芯片实验室：可监测人体健康、病菌和污染物！
导读
芯片实验室，是一项多学科交叉的前沿创新技术。最近，美国罗格斯大学的工程师们研发出一项新的芯片实验室技术，它能够用于手持或者可穿戴设备，监测你的健康状况，或者监测你是否正受到危险的细菌、病毒和污染物的侵袭。
关键字
背景
今天，我们要介绍的创新成果，与一项非常重要的前沿技术相关。它就是：
芯片实验室 （英文：Lab on a chip ，简称：LOC）。
芯片实验室，简单的说，就是一块几平方厘米的芯片。然而，它集成了一项或者多项实验室操作，例如：样品制备、生化反应、分离检测等等，从而自动化地完成不同的生物或者化学反应，以及对于产物进行分析。
（图片来源于：维基百科）
芯片实验室，是微电子机械系统（MEMS）的一个子集，有时又称为“微全分析系统”（µTAS）。它一种是化学、物理学、计算机学、电子学、生物学、医学和工程学等多学科交叉融合的技术。
芯片实验室技术，使得试样处理到检测的整个流程，达到微型化、自动化、集成化和便携化，不仅仅大大节约了资源和能源，降低了成本，且排放的污染也非常小，所以是一项绿色的技术。
笔者之前的文章，对于芯片实验室相关的创新研究，也有过一些介绍：
《病原体检测，未来也许会用到这种“芯片实验室”！》一文中介绍过德国弗劳恩霍夫协会开发的芯片实验室原型，它能够进行简单且通用的病原体分子检测。
（图片来源于：弗劳恩霍夫协会）
《可检测疾病的芯片实验室：生产成本只需1美分！》介绍过美国斯坦福大学医学院的科研人员创建的“芯片实验室”的新生产方法，它使用了一种普通的喷墨打印机，使得每个芯片制造成本低至1美分，制造时间缩短至20分钟内。
（图片来源于：斯坦福大学）
未来，随着技术的进一步发展，我们不妨想象如下的场景：
芯片实验室技术与可穿戴技术相结合，持续检测和分析我们汗液或者血液中的不同生物标志物，这些生物标志物往往可能会与一些疾病相关，例如癌症或者糖尿病。
创新
最近，美国罗格斯大学的工程师们研发出一种生物传感器技术，也就是之前提到的芯片实验室，它能够用于手持或者可穿戴设备，监测你的健康状况，或者监测你是否正受到危险的细菌、病毒和污染物的侵袭。
下面这张艺术演绎图，表现了微粒子流过通道和通过电场的场景，它们在那里会经过电子监测和扫描条形码。
（图片来源于：Ella Marushchenko and Alexander Tokarev/Ella Maru Studios）
对此，罗格斯大学电气和计算机工程系的助理教授 Mehdi Javanmard 评论说：
“这对于个性化医疗和个性化健康监测来讲十分重要。我们的技术真正地使得芯片上的实验室变得可能。我们讨论的这种平台是U盘大小的，或者可以集成到例如：Apple Watch， 或者Fibit 手环中。”
最近，对于这一发明的研究论文发表于英国皇家化学学会出版的杂志《芯片实验室》，并且突出显示在它的封面上。
技术
这项研究的高级作者 Javanmard 称，这项技术包含了电子条形码的微粒子，条形码用于识别它们。这项技术可用于测试健康和疾病指标、细菌和病毒，还有空气和其他污染物。
近几十年来，关于生物标志物的研究充分揭示了人类疾病背后的分子机制的复杂性。这些标记物是与健康和疾病相关的指标，例如蛋白质或者DNA分子。这些研究进一步突出了同时测试人体体液中的多种生物标记物的重要性。Javanmard 说：
“一种生物标志物通常是不足以准确描述一种特殊的疾病，因为不同类型的疾病具有异构性，例如心脏病、癌症和炎症性疾病。为了对于不同的健康条件进行准确诊断和管理，你需要能够同时分析多种生物标志物。”
众所周知的生物标志物包括前列腺特异抗原（PSA），它是一种由前列腺细胞生成的蛋白质。美国国家癌症研究所称，患有前列腺癌的男性通常PSA的水平会升高。人体绒毛膜促性腺激素（HCG），又是另外一种普遍的生物标志物，可用于怀孕测试。
价值
笨重的光学仪器，是监测生物标志物的最先进技术。但是，它们体积太庞大，难以穿戴，也不便携。
微粒子的电子检测，对于可穿戴设备来说，需要超紧凑型的仪器。所以，罗格斯大学的条形码微粒子技术，首次实现了全电子的方案。因此，生物传感器将缩小至可穿戴手环或者微芯片的尺寸。
这项技术辨识生物标志物的准确率超过95%，并且正在进行微调中，有望达到100%的准确率。研究团队也正在致力于微生物的便携式检测，包括致病的细菌和病毒。
Javanmard 说：
“我们可以想象，未来使用一种小工具分析浴室门或者防间前门把手上的化验样本，检测流感和其他多种病毒微粒。或者，在餐厅点一块沙拉时，测试它的大肠杆菌和沙门氏菌含量。”
Javanmard 称，这种类型的工具将在两年内商用，而健康监测和诊断工具将在五年内商用。
参考资料
【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
如果您想了解更多的前沿技术文章，直接点击“阅读原文”。需要进行深入咨询和交流的朋友，请联系微信：JohnZh1984。