疾病監(jiān)測又前進(jìn)了一大步。

該研究通訊作者Jonathan Rivnay說：“如果我們能夠可靠地測量體內(nèi)的生物化學(xué)信號，就可以將這些傳感器整合到可穿戴設(shè)備或植入體中，從而用更小的尺寸和用戶負(fù)擔(dān)替代昂貴且龐大的傳統(tǒng)電子設(shè)備。不過，高質(zhì)量的提取這些生物化學(xué)信號仍然存在挑戰(zhàn)。由于體內(nèi)的信號功率和空間有限，必須找到放大這些信號的有效方法。”

許多化學(xué)傳感器可以提供微弱的信號，傳遞有望指導(dǎo)診斷和治療的充滿潛力的重要信息。但事實(shí)上，如果不取出樣本（血液、汗液、唾液）并通過高科技實(shí)驗(yàn)室設(shè)備進(jìn)行檢測，醫(yī)療保健專業(yè)人員幾乎無法破譯這些信號。通常，這種設(shè)備價(jià)格昂貴，且位于專業(yè)的檢測中心。此外，檢測結(jié)果可能也需要很長的時(shí)間才能返回。西北大學(xué)研究小組的目標(biāo)是在不離開身體的情況下感知并放大這些隱藏的信號。

其他的研究人員已經(jīng)探索了利用適配體進(jìn)行生物傳感的電化學(xué)傳感器，一種能和靶分子特異性結(jié)合的單鏈寡核苷酸。在成功地與感興趣的靶分子結(jié)合后，適配體就像電子開關(guān)一樣，折疊成一個(gè)新的結(jié)構(gòu)，觸發(fā)電化學(xué)信號。不過，如果不在理想的受控條件下進(jìn)行測試，單獨(dú)使用適配體，信號通常很弱，并且非常容易受到噪聲和失真的影響。

基于參考有機(jī)電化學(xué)晶體管（ref-OECT）的電化學(xué)適配體基（E-AB）傳感器概念設(shè)計(jì)

為了繞過這個(gè)問題，研究團(tuán)隊(duì)在傳統(tǒng)基于電極的傳感器上裝配了一個(gè)放大組件，開發(fā)了一種基于電化學(xué)晶體管的傳感器。這種傳感器具有新穎的結(jié)構(gòu)，可以感應(yīng)并放大微弱的生物化學(xué)信號。其中，電極用于感測信號，附近的晶體管專門用于放大信號。研究人員還加入了一種內(nèi)置的薄膜參比電極，使放大的信號更加穩(wěn)定可靠。

為了驗(yàn)證這項(xiàng)新技術(shù)，Rivnay的團(tuán)隊(duì)實(shí)驗(yàn)了一種常見的細(xì)胞因子，一種信號蛋白，它可以調(diào)節(jié)免疫反應(yīng)并參與組織修復(fù)和再生。通過測量傷口附近某些細(xì)胞因子的濃度，研究人員可以評估傷口愈合的速度，是否出現(xiàn)新的感染，或者需要其他醫(yī)療干預(yù)。

通過一系列實(shí)驗(yàn)，與傳統(tǒng)基于電極的適配體傳感方法相比，Rivnay及其團(tuán)隊(duì)能夠?qū)⒓?xì)胞因子的信號放大三到四個(gè)數(shù)量級。這項(xiàng)技術(shù)在檢測細(xì)胞因子信號的實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)良好，但Rivnay表示，它應(yīng)該還能放大其他所有分子或化學(xué)物質(zhì)的信號，包括抗體、激素或藥物。

Rivnay評價(jià)稱：“該方案的適用范圍很廣，沒有特定的用例限制。我們的愿景是將這種概念應(yīng)用到植入式生物傳感器或可穿戴設(shè)備中，從而使它們既能感知問題又能做出響應(yīng)?！?/p>

審核編輯：劉清