一款受到《星艦迷航記》(Star Trek)三度儀(tricorder)啟發(fā)而且能針對(duì)癌癥或心臟病進(jìn)行快速準(zhǔn)確診斷的可攜式裝置即將實(shí)現(xiàn)。蘇格蘭科學(xué)家表示，他們開(kāi)發(fā)的裝置可望造福世界各地的人們，更快地獲得迅速準(zhǔn)確的醫(yī)療診斷。
英國(guó)蘇格蘭格拉斯哥大學(xué)(University of Glasgow)的研究人員開(kāi)發(fā)出一種新的“多度儀”(multicorder)，可配對(duì)手持式CMOS感測(cè)器以及基于Android的智慧型手機(jī)或平板電腦應(yīng)用程式(App)，用于測(cè)量患者體液樣本中的各種代謝物濃度，從而有助于簡(jiǎn)化慢性心臟病和前列腺癌的檢測(cè)。
該裝置具備同步快速檢測(cè)和量化多種代謝生物標(biāo)記的能力，使其特別適用于心臟病發(fā)作、癌癥和中風(fēng)等情況，在這些病發(fā)時(shí)能快速診斷對(duì)于有效治療極其關(guān)重要。
研究人員在其發(fā)表于《生物感測(cè)器與生物電子》(Biosensors and Bioelectronics)期刊中的“單晶片同步測(cè)量多種疾病相關(guān)代謝物的整合型可攜式系統(tǒng)”(An integrated portable system for single chip simultaneous measurement of multiple disease associated metabolites.)一文中介紹，該CMOS晶片表面由一個(gè)被分為多個(gè)反應(yīng)區(qū)的16 × 16畫(huà)素陣列組成(其實(shí)是4個(gè)獨(dú)立的微孔，每個(gè)微孔用于一種特定代謝物)，以同時(shí)檢測(cè)并量化來(lái)自血清或尿液等體液的4種代謝物。該裝置能以任何Android平板電腦或智慧型手機(jī)進(jìn)行操作，提供資料擷取、運(yùn)算、可視化和電源等。
該裝置能以任何Android手機(jī)或平板電腦進(jìn)行操作（來(lái)源：University of Glasgow）
該論文的主要作者、格拉斯哥大學(xué)工程學(xué)院教授Samadhan Patil表示，“我們已經(jīng)能夠用這種裝置同步檢測(cè)和測(cè)量與心肌梗塞、心臟病和前列腺癌有關(guān)的多種代謝物了。該裝置具備在早期階段追蹤疾病進(jìn)展的潛力，非常適合醫(yī)生對(duì)病情發(fā)展的預(yù)后。”
內(nèi)建晶片比指尖更小，并分為多個(gè)反應(yīng)區(qū)（來(lái)源：University of Glasgow）
該研究計(jì)劃的首席研究員David Cumming補(bǔ)充說(shuō)：“能夠精確測(cè)量代謝物的低成本手持式診斷裝置，開(kāi)啟了廣泛的醫(yī)學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域；隨著這一最新發(fā)展，讓我們更進(jìn)一步將這樣的裝置推向市場(chǎng)。這是一項(xiàng)令人興奮的突破，我們渴望繼續(xù)發(fā)展迄今所開(kāi)發(fā)的技術(shù)。”
研究人員表示，這種手持式裝置提供了代謝物組學(xué)(metabolomics)的民主化，使其得以從實(shí)驗(yàn)室走出來(lái)，并為研究不同疾病的復(fù)雜途徑提供一種低成本的替代方案。
晶片細(xì)節(jié)
研究人員在文中介紹該晶片感測(cè)器尺寸為3.4mm×3.6mm，采用艾邁斯半導(dǎo)體(ams) 350nm三阱(triple-well)制程。該晶片采用Cadence Virtuoso軟體套件設(shè)計(jì)，搭載16×16感測(cè)器畫(huà)素陣列，有效面積為1.6mm×1.6mm。
該CMOS晶片的有效面積(具有感測(cè)器畫(huà)素陣列)表面由4個(gè)600 ?m × 600 ?m x 1500 ?m (高)的聚二甲基矽氧烷(PDMS)微塊加以保護(hù)。這些PDMS微塊具有兩種作用：作為犧牲材料，幫助塑造黑色環(huán)氧樹(shù)脂的微鑄件以制造微孔；其次，保護(hù)CMOS晶片的主動(dòng)畫(huà)素陣列區(qū)域免受環(huán)氧樹(shù)脂的損壞或經(jīng)由刮痕造成的物理?yè)p壞。這些PDMS微塊使用覆晶接合器(Semiconductor Equipment Corporation, Model 850)的輔助平移臺(tái)，小心地放置于主動(dòng)畫(huà)素陣列的頂部。
(a) 搭載16 x 16感測(cè)器畫(huà)素陣列的CMOS感測(cè)器晶片(b) 顯示單一感測(cè)器畫(huà)素的晶片放大圖
將環(huán)氧樹(shù)脂混合物小心地傾析在PDMS微塊周圍的CMOS晶片表面和接觸墊上。在最高溫度60°C過(guò)夜固化會(huì)導(dǎo)致環(huán)氧樹(shù)脂硬化。將約8mm高的透明塑料環(huán)放置在陶瓷晶片載體上的CMOS晶片周圍以形成反應(yīng)細(xì)胞。使用黑色環(huán)氧樹(shù)脂的選擇性微腔鑄造制造出4個(gè)象限隔離壁。這些微孔具有移液管通道，這意味著它不需要微管或泵來(lái)處理液體，從而避免了復(fù)雜的液體處理程序。該方法還允許試劑與微孔瞬時(shí)混合，避免微管可能引入的流體行進(jìn)延遲，以縮短測(cè)定時(shí)間。