导读

韩国大邱庆北科学技术院的科研团队利用蜘蛛网微磁图案,开发出的新集成生物传感器的芯片实验室平台,比现有生物传感器快20倍。这项技术可应用于癌症等疾病的早期诊断和复发诊断。

技术关键字

生物传感器芯片实验室


创新背景


为了更好理解这项创新研究,我还是从生物传感器说起。


生物传感器,顾名思义,它对于生物物质敏感,能够将浓度转换为电信号进行检测的传感器设备。


它的组成由识别元件即固定化的生物敏感材料(包括酶、抗体、抗原、微生物、细胞、组织、核酸等生物活性物质)、适当的理化换能器(如氧电极、光敏管、场效应管、压电晶体等等)及信号放大装置构成的分析工具或系统。

然而,感知能力对于生物传感器来说,是十分重要的性能指标。它由传感器的分辨率」分子的移动及反应速率」共同决定。


包括韩国在的许多国家的研究小组都纷纷通过开发纳米材料,提高生物传感器分辨率。但是,传感器的灵敏度仍然受到一定的限制,这是由于生物分子向感知区域传输时,扩散速度比较低。


所以,目前的瓶颈简单来说就是:


蛋白质和DNA等生物分子,由于只依赖于扩散进行传输,所以运动的很慢。

创新探索


类似蜘蛛网状的生物传感器平台示意图

 (图片来源于:大邱庆北科学技术院

面对挑战,CheolGi Kim 教授带领的大邱庆北科学技术院的科研团队,在这方面又进行了创新探索,下面我们来看看他们的成果。


这项研究的论文发表于自然出版集团的《亚洲材料》杂志上,它也是一个国际性的学术杂志。研究人员受到了BioNano健康研究小组和韩国科学、信息技术及未来计划部等离子体生物科学研究中心的支持。


他们开发的是一种集成生物传感器的芯片实验室平台,比现在使用的类似蜘蛛网微磁图案的生物传感器,检测能力要快20倍。

 

这些生物分子,被超顺磁粒子进行标记,并且施加以附加电磁场,使得这些生物分子的运动很容易受到控制,也容易被超灵敏的磁性传感器检测到。


核心技术

使用磁泳蜘蛛网的生物传感器

a. 集成传感器的磁蜘蛛网的示意图

b. 集成传感器的磁蜘蛛网扫描电子显微镜图

c. 在图A和B中的传感器和磁图案的代表性的分层结构示意图

 (图片来源于:大邱庆北科学技术院)


研究团队利用蜘蛛网状的微磁学图案,开发了这种新型生物传感器平台。它提高了生物传感器的感知能力,这是因为:


它将标记有超顺磁粒子的生物分子,吸引到感知区域,提高采集低密度生物分子的能力。

对此,论文的第一作者 Byeonghwa Lim,也是大邱庆北科学技术院新兴材料科学学院关于生物传感器平台研究方面的博士,他这么说:


“我们放置了蜘蛛网形状的微磁场图案,使得超顺磁粒子向着平台的传感器和高灵敏度传感器的中心移动。当旋转磁场施加于蜘蛛网磁图案时,传感器便能快速吸引标记有超顺磁粒子的生物分子。它的运动速度很快,并且比扩散方式检测测试对象的速度快20倍。”

创新价值

传感器的测量信号

a. 集成磁阻传感器的磁蜘蛛网芯片的图片

b. 和传感器感知区域相关的基于粒子位置有效的杂散磁场图像

c. 测量的传感器信号

 (图片来源于:大邱庆北科学技术院)

研究团队也成功利用生物传感器平台,在离感知区域一定距离之外的地方,检测到了与超顺磁粒子成对的生物分子。


除此之外,团队已经辨别出超顺磁性纳米粒子,它不仅扮演了运输生物分子的角色,而且也作为标签使得传感器能够辨别生物分子的位置。


金教授称:

“现有的生物传感器需要很长时间,才能检测出低密度的生物分子,并且会导致低的传输效率,因为他们只依靠扩散。基于磁场的生物传感器平台,不仅提高了生物分子的采集能力,而且提高了生物分子运动的速度和灵敏度。因此,我们计划使用这个平台进行癌症等疾病的早期诊断和复发诊断。”

应用价值


对于这项创新技术的应用价值,最大的一点,也正如研究人员所描述,就是用于癌症等疾病的早期检测,由于其速度较快,所以大大降低了诊断的时间成本,有利于更加迅速的诊断疾病,从而更好地造福人类健康。

参考资料


【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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