晶元實驗室：可監測人體健康、病菌和污染物！

導讀

晶元實驗室，是一項多學科交叉的前沿創新技術。最近，美國羅格斯大學的工程師們研發出一項新的晶元實驗室技術，它能夠用於手持或者可穿戴設備，監測你的健康狀況，或者監測你是否正受到危險的細菌、病毒和污染物的侵襲。

關鍵字

晶元實驗室、生物感測器、可穿戴設備

背景

今天，我們要介紹的創新成果，與一項非常重要的前沿技術相關。它就是：

晶元實驗室 （英文：Lab on a chip ，簡稱：LOC）。

晶元實驗室，簡單的說，就是一塊幾平方厘米的晶元。然而，它集成了一項或者多項實驗室操作，例如：樣品製備、生化反應、分離檢測等等，從而自動化地完成不同的生物或者化學反應，以及對於產物進行分析。

（圖片來源於：維基百科）

晶元實驗室，是微電子機械系統（MEMS）的一個子集，有時又稱為「微全分析系統」（μTAS）。它一種是化學、物理學、計算機學、電子學、生物學、醫學和工程學等多學科交叉融合的技術。

晶元實驗室技術，使得試樣處理到檢測的整個流程，達到微型化、自動化、集成化和便攜化，不僅僅大大節約了資源和能源，降低了成本，且排放的污染也非常小，所以是一項綠色的技術。

筆者之前的文章，對於晶元實驗室相關的創新研究，也有過一些介紹：

《病原體檢測，未來也許會用到這種「晶元實驗室」！》一文中介紹過德國弗勞恩霍夫協會開發的晶元實驗室原型，它能夠進行簡單且通用的病原體分子檢測。

（圖片來源於：弗勞恩霍夫協會）

《可檢測疾病的晶元實驗室：生產成本只需1美分！》介紹過美國斯坦福大學醫學院的科研人員創建的「晶元實驗室」的新生產方法，它使用了一種普通的噴墨印表機，使得每個晶元製造成本低至1美分，製造時間縮短至20分鐘內。

（圖片來源於：斯坦福大學）

未來，隨著技術的進一步發展，我們不妨想像如下的場景：

晶元實驗室技術與可穿戴技術相結合，持續檢測和分析我們汗液或者血液中的不同生物標誌物，這些生物標誌物往往可能會與一些疾病相關，例如癌症或者糖尿病。

創新

最近，美國羅格斯大學的工程師們研發出一種生物感測器技術，也就是之前提到的晶元實驗室，它能夠用於手持或者可穿戴設備，監測你的健康狀況，或者監測你是否正受到危險的細菌、病毒和污染物的侵襲。

下面這張藝術演繹圖，表現了微粒子流過通道和通過電場的場景，它們在那裡會經過電子監測和掃描條形碼。

（圖片來源於：Ella Marushchenko and Alexander Tokarev/Ella Maru Studios）

對此，羅格斯大學電氣和計算機工程系的助理教授 Mehdi Javanmard 評論說：

「這對於個性化醫療和個性化健康監測來講十分重要。我們的技術真正地使得晶元上的實驗室變得可能。我們討論的這種平台是U盤大小的，或者可以集成到例如：Apple Watch， 或者Fibit 手環中。」

最近，對於這一發明的研究論文發表於英國皇家化學學會出版的雜誌《晶元實驗室》，並且突出顯示在它的封面上。

技術

這項研究的高級作者 Javanmard 稱，這項技術包含了電子條形碼的微粒子，條形碼用於識別它們。這項技術可用於測試健康和疾病指標、細菌和病毒，還有空氣和其他污染物。

近幾十年來，關於生物標誌物的研究充分揭示了人類疾病背後的分子機制的複雜性。這些標記物是與健康和疾病相關的指標，例如蛋白質或者DNA分子。這些研究進一步突出了同時測試人體體液中的多種生物標記物的重要性。Javanmard 說：

「一種生物標誌物通常是不足以準確描述一種特殊的疾病，因為不同類型的疾病具有異構性，例如心臟病、癌症和炎症性疾病。為了對於不同的健康條件進行準確診斷和管理，你需要能夠同時分析多種生物標誌物。」

眾所周知的生物標誌物包括前列腺特異抗原（PSA），它是一種由前列腺細胞生成的蛋白質。美國國家癌症研究所稱，患有前列腺癌的男性通常PSA的水平會升高。人體絨毛膜促性腺激素（HCG），又是另外一種普遍的生物標誌物，可用於懷孕測試。

價值

笨重的光學儀器，是監測生物標誌物的最先進技術。但是，它們體積太龐大，難以穿戴，也不便攜。

微粒子的電子檢測，對於可穿戴設備來說，需要超緊湊型的儀器。所以，羅格斯大學的條形碼微粒子技術，首次實現了全電子的方案。因此，生物感測器將縮小至可穿戴手環或者微晶元的尺寸。

這項技術辨識生物標誌物的準確率超過95%，並且正在進行微調中，有望達到100%的準確率。研究團隊也正在致力於微生物的攜帶型檢測，包括致病的細菌和病毒。

Javanmard 說：

「我們可以想像，未來使用一種小工具分析浴室門或者防間前門把手上的化驗樣本，檢測流感和其他多種病毒微粒。或者，在餐廳點一塊沙拉時，測試它的大腸桿菌和沙門氏菌含量。」

Javanmard 稱，這種類型的工具將在兩年內商用，而健康監測和診斷工具將在五年內商用。

參考資料

【1】http://news.rutgers.edu/research-news/lab-chip-could-monitor-health-germs-and-pollutants/20170612#.WT7POOsrK70

【2】Pengfei Xie, Xinnan Cao, Zhongtian Lin, Mehdi Javanmard.Top-down fabrication meets bottom-up synthesis for nanoelectronic barcoding of microparticles. Lab Chip, 2017; 17 (11): 1939 DOI: 10.1039/C7LC00035A

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